ТЕХНІЧНА МЕХАНІКА
ISSN 1561-9184 (друкована версія), ISSN 2616-6380 (електронна версія)

ГОЛОВНА    ПРО ЖУРНАЛ    РЕДКОЛЕГІЯ    АВТОРАМ    ПОТОЧНИЙ ВИПУСК    АРХІВ    КОНТАКТИ

УДК 532.528:621

Технічна механіка, 2021, 3, 9 - 22

СУЧАСНІ ПРОБЛЕМИ НИЗЬКОЧАСТОТНОЇ ДИНАМІКИ РІДИННИХ РАКЕТНИХ ДВИГУННИХ УСТАНОВОК

DOI: https://doi.org/10.15407/itm2021.03.009

Пилипенко О. В., Ніколаєв О. Д., Хоряк Н. В., Долгополов C. І., Башлiй І. Д.

Пилипенко О. В.
Інститут технічної механіки Національної академії наук України і Державного космічного агентства України,
Україна

Ніколаєв О. Д.
Інститут технічної механіки Національної академії наук України і Державного космічного агентства України,
Україна

Хоряк Н. В.
Інститут технічної механіки Національної академії наук України і Державного космічного агентства України,
Україна

Долгополов C. І.
Інститут технічної механіки Національної академії наук України і Державного космічного агентства України,
Україна

Башлiй І. Д.
Інститут технічної механіки Національної академії наук України і Державного космічного агентства України,
Україна

      Однією з основних задач при проєктуванні рідинних ракетних двигунів (РРД) є забезпечення стійкості робочих процесів у РРД і, зокрема, стійкості до низькочастотних коливань. При експериментальному відпрацюванні РРД нерідкими є випадки, коли розвиток наростаючих коливань, що виникають в окремих контурах або агрегатах РРД, призводить до нештатних ситуацій: перевищенню межі міцності конструкції двигуна, зриву насоса, загоряння камери та ін. В разі виникнення нештатних ситуацій можливі тяжкі наслідки – в тому числі, руйнування двигуна і стендового обладнання. Тому одним з головних інструментів, які дозволяють на етапах проєктування і відпрацювання РРД прогнозувати його динамічні характеристики на усталеному і перехідних режимах та особливості функціонування при запуску, є математичне моделювання. В даній статті проведено огляд та аналіз сучасних наукових публікацій (з глибиною охоплення пошуку до 15 років), присвячених дослідженню динаміки та низькочастотної стійкості перспективних рідинних ракетних двигунів та їх агрегатів за різними напрямками. Виконання такого аналізу дозволило визначити проблемні питання прогнозування та забезпечення низькочастотної стійкості проєктованих рідинних ракетних двигунних установок (РРДУ), висвітлити нові результати наукових досліджень (експериментальних та теоретичних) щодо виникнення та розвитку загальнодвигунних низькочастотних коливань та низькочастотних коливань в системах і агрегатах РРДУ; виявити нові підходи до математичного моделювання та дослідження низькочастотних процесів у РРДУ, відзначити перспективні напрямки досліджень. В якості основних тематичних напрямків аналізу було розглянуто такі: низькочастотна динаміка кавітуючих шнековідцентрових насосів та газових трактів РРД, динаміка регуляторів РРД, проблеми управління тягою РРД, взаємодія поздовжніх коливань корпусу РН з низькочастотними процесами в її маршовій РРДУ, динамічні процеси при запуску–зупину РРД, низькочастотні внутрішньокамерні коливання.
     

рідинний ракетний двигун, низькочастотна стійкість, загальнодвигунні коливання, кавітація, шнековідцентровий насос, система живлення, газогенератор, камера згоряння

1. Cervone A., Torre L., Pasini A., d’Agostino L. Cavitation and Turbopump Hydrodynamics Research at Alta S. P. A. and Pisa University. Proc. of the 4 th Int. Symposium on Fluid Machinery and Fluid Mechanics, Beijing (China), 2008. No. 4ISFMFE-IL16. 8 p.

2. Ehrlich D., Schwille J., Welle R., Murdock J., Hardy B. Water Test Facility for Liquid Rocket Engine Turbopump Cavitation Testing. Proc. of the 7-th Int. Symposium on Cavitation, Ann Arbor, Michigan (USA), 2009. CAV2009, Paper No. 11. 10 p.

3. Задонцев В. А., Дрозд В. А., Долгополов С. И., Грабовская Т. А. Автономные динамические испытания шнекоцентробежного насоса ЖРД большой размерности в режиме кавитационных автоколебаний. Авиационно-космическая техника и технология. 2009. № 9(66). С. 100–106.

4. Dinardi Aaron, Capozzoli Peter, Shotwell Gwynne. Low-cost launch opportunities provided by the Falcon family of launch vehicles. The Fourth Asian Space Conference, 2008, Taipei, Taiwan, 1–3 October 2008. URL: https://selenianboondocks.com/wp-content/uploads/2008/11/s12-11.pdf (дата звернення 22.02.2021).

5. Cervone Angelo, Torre Lucio, Bramanti Cristina, Rapposelli Emilio and d’Agostino Luca. Experimental Characterization of Cavitation Instabilities in the Avio “FAST2” Inducer. AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference: 41st Conference & Exhibit, 10 July 2005 – 13 July 2005, Tucson, Arizona. Published Online: 19 Jun 2012. https://doi.org/10.2514/6.2005-4451

6. Arnone A., Boncinelli P., Capuani A., Spano E., Rebattet C. “ARIANE 5” tpLOX inducer design strategies to enhance cavitating performance. CAV 2001: 4th International Symposium on Cavitation, June 20–23, 2001, California Institute of Technology, Pasadena, CA USA. Conference paper CAV2001:sessionB7.004. 12 p. URL: https://resolver.caltech.edu/CAV2001: sessionB7.004 (дата звернення 23.03.2021).

7. Christopher E. Brennen. Multifrequency Instability of Cavitating Inducers. Journal of Fluid Engineering. 2007. Vol. 129(6). June. P. 731–736. https://doi.org/10.1115/1.2734238

8. Hadavandi Ruzbeh, Pasini Angelo, Valentini Dario, Pace Giovanni, d’Agostino Luca. Thermal cavitation instability analysis in axial inducers by means of casing and hub-mounted pressure sensors. Proceedings of the ASME-JSME-KSME, 2019. Joint Fluids Engineering Conference AJKFLUIDS2019 (July 28 – Aug. 1, 2019), San Francisco, CA, USA. Published Online: November 20, 2019. Paper No: AJKFluids2019-5620, V03BT03A047; 12 p. https://doi.org/10.1115/AJKFluids2019-5620

9. Christopher E. Brennen. On the Dynamics of a Cavitating Pump. 28th IAHR symposium on Hydraulic Machinery and Systems (IAHR2016) IOP. Publishing IOP Conf. Series Earth and Environmental Science 49(5): 052018. 10 p. https://doi:10.1088/1755-1315/49/5/052018

10. Yoshida Yo., Nanri H., Kikuta K., Kazami Yu., Iga Yu., Ikohage T. Thermodynamic effect on subsynchronous rotating cavitation and surge mode oscillation in a space inducer. ASME J. Fluid Eng. June 2011, 133 (6): 061301. P. 7. https://doi.org/10.1115/1.4004022

11. Кошелев И. М., Мартиросов Д. С., Колбасенков А. И. Влияние конденсации высокотемпературного окислительного газа в зоне криогенного кислорода на низкочастотную устойчивость ЖРД. Двигатель. 2012. № 6(84). С. 24–27.

12. Турнов М. А. Опыт стендовой отработки элементов системы подачи жидкого кислорода ракеты-носителя «Энергия». Полет. 2009. № 10. С. 35–40.

13. Катков Р. Э., Киселева О. В., Стриженко П. П., Тупицын Н. Н. Экспериментальные исследования вариантов конструкции струйного насоса-конденсатора в составе бустерного турбонасосного агрегата подачи жидкого кислорода. Космическая техника и технология. 2017. № 1(16). С. 63–70.

14. Бирюков В. И., Царапкин А. Р. Методика оценки запасов устойчивости рабочего процесса в камерах сгорания и газогенераторах жидкостных ракетных двигателей. Известия ТулГУ. 2017. Технические науки. Вып. 5. Машиностроение и машиноведение. С. 19–33.

15. Дорош Н. Л. Моделювання конденсації струменя пари кисню у рідині кисню. Прикладні питання математичного моделювання. 2020. Т. 3. № 2.2. С. 149–155. https://doi.org/10.32782/KNTU2618-0340/2020.3.2-2.14

16. Беляев Е. Н., Коломенцев А. И., Насименто Л. Б., Назаров В. П. Влияние конструктивных параметров регулятора расхода на его статические и динамические характеристики. Вестник СибГАУ. 2014. № 1 (53). С. 109–113.

17. Долгополов С. И., Николаев А. Д. Математическое моделирование низкочастотной динамики регулятора расхода при различных амплитудах гармонического возмущения. Техническая механика. 2017. № 1. С. 3–13. https://doi.org/10.15407/itm2017.01.015

18. Ryan Lundgreen. Water Turbopump Inducer Performance with and without a Stability Control Device. Utah Space Grant Consortium. 05/2013. May. P. 6. URL: https://digitalcommons.usu.edu/ cgi/viewcontent.cgi?article=1004&context=spacegrant (дата звернення 28.01.2021).

19. Perez-Roca Sergio, Marzat Julien, Flayac Emilien, Piet-Lahanier Helene, Langlois Nicolas, Farago Francois, Galeotta Marco, Le Gonidec Serge. An MPC Approach to Transient Control of Liquid-Propellant Rocket Engines. Science Direct. IFAC-PapersOnLine. 2019 (Nov.). Vol. 52. Issue 12. P. 268–273. https://doi.org/10.1016/j.ifacol.2019.11.254

20. Casiano Matthew J. Hulka James R., Yang Vigor. Liquid-Propellant Rocket Engine Throttling: A Comprehensive Review. Journal of Propulsion and Power. 2010. Vol. 26 (5), Sept.–Oct. P. 897–923. https://doi.org/10.2514/1.49791

21. Гемранова Е. А., Колбасенков А. И., Кошелев И. М., Левочкин П. С., Мартиросов Д. С. Способы подавления низкочастотных колебаний в ЖРД на режимах глубокого дросселирования. Труды НПО «Энергомаш» им. академика В. П. Глушко (Химки). 2013. № 30. С. 104–110.

22. Пилипенко О. В., Прокопчук А. А., Долгополов С. И., Хоряк Н. В., Николаев А. Д., Писаренко В. Ю., Коваленко В. Н. Математическое моделирование и анализ устойчивости низкочастотных процессов в маршевом ЖРД с дожиганием генераторного газа. Вестник двигателестроения. 2017. № 2. С. 34–42.

23. Хоряк Н. В., Николаев А. Д. Декомпозиция и анализ устойчивости динамической системы «питающие магистрали – маршевый ЖРД с окислительной схемой дожигания генераторного газа». Техническая механика. 2007. № 1. С. 28–42.

24. Хоряк Н. В., Долгополов C. И. Особенности математического моделирования динамики газовых трактов в задаче об устойчивости низкочастотных процессов в жидкостных ракетных двигателях. Технічна механіка. 2017. № 3. С. 30–44. https://doi.org/10.15407/itm2017.03.030

25. Пилипенко О. В., Долгополов С. И., Николаев А. Д., Хоряк Н. В. Математическое моделирование запуска многодвигательной жидкостной ракетной двигательной установки. Технічна механіка. 2020. № 1. C. 5–19. https://doi.org/10.15407/itm2020.01.005

26. Беляев Е. Н., Воробьев А. Г. Влияние процессов заполнения смесительных головок газогенераторов на динамику бесстартерного запуска жидкостного ракетного двигателя. Сибирский журнал науки и технологий. 2018. Т. 19. № 3. С .469–481. https://doi.org/10.31772/2587-6066-2018-19-3-469-481

27. Беляев Е. Н., Воробьев А. Г., Гнесин Е. М. Разработка нелинейной математической модели жидкостного ракетного двигателя, работающего на стационарном режиме. Электронный журнал «Труды МАИ». 2013. Вып. №73. 18 c. URL: https://mai.ru/upload/iblock/346/ 346116506f3672611cd1833c7a2b319f.pdf (дата звернення 12.02.2021).

28. Chen Liping, Xie Gang, Ding Ji, Zhang Haiming, Yang Hao. Modeling and Simulation of Liquid Propellant Rocket Engine Transient Performance Using Modelica. Proceedings of the 11th International Modelica Conference (Sept. 21-23, 2015). Versailles, France. 2015. Р. 485–490. URL: https://ep.liu.se/ecp/118/052/ ecp15118485.pdf (дата звернення 25.02.2021).

29. Пилипенко О. В., Хоряк Н. В., Долгополов С. И., Николаев А. Д. Математическое моделирование динамических процессов в гидравлических и газовых трактах при запуске ЖРД с дожиганием генераторного газа. Технічна механіка. 2019. № 4. C. 5–20. https:// doi.org/10.15407/itm2019.04.005

30. Шерстянников В. Н. Исследование динамичной многокамерной двигательной установки на жидком топливе. Двигатель. 2003. № 4 (28). С. 35. https://engine.aviaport.ru/issues/28/page35.html

31. Marco Leonardi, Francesco Di Matteo, Johan Steelant, Francesco Nasuti, Marcello Onofri. Non-linear Analysis of Low-Frequency Combustion Instabilities in Liquid Rocket Engines. 6th European Conference for Aeronautics and Space Sciences (Eucass). Conference Paper. June 2015. URL: https://doi.org/10.1051/ eucass/201911295 (дата обращения 18.01.2021). https://doi.org/10.1051/eucass/201911295

32. Oppenheim B. W., Rubin S. Advanced Pogo Stability Analysis for Liquid Rockets. Journal of Spacecraft and Rockets. 1993. Vol. 30, No. 3. P. 360–383. https://doi.org/10.2514/3.25524

33. Пилипенко В. В., Довготько Н. И., Николаев А. Д., Долгополов С. И., Хоряк Н. В., Серенко В. А. Теоретическое определение динамических нагрузок (продольных виброускорений) на конструкцию жидкостной ракеты РС–20 на активном участке траектории ее полета. Техническая механика. 2000. № 1. C. 3–18.

34. Chimeh S. A. J., Shahi H. K. M., Dehaj M. S. Frequency Analysis of Launch Vehicle Oscillation Absorbent Configuration on Performance of Liquid Propellant Engine. Journal of Aeronautics and Space Technologies. 2019 (Jan.). Vol. 12. No. 1. Р. 109–120.

35. Pylypenko O. V., Degtyarev M. A., Nikolayev O. D., Klimenko D. V., Dolgopolov S. I., Khoriak N. V., Bashliy I. D., Silkin L. A. Providing of POGO stability of the Cyclone-4M launch vehicle. Space Science and Technology. 2020. Vol. 26. № 4. P. 3–20. https://doi.org/10.15407/knit2020.04.003

36. Филипковский С. В., Аврамов К. В. Конечноэлементный анализ резонансных режимов топливоподающего тракта ракеты. Вестник Нац. техн. ун-та «ХПИ». Динамика и прочность машин. 2009. № 30. С. 183–190.

37. Хоряк Н. В., Николаев А. Д. Математическое моделирование взаимодействия продольных колебаний корпуса жидкостной ракеты как многосвязной упруго-диссипативной системы и динамических процессов в двигательной установке. Техническая механика. 2010. № 3. C. 27–37.

38. Kook Jin Park, JeongUk Yoo, SiHun Lee, Jaehyun Nam, Hyunji Kim Juyeon Lee, Tae-Seong Roh, Jack J. Yoh, Chongam Kim, SangJoon Shin. Pogo Accumulator Optimization Based on Multiphysics of Liquid Rockets and Neural Networks. Journal of Spacecraft and Rockets. 2020 (July–August 2020). Vol. 57. No. 4. Р. 809–822. https://doi.org/10.2514/1.A34769

39. Qingwei Wang, Shujun Tan, Zhigang Wu, Yunfei Yang, Ziwen Yu. Improved modelling method of Pogo analysis and simulation for liquid rockets. Acta Astronautica. 2015. Vol. 107 (Feb.–March). Р. 262–273. https://doi.org/10.1016/j.actaastro.2014.11.034

40. Nikolayev O. D., Bashliy I. D., Khoriak N. V. Сomputation of the POGO self-oscillation parameters in dynamic "propulsion – rocket structure" system by using a 3D structural model. Technical mechanics. 2018. № 2. С. 17–29. https://doi.org/10.15407/itm2018.02.017

Copyright (©) 2021 Пилипенко О. В., Ніколаєв О. Д., Хоряк Н. В., Долгополов C. І., Башлiй І. Д.

Copyright © 2014-2021 Технічна механіка