ТЕХНИЧЕСКАЯ МЕХАНИКА
ISSN 1561-9184 (печатная версия), ISSN 2616-6380 (електронная версия)

ГЛАВНАЯ    ПРО ЖУРНАЛ    РЕДКОЛЛЕГИЯ    АВТОРАМ    ТЕКУЩИЙ ВЫПУСК    АРХИВ    КОНТАКТЫ

УДК 629.76

Техническая механика, 2018, 3, 5 - 20

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В СИСТЕМЕ ПОДАЧИ ТОПЛИВА КОСМИЧЕСКИХ СТУПЕНЕЙ РАКЕТ-НОСИТЕЛЕЙ В УСЛОВИЯХ МИКРОГРАВИТАЦИИ

О. В.Пилипенко, Николаев А. Д., Башлий И. Д., Долгополов С. И.

Пилипенко О. В.
Институт технической механики Национальной академии наук Украины и Государственного космического агентства Украины
Украина

Николаев А. Д.
Институт технической механики Национальной академии наук Украины и Государственного космического агентства Украины
Украина

Башлий И. Д.
Институт технической механики Национальной академии наук Украины и Государственного космического агентства Украины
Украина

Долгополов С. И.
Институт технической механики Национальной академии наук Украины и Государственного космического агентства Украины
Украина

      Устойчивая тенденция к созданию космических ступеней, способных к выведению нескольких космических аппаратов одной ракетой-носителем (РН) путем осуществления многократного включения маршевого двигателя ступени в условиях микрогравитации, обуславливает необходимость решения комплекса задач по обеспечению сплошности жидких компонентов топлива в питающих магистралях жидкостной двигательной установки. Цель статьи – математическое моделирование динамических процессов в системе подачи топлива космических ступеней РН для оценки работоспособности системы подачи топлива жидкостных двигательных установок космических ступеней РН в условиях микрогравитации на участках пассивного полета с работающей системой управления ориентацией и стабилизацией, а также при запусках маршевых двигателей в периоды с минимальными уровнями заполнения баков. Для решения указанных задач авторами разработано научно-методическое обеспечение, базирующееся на методе конечных элементов, на методе объема жидкости, 3D технологиях компьютерного анализа (САЕ-систем) и на импедансном методе.
      Представлены математические модели низкочастотных динамических процессов в гидравлической системе питания жидкостной ракетной двигательной установки, содержащей капиллярную систему обеспечения сплошности компонентов топлива космической ступени РН. На основе разработанных математических моделей пространственных колебаний космической ступени РН с космическим аппаратом с учетом особенностей конструкции внутрибаковых устройств и систем топливоподачи: определены формы колебаний и параметры движения свободных поверхностей компонентов топлива в баках ступени (окислителя и горючего); выявлены режимы полета, потенциально опасные по возможности проникания газа наддува или замещающего газа, растворенного в компонентах топлива, в топливные магистрали двигателей. Получены количественные оценки работоспособности устройств обеспечения сплошности на этих режимах.
      На основе разработанных математических моделей гидродинамических процессов в жидкостной ракетной двигательной установке космической ступени могут быть выявлены условия запуска маршевого двигателя, сопровождающиеся возможным прониканием газа наддува в топливные магистрали двигателей, определены параметры динамических процессов в системе топливоподачи ступени при запусках и остановах маршевого двигателя космической ступени. Тестирование математической модели низкочастотных гидродинамических процессов в системе питания космической ступени при запусках и остановах ее маршевого двигателя, проведенное с привлечением результатов экспериментальных исследований (на воде) системы питания космической ступени при останове маршевого двигателя, показало удовлетворительное согласование результатов расчетов с экспериментальными данными по амплитудам и частотам колебаний.

жидкостная ракета-носитель, космическая ступень, устройство обеспечения сплошности, гидродинамические процессы в баках, метод конечных элементов, метод объема жидкости, свободная поверхность компонентов топлива в баках, математическое моделирование

1. Сердюк В. Проектирование средств выведения космических аппаратов. М.: Машиностроение, 2009. 504 с.

2. Пилипенко О. В., Заволока А. Н., Николаев А. Д., Свириденко Н. Ф., Башлий И. Д. Работоспособность внутрибаковых устройств обеспечения сплошности компонентов топлива в системе питания маршевой двигательной установки космических ступеней ракет-носителей. Сб. науч.тр. «Аэрогазодинамика: проблемы и перспективы». 2006. Вып. 2. С. 88–100.

3. Галиев Ш. У., Борисевич В. К., Потаненко А. Н., Плиско-Виноградский А. Ф. Методика расчета нагрузки султана жидкости на крышку бака. Проблемы прочности. 1984. № 5. С. 47–52.

4. Николаев А. Д., Башлий И. Д. Определение параметров колебаний топлива в баках космических ступеней ракет-носителей перед повторными запусками маршевого двигателя при малых уровнях заполнения. Техническая механика. 2013. № 3. С. 10–20.

5. Микишев Г. Н., Рабинович Б. И. Динамика тонкостенных конструкций с отсеками, содержащими жидкость. М.: Машиностроение, 1971. 564 с.

6. Пилипенко О. В., Дегтярев А. В., Башлий И. Д. , Заволока А. Н., Кашанов А. Э., Николаев А. Д., Свириденко Н. Ф. Определение параметров газожидкостных структур, формирующихся в компонентах топлива при запуске маршевого двигателя космической ступени с малыми уровнями заполнения баков. Техническая механика. 2014. № 4. С. 3–13.

7. Долгополов С. И., Заволока А. Н., Николаев А. Д., Свириденко Н. Ф., Смоленский Д. Э. Определение параметров гидродинамических процессов в системе питания космической ступени при остановах и запусках маршевого двигателя. Техническая механика. 2015, N 2. С. 79–92.

8. Шевяков А. А., Калнин В. М., Науменкова Н. В., Дятлов В. Г. Теория автоматического управления ракетными двигателями. М. : Машиностроение, 1978. 288 с.

9. Беляев Е. Н., Черваков В. В. Математическое моделирование ЖРД. М.: МАИ-ПРИНТ, 2009. 280 с.

10. Лебединский Е. В., Калмыков Г. П., Мосолов С. В., Коротеев А. С. Рабочие процессы в жидкостном ракетном двигателе и их моделирование. Машиностроение, 2008. 511 с.

11. Di Matteo, Fr., De Rosa, M., Onofri, M. Start-Up Transient Simulation of a Liquid Rocket Engine. AIAA 2011-6032 47th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference & Exhibit (31 July - 03 August 2011), San Diego, California (15p.). Retrieved from www.enu.kz/repository/2011/AIAA-2011-6032.pdf

12. Kohnke P. Ansys, Inc. Theory Manual 001369, Twelfth Edition. Canonsburg: SAS IP, Inc., 2001. 1266 p.

13. Козлов А. А., Новиков В. Н., Соловьев Е. В. Системы питания и управления жидкостных ракетных двигательных установок. М. : Машиностроение, 1988. 352 с.

14. Hirt C. W., Nichols B. D. Volume of fluid (VOF) method for the dynamics of free boundaries. Journal of Computational Physics. 1981, № 39 (1). P. 201–225.

15. Микишев Г. Н., Чурилов Г. А. Влияние поверхностного натяжения и угла смачивания на колебания жидкости в сосудах. Динамика КА и исследование космического пространства. М.: Машиностроение, 1986. С. 164–175.

16. Блоха И. Д., Заволока А. Н., Николаев А. Д., Свириденко Н. Ф. Влияние продольных вибраций верхней ступени ракеты-носителя на работоспособность внутрибаковых устройств обеспечения сплошности компонентов топлива в системе питания маршевого двигателя. Техническая механика. 2005, № 2. С. 65–74.

17. Давыдов С. А. Расчёт коэффициента проникновения затопленной струи жидкости через тканую металлическую сетку. Системне проектування та аналіз характеристик аерокосмічної техніки: зб. наук. пр. Дніпропетровськ, 2004. Вип.V. С. 13–21.

18. Сичевой А. В., Давыдов С. А. , Горелова К. В. Коэффициент динамического нагружения сетчатых средств обеспечения сплошности топлива. Системне проектування та аналіз характеристик аерокосмічної техніки: зб. наук. пр. Дніпропетровськ, 2010. Вип. Х. С. 106–113.

19. Долгополов С. И. Математическое моделирование динамики жидкости в протяженных трубопроводах с помощью гидродинамических элементов. Техническая механика. 2006. № 2. С. 114–120.

20. Чарный И. А. Неустановившееся движение реальной жидкости в трубах. М.: Недра, 1975. 296 с.

21. Пилипенко В. В., Задонцев В. А., Натанзон М. С. Кавитационные колебания и динамика гидросистем. М.: Машиностроение, 1977. 352 с.

Copyright (©) 2018 О. В., Николаев А. Д., Башлий И. Д., Долгополов С. И.

Copyright © 2014-2018 Техническая механика