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

ГЛАВНАЯ    ПРО ЖУРНАЛ    РЕДКОЛЛЕГИЯ    АВТОРАМ    ТЕКУЩИЙ ВЫПУСК    АРХИВ    КОНТАКТЫ

УДК 629.784:621.64:532.542

Техническая механика, 2018, 2, 17 - 29

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ПРЕДЕЛЬНОГО ЦИКЛА АВТОКОЛЕБАТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ «ЖРДУ – КОРПУС РАКЕТЫ НОСИТЕЛЯ» ПРИ ПРОДОЛЬНОЙ НЕУСТОЙЧИВОСТИ ЖИДКОСТНОЙ РАКЕТЫ

Николаев А. Д., Башлий И. Д., Хоряк Н. В.

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

Хоряк Н. В.
Институт технической механики Национальной академии наук Украины и Государственного космического агентства Украины
Украина

      На основе конечно-элементной дискретизации автоколебательной системы «Жидкостная ракетная двигательная установка (ЖРДУ) – корпус ракеты-носителя (РН)» с использованием трехмерных и одномерных конечных элементов разработана математическая модель, описывающая нелинейное динамическое взаимодействие корпуса двухступенчатой РН (как сложной оболочечной конструкции с жидкостью) и ее маршевой ЖРДУ на активном участке полета РН, и развит подход к определению параметров автоко-лебаний жидкостной РН при ее продольной неустойчивости (POGO).
      В предлагаемом подходе корпус жидкостной ракеты рассматривается как сложная многосвязная диссипативная система «конструкция РН – жидкое топливо в баках» и схематизируется трехмерными конечными элементами, что позволяет исследовать пространственные колебания корпуса РН и жидкого топлива в его баках. Моделирование низкочастотной динамики насосов ЖРДУ выполняется на основе разработанной в Институте технической механики Национальной академии наук Украины и Государственного космического агентства Украины (ИТМ НАНУ и ГКАУ) теории кавитационных автоколебаний в насосных системах. При моделировании низкочастотных процессов в динамической системе «ЖРДУ – корпус РН» учитываются нелинейности, наиболее существенные при численном решении нелинейной задачи о POGO-колебаниях жидкостной ракеты – нелинейная зависимость объема и постоянной времени кавитационных каверн от режимных параметров насосов и нелинейная зависимость декрементов колеба-ний корпуса РН от амплитуд его колебаний.
      Проведено численное моделирование POGO-автоколебаний двухступенчатой РН общей массой 165 т с массой жидкости в баках окислителя и горючего первой ступени 130 т. Для расчетного случая резонансного взаимодействия корпуса РН и ЖРДУ определены параметры предельного цикла динамической системы «ЖРДУ – корпус РН». Показано, что при автоколебаниях перемещения элементов конструкции корпуса ракеты, давлений и расходов в элементах жидкостного ракетного двигателя происходят с частотой 15,9 Гц., близкой к частоте II -го тона собственных продольных колебаний корпуса.
      Разработанное научно-методическое обеспечение может быть использовано для теоретического определения параметров автоколебаний перспективных жидкостных РН (в том числе ракет, имеющих сложную пространственную конфигурацию корпуса) по отношению к упругим продольным и поперечным колебаниям конструкции, а также для оценки динамического нагружения конструкций РН.

Продольная неустойчивость, жидкостной ракетный двигатель, автоколебания, продольные колебания конструкции, математическое моделирование, кавитация в насосе, низкочастотная динамика системы тяги, трехмерные конечные элементы.

1. Natanson M. S. Longitudinal self-oscillation of liquid rocket. М : Mechanical engineering, 1977. 208 p.

2. 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.

3. Qingwei Wang, Shujun Tan, Zhigang Wu, Yunfei Yang, Ziwen Yu. Improved modelling method of Pogo analysis and simulation. Acta Astronautica1. 07(2015). P. 262–273. URL: http://dx.doi.org/10.1016/j.actaastro.2014.11.034.

4. Swanson L. A., Giel T. V. Design Analysis of the Ares I POGO Accumulator. AIAA 2009-4950. 45th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference & Exhibit (2–5 August 2009, Denver, Colorado). URL: http://dx.doi.org/10.2514/6.2009-4950.

5. Zhihua Zhao, Gexue Ren, Ziwen Yu, Bo Tang, Qingsong Zhang. Parameter Study on Pogo Stability of Liquid Rockets. Journal of Spacecraft and Rockets. 2011. Vol. 48. No. 3. P. 537 – 541. (doi: 10.2514/1.51877).

6. Junbeom Kim, Sang Joon Shin, Jongho Park, and Youdan Kim. Structural Modeling Reflected Nonlinearity for Longitudinal Dynamic Instability (POGO) Analysis of Liquid Propellant Launch Vehicles in Preliminary Design Phase. AIAA SPACE 2015 Conference and Exposition, AIAA SPACE Forum, (AIAA 2015-4594). URL: http://dx.doi.org/10.2514/6.2015-4594

7. Dotson K. W., Phuong Than. Procedure for Mission-Specific Pogo Stability Analyses and Risk Assessments. Spacecraft and Launch Vehicle Dynamic Environments Workshop Proceeding. (22 June 2005, El Segundo, CA). The Aerospace Corporation, 19 p.

8. Pilipenko V. V. Cavitational self-oscillation. Kiev: Naukova Dumka, 1989. 316 p. (in Russian).

9. Pilipenko V. V., Zadonzev A. P., Grigoriev A. P., Belezkiy A. S. Estimation of amplitudes of liquid launch vehicles longitudinal oscillations // Mechanics in Aviation and Astronautics. М., 1995. P. 27–34 (in Russian).

10. Belezkiy A. S. Estimation of amplitudes of liquid launch vehicles longitudinal oscillations by method of harmonic linearization. Technical mechanics. 1993. Issue.2. P.58–63. (in Russian).

11. Pilipenko V. V., Dovgotko N. I., Dolgopolov S. I., Nikolayev O. D., Serenko V. A., Khoriak N. V. Theoretical determination of amplitudes of liquid launch vehicle longitudinal oscillations. Space science and technology. 1999. Vol. 5. № 1. P. 90–96. (in Russian).

12. Pilipenko V. V., Dovgotko N. I., Pilipenko O. V., Nikolayev O. D., Pirog V. A., Dolgopolov S. I., Hodorenko V. F., Khoriak N.V., Bashliy I. D. Theoretical prediction of spacecraft longitudinal vibrations of Cyclone-4 liquid launch vehicle. Technical mechanics. 2011. № 4. P. 30–36. (in Russian).

13. Khoriak N. V., Nikolayev O. D. Mathematical modeling of interaction of longitudinal oscillations of liquid launch vehicle structure and dynamic processes in the propulsion system. Technical mechanics. 2010. № 3. P. 27–37. (in Russian).

14. Chigarev A. V., Kravchuk A. S., Smaluk A. F. ANSYS for engineers. Handbook. М : Mechanical engineering, 2004. 512 p. (in Russian).

15. Bashliy I. D., Nikolayev O. D. Mathematical modeling of spatial oscillations of shell structures with liquid using modern computer-aided design and analysis tools. Technical mechanics. 2013. № 2 P. 12–22.

16. Nikolayev O. D., Bashliy I. D. Mathematical modeling of spatial oscillations of liquid in a cylindrical tank with tank structure longitudinal vibrations. Technical mechanics. 2012. № 2. P. 14 22. (in Russian).

17. Nikolayev O. D., Khoriak N. V., Serenko V. A., Klimenko D. V., Hodorenko V. F., Bashliy I. D. Mathematical modeling of longitudinal oscillations of liquid launch vehicle structure taking into account of dissipative forces. Technical mechanics. 2016. № 2. P. 16–31. (in Russian).

18. Jarvinen, W & Kennoy, J & A. Kiefling, L & Odum, R & G. Papadopoulos, J & S. Ryan, R. (1970). A study of Saturn AS-502 coupling longitudinal structural vibration and lateral bending response during boost. Journal of Spacecraft and Rockets. 7. 10.2514/3.29884.

Copyright (©) 2018 Николаев А. Д., Башлий И. Д., Хоряк Н. В.

Copyright © 2014-2018 Техническая механика