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

ГОЛОВНА    ПРО ЖУРНАЛ    РЕДКОЛЕГІЯ    АВТОРАМ    ПОТОЧНИЙ ВИПУСК    АРХІВ    КОНТАКТИ

УДК 629.76

Технічна механіка, 2023, 1, 3- 13

ДИНАМІЧНІ ПРОЦЕСИ У ТВЕРДОПАЛИВНИХ РАКЕТНИХ ДВИГУНАХ ТА ЇХ ВЗАЄМОДІЯ З ВІБРАЦІЯМИ КОНСТРУКЦІЇ РАКЕТИ: СТАН ПИТАННЯ ТА АКТУАЛЬНІ ПРОБЛЕМИ

DOI: https://doi.org/10.15407/itm2023.01.003

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

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

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

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

      Найбільш критичні умови роботи ракетних двигунів твердого палива (РДТП) часто зумовлені розвитком динамічних процесів, які характеризуються наднормативними величинами режимних параметрів. Стрибки тиску та різке зростання локальної температури продуктів згоряння можуть призводити до порушення міцності та руйнування конструкції камери згоряння РДТП, переходу на критичний режим роботи двигуна, аж до згасання процесу горіння палива в двигуні.
      Показано, що як на нестаціонарних, так і на квазістаціонарних режимах роботи РДTП динамічні процеси в його камері згоряння розвиваються зі складним взаємозв'язком великої кількості фізико-хімічних процесів, які відбуваються в газодинамічній частині робочого простору камери двигуна – процесів фізичних, хімічних та термодинамічних (тепломасообмін). Встановлено, що сучасні дослідження нестійкості робочого процесу РДTП спрямовані на виявлення механізмів розвитку коливань тиску в камері згоряння, які зазвичай базуються на вихроутворенні продуктів згоряння в порожнині камери та акустичному зворотному зв'язку, що виникає внаслідок зіткнення вихорів з елементами камери згоряння РДTП або соплом твердопаливного двигуна. Іншими напрямками досліджень є аналіз резонансного демпфування в РДТП і визначення зв'язку між згорянням алюмінієвих крапель у паливі та внутрішньою нестійкістю, яка може статися в ракетному твердопаливному двигуні. Відзначається, що прискорення та вібрації поверхонь горіння твердого сумішевого палива можуть суттєво вплинути на швидкість горіння, а також на агломерацію, утримування на поверхні та вигоряння металевих добавок палива, що, у свою чергу, визначає формуючий вплив на акустику камери двигуна.
      Зазначено, що взаємодію між коливаннями тиску в камері згоряння твердопаливного двигуна та реакцією його конструкції, яка реалізується під час польоту ракети з РДТП і спостерігалася під час польотних випробувань деяких ракет, слід ураховувати при прогнозуванні стійкості динамічних процесів у РДТП. Наявність такої взаємодії може поставити під сумнів достатність статичних тестів РДТП та наступні висновки щодо величини його динамічного впливу на корпус ракети.
     

твердопаливний ракетний двигун, стійкість робочого процесу, вихроутворення потоку продуктів згоряння, акустика камери згоряння, агломерація та згоряння металевих добавок палива

1. Присняков В. Ф. Динамика ракетных двигателей твёрдого топлива. М.: Машиностроение, 1984. 247 с.

2. Волков К. Н., Емельянов В. Н. Газовые течения с массоподводом в каналах и трактах энергоустановок. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2011. 464 с.

3. Соколовский М. И. Управляемые энергетические установки на твердом ракетном топливе. М.: Машиностроение, 2003. 464 с.

4. Ларионов В. М., Зарипов Р. Г. Автоколебания газа в установках с горением. Казань: Изд-во КГТУ, 2003. 228 с.

5. Конструкции ракетных двигателей на твердом топливе. Под общ. ред. Лаврова Л. Н. М.: Машиностроение, 1993. 215 с.

6. Richard J., Nicoud F. E?ect of the Fluid Structure Interaction on the aeroacoustic instabilities of solid rocket motors. American Institute of Aeronautics and Astronautics. 17th AIAA/CEAS Aeroacoustics Conference (32nd AIAA Aeroacoustics Conference). June, 2011. 15 P. URL: https://imag.umontpellier.fr/~nicoud/PDF/AIAA_Richard.pdf (Last accessed: 16.02.2023). https://doi.org/10.2514/6.2011-2816

7. Wu W. J., Kung L. C. Determination of Triggering Condition of Vortex-Driven Acoustic Combustion Instability in Rocket Motors. Journal of Propulsion And Power. 2000. Vol. 16, № 6. November–December. P. 1022–1029. https://doi.org/10.2514/2.5672

8. Thirumoorthy M., Chakravarthy S. R., Brahmanandam P. V. Shape effects of single axisymmetric cavity in a circular duct on flow induced acoustic oscillations. Aerospace Science and Technology. 2017. Vol. 67. P. 181–192. https://doi.org/10.1016/j.ast.2017.03.021

9. Ferretti V., Favini B., Cavallini E., Serraglia F., Giacinto M. D. Pressure oscillations simulation in P80 SRM ?rst stage VEGA launcher. San Diego. American Institute of Aeronautics and Astronautics. 2011. P. 102–116. https://doi.org/10.2514/6.2011-6055

10. Cosyn, P., Vierendeels J., Anthoine J. Numerical Simulation of Aeroacoustic Phenomena in a Solid Rocket Booster. Journal Of Spacecraft And Rockets. 2005. Vol. 42, № 1. P. 111–117. https://doi.org/10.2514/1.3579

11. Zhang Q., Wang N., Li J., Su W., Zhang Y. Effect of the head cavity on pressure oscillation suppression characteristics in large solid rocket motors. SCIENCE CHINA. Technological Sciences. 2015. Vol. 58, No.7. July. P. 1250–1262. https://doi:10.1007/s11431-015-5834-z

12. Dotson K. W., Koshigoe S., Pace K. K. Vortex driven pressure oscillations in the Titan IV solid rocket motor upgrade Pace. 31st Propulsion Conference and Exhibit., San-Diego, CA. Copyright 1995 by American Institute of Aeronautics and Astronautics. 1995. July 10 – 12. 11 p. https://doi.org/10.2514/6.1995-2732

13. Ferruccio S. Modeling and numerical simulation of ignition transient of large solid rocket motor. Universitadegli Studi di Roma “La Sapienza”. Scuola di IngegneriaAerospaziale. Dottorato di Ingegneria Aerospaziale XV Ciclo. Anno Accademico 2002/2003. 98 p. URL: http://www.ingaero.uniroma1.it/attachments/874_Tesi.pdf (Last accessed: 16.02.2023).

14. Fabignon Y., Dupays J., Avalon G., Vuillot F., Lupoglazoff N., Casalis G., Prevost M. Instabilities and pressure oscillations in solid rocket motors. Aerospace Science and Technology. 2003. 7. P. 191–200. https://doi.org/10.1016/S1270-9638(02)01194-X

15. Bhutto A.A., Harijan K., Hussain M., Shah S. F.; Kumar L. Numerical simulation of transient combustion and the acoustic environment of obstacle vortex-driven flow. Numerical Simulation of Transient Combustion and the Acoustic Environment of Obstacle. Vortex-Driven Flow. Energies. 2022. 11 p. URL: https://www.mdpi.com/1996-1073/15/16/6079 (Last accessed: 16.02.2023). https://doi.org/10.3390/en15166079

16. Orlandi O., Plaud M. Godfroy F., Lerrieu S., Cesco N. Aluminium droplets combustion and srm instabilities. 7th European Conference For Aeronautics and Space Sciences (EUCASS). 2017. 14 p. https://doi:10.13009/EUCASS2017-532

17. Taherinezhad R., Zarepour G. Theoretical, numerical and experimental investigation of vortex shedding in a novel sub-scaled motor. Department of Mechanical Engineering, University of Guilan, Rasht, 51665-315, Iran. Journal of Applied Fluid Mechanics. 2019. Vol. 12, No. 4. P. 1319–1332. https://doi:10.29252/jafm.12.04.26986

18. Dotson W., Sako B. H. Interaction Between Solid Rocket Motor Internal Flow and Structure During Flight Kirk Journal of Propulsion and Power. 2007. Vol. 23, No. 1. January–February. P. 140–145. https://doi:10.2514/1.20477

19. Hessler R. O., Glick R. L.Commentоn Dotson et al. Structural Dynamic Analysis of Solid Motor Resonant Burning. Journal of Propulsion and Power. 2005. Vol. 21, No. 1. January–February. P. 190–191. https://doi.org/10.2514/1.9459

20. Reply to Technical Comment from R. O. Hessler and R. L. Glick K. W. Dotson. Journal of Propulsion and Power. 2005. Vol. 21, No. 1. January–February. P. 191–192. https://doi.org/10.2514/1.9459

Copyright (©) 2023 Пилипенко О. В., Ніколаєв О. Д., Хоряк Н. В., Башлiй І. Д., Долгополов С. І.

Copyright © 2014-2023 Технічна механіка