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, 2018, 4, 5 - 20

МАТЕМАТИЧНЕ МОДЕЛЮВАННЯ ДИНАМІЧНИХ ПРОЦЕСІВ У СИСТЕМІ ПОДАЧІ ПАЛИВА КОСМІЧНИХ СТУПЕНІВ РАКЕТ-НОСІЇВ В УМОВАХ МІКРОГРАВІТАЦІЇ

Пилипенко О. В., Ніколаєв О. Д., Башлій 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

Башлій 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

      Стійка тенденція до створення космічних ступенів, здатних до виведення декількох космічних апаратів однією ракетою-носієм (РН) шляхом здійснення багатократного включення маршового двигуна ступеня в умовах мікрогравітації, обумовлює необхідність вирішення комплексу задач по забезпеченню суцільності рідких компонентів палива в живильних магістралях рідинної двигунної установки. Мета статті – математичне моделювання динамічних процесів в системі подачі палива космічних ступенів РН для оцінки працездатності системи подачі палива рідинних двигунних установок космічних ступенів РН в умовах мікрогравітації на ділянках пасивного польоту з працюючою системою управління орієнтацією і стабілізацією, а також при запусках маршових двигунів в періоди з мінімальними рівнями заповнення баків. Для вирішення зазначених завдань авторами розроблено науково-методичне забезпечення, що базується на методах скінченних елементів, на методі об'єму рідини, 3D технологіях комп'ютерного аналізу (САЕ-систем) та на імпедансному методі.
      Представлено математичні моделі низькочастотних динамічних процесів в гідравлічній системі живлення рідинної ракетної двигунної установки. На основі розроблених математичних моделей просторових коливань космічного ступеня РН з космічним апаратом з урахуванням особливостей конструкції внутрішньобакових пристроїв і систем подачі палива: визначено форми коливань та параметри руху вільних поверхонь компонентів палива в баках (окислювача і пального) ступеня; виявлено режими польоту, потенційно небезпечні по можливості проникнення газу наддуву або заміщаючого газу, розчиненого в компонентах палива, в паливні магістралі двигунів. Отримано кількісні оцінки працездатності пристроїв забезпечення суцільності на цих режимах.
      На основі розроблених математичних моделей гідродинамічних процесів в рідинній ракетній двигунній установці космічного ступеня можуть бути виявлені умови запуску маршового двигуна, що супроводжуються можливим проникненням газу наддуву в паливні магістралі двигунів та визначені параметри динамічних процесів в системі подачі палива ступеня при запусках і остановах маршового двигуна космічного ступеня. Тестування математичної моделі низькочастотних гідродинамічних процесів в системі живлення космічного ступеня при запусках і остановах її маршового двигуна, проведене з залученням результатів експериментальних досліджень (на воді) системи живлення космічного ступеня при зупинці маршового двигуна, показало задовільне узгодження результатів розрахунків з експериментальними даними по амплітудах і частотах коливань.

рідинна ракета-носій, космічний ступінь, пристрій, забезпечення суцільності, гідродинамічні процеси в баках, метод кінцевих елементів, метод об'єму рідини, вільна поверхня компонентів палива в баках, математичне моделювання

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 Пилипенко О. В., Ніколаєв О. Д., Башлій І. Д., Долгополов С. І.

Copyright © 2014-2018 Технічна механіка