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, 2022, 4, 3- 13

ПІДХІД ДО ЧИСЕЛЬНОГО МОДЕЛЮВАННЯ ПРОСТОРОВИХ РУХІВ ГАЗОРІДИННОГО СЕРЕДОВИЩА В ПАЛИВНОМУ БАКУ КОСМІЧНОГО СТУПЕНЯ В УМОВАХ МІКРОГРАВІТАЦІЇ З УРАХУВАННЯМ ГАРЯЧОЇ ЗОНИ

DOI: https://doi.org/10.15407/itm2022.04.003

Пилипенко О. В., Ніколаєв О. Д., Башлій І. Д., Заволока О. М.

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

Заволока О. М.
Інститут технічної механіки Національної академії наук України і Державного космічного агентства України,
Україна

      Космічні двигунні установки забезпечують кілька пусків і зупинок головних рідинних ракетних двигунів в умовах мікрогравітації для програмного руху космічного корабля і управління переорієнтацією. Під час пасивного польоту космічного ступеня (після зупинки його основного двигуна) рідке паливо в баках продовжує рухатися за інерцією в умовах мікрогравітації і віддаляється максимально від пристрою керування паливом. У цьому випадку наддувний газ витісняється до пристрою управління паливом, що створює потенційну небезпеку надходження газу на вхід двигуна в кількостях, неприйнятних для надійного багаторазового запуску двигуна. У зв’язку з цим визначення параметрів руху рідини в баках палива в умовах мікрогравітації є актуальною проблемою, яка потребує вирішення при проєктуванні рідинних двигунних установок. Розроблено підхід до теоретичного розрахунку параметрів руху системи «газ–рідина» в паливних баках сучасних космічних ступенів в умовах мікрогравітації. Підхід базується на використанні методу скінченних елементів, методу об’єму рідини та сучасних комп’ютерних інструментів для скінченно-елементного аналізу (Computer Aided Engineering – CAE systems). Для пасивної ділянки польоту ракети-носія виконано математичне моделювання просторового руху рідкого палива та формування вільних газових включень, визначено параметри руху та форму вільної поверхні рідини в баку, розташування газових включень. Виконано чисельне моделювання руху рідини в експериментальному зразку резервуара сферичної форми в умовах мікрогравітації без урахування та з урахуванням гарячої зони, розташованої біля верхнього днища баку. Запропонований підхід використано для визначення параметрів руху границі розділу «газ–рідина» в модельному циліндричному баку, які задовільно узгоджуються з експериментальними даними. Застосування розробленого підходу дозволить значно скоротити обсяг експериментальної перевірки проєктованих космічних ступенів.
     

космічна ракета-носій, мікрогравітація, багаторазовий запуск двигуна, пасивний етап польоту, просторовий рух рідкого палива, вільні газові включення, метод скінченних елементів, метод об’єму рідини, пристрій керування паливом

1. Игдалов И. М., Кучма Л. Д., Поляков Н. В., Шептун Ю. Д. Ракета как объект управления. Днепропетровск : АРТ–Пресс. 2004. 544 с.

2. Каshanov O. E., Dеgtyarev O. V., Pylypenko O. V., Zavoloka O. M., Nikolayev O. D., Sviridenko M. F. Ensuring operating efficiency of ilv space stages propellant feeding systems in different operating conditions. IAC-15-D.2.3, 66th Astronautical Congress International. 2015. P. 8832–8838 URL: http://toc.proceedings.com/29485webtoc.pdf (Last accessed: 2.11.2022).

3. Ducret E., Le Moullec L., Spencer B., Balaam P. Propellant management device studies, computational methods and neutral buoyancy tests. AIAA 28th Joint Propulsion Conference and Exhibit. 1992. P. 92–3611. https://doi.org/10.2514/6.1992-3611

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

5. Пилипенко О. В., Заволока А. Н., Николаев А. Д., Свириденко Н. Ф. 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.

6. Блоха И. Д., Заволока А. Н., Николаев А. Д., Свириденко Н. Ф. Влияние продольных вибраций космической ступени РН на работоспособность внутрибаковых устройств обеспечения сплошности компонентов топлива в системе питания маршевого двигателя. Техническая механика. 2011. № 2. С. 65–74.

7. Li Zhang-Guo, Liu Qiu-Sheng, Liu Rong, Hu Wei, Deng Xin-Yu Influence of Rayleigh–Taylor Instability on Liquid Propellant Reorientation in a Low-Gravity Environment. Chinese Physical Society and IOP Publishing Ltd. 2009. Vol.26, No.11. P.114701-1–114701-4. https://doi.org/10.1088/0256-307X/26/11/114701

8. Behruzi Ph., Michaelis M., Khimeche G. Behavior of the Cryogenic Propellant Tanks during the First Flight of the Ariane 5 ESC-A Upper Stage. 42nd AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference & Exhibit, Sacramento, California, AIAA 2006-5052. 9—12 July 2006. 10 p. https://doi.org/10.2514/6.2006-5052

9. Investigation of Propellant Sloshing and Zero Gravity Equilibrium for the Orion Service Module Propellant Tanks final report. Microgravity University. Systems Engineering Educational Discovery. Kenosha. 2009. 22 p.

10. Седых И. В., Назаренко Д. С., Минай А. Н., Бабийчук Я. О. Экспериментальное определение времени осаждения топлива в сферическом баке перед повторным включением маршевого двигателя Системне проектування та аналіз характеристик аерокосмічної техніки. 2019. Том XXVІI. С. 136–144 URL: https://www.dnu.dp.ua/docs/zbirniki/ftf/program_5e4456e3895d7.pdf (Last accessed: 2.11.2022).

11. The Bremen Drop Tower. Официальный сайт Bremen University. URL: https://www.zarm.uni-bremen.de/en/drop-tower/team.html (Last accessed: 2.11.2022).

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

13. 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. https://doi.org/10.1016/0021-9991(81)90145-5

14. Salzman J. A., Masica W. J., Lacovic R. F. Low-gravity reorientation in a scale-model Centaur liquid-hydrogen tank. 1973. Официальный сайт NASA URL: https://ntrs.nasa.gov/search.jsp?R=19730007525 (last accessed 17.10.2017).

15. Николаев А. Д., Башлий И. Д., Свириденко Н. Ф., Хоряк Н. В. Определение параметров движения границы раздела сред «газ – жидкость» в топливных баках ракет-носителей космических ступеней на пассивных участках полета. Технічна механіка. 2017. № 4. С. 26–40. https://doi.org/10.15407/itm2017.04.026

16. Шварц А., Перри Дж. Поверхностноактивные вещества. Их химия и технические применения. Москва, Издательство ИЛ. 1953. 550 с.

17. Lange's Handbook of Chemistry. 10th ed. 1967. P. 1661–1665

18. Rosen MJ, Kunjappu JT Surfactants and Interfacial Phenomena (4th ed.). Hoboken, New Jersey: John Wiley & Sons. 2012. 600 p. https://doi.org/10.1002/9781118228920

19. Adamson A. W., Gast. A. P. Physical chemistry of surfaces. 6Ed, Wiley. 1997. 784 p.

20. Патент на винахід 125376 Україна, МПК F02К 9/42 (2006.01). Пристрій сепарації рідкого компоненту палива в паливному баку космічного ступеня від вільних газових включень і стабілізація розташування сукупної газової порожнини, що формується при польоті ступеня в умовах мікрогравітації/ О. В. Пилипенко, М. Ф. Свіріденко, О. Д. Ніколаєв, І. Д. Башлій; заявник і патентоволодар Інститут технічної механіки Національної академії наук України і Національного космічного агентства України. a 2018 03094; заявл. 26.03.2018; публ. 02.03.2022, Бюл. № 9. 9 с.

21. Patent US 2013/0048097, F16L 53/00 Thermal phase separation/ Gregory S. Mungas; FIRESTAR ENGINEERING – US 2013/0048097 A1; Application 30.08.2012; Pub. Date 28.02.2013. 13 p.

22. Богданов С. Н., Бурцев С. И., Иванов О. П., Кудрявцева А. В. Холодильная техника. Кондиционирование веществ. Справочник. 4 изд., перераб. и доп. Под. Ред С. Н. Богданова. СПб.: СПбГАХПТ. 1999. 320 с.

Copyright (©) 2022 Пилипенко О. В., Ніколаєв О. Д., Башлій І. Д., Заволока О. М.

Copyright © 2014-2022 Технічна механіка