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

ГОЛОВНА    ПРО ЖУРНАЛ    РЕДКОЛЕГІЯ    АВТОРАМ    ПОТОЧНИЙ ВИПУСК    АРХІВ    КОНТАКТИ

УДК 629.784:621.64:532.542

Технічна механіка, 2018, 2, 17 - 29

ВИЗНАЧЕННЯ ПАРАМЕТРІВ ГРАНИЧНОГО ЦИКЛУ АВТОКОЛИВАЛЬНОЇ СИСТЕМИ «РРДУ – КОРПУС РАКЕТИ-НОСІЯ» ПРИ ПОЗДОВЖНІЙ НЕСТІЙКОСТІ РІДИННОЇ РАКЕТИ

Ніколаєв О. Д., Башлій І. Д., Хоряк Н. В.

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

Хоряк Н. В.
Інститут технічної механіки Національної академії наук України і Державного космічного агентства України
Україна

      На основі скінченно-елементної дискретизації автоколивальної системи «Рідинна ракетна двигунна установка (РРДУ) – корпус ракети-носія (РН)» із використанням тривимірних і одновимірних кінцевих елементів розроблено математичну модель, що описує нелінійну динамічну взаємодію корпусу двоступеневої РН (як складної оболонкової конструкції, що містить рідину) і її маршової РРДУ на активній частині польоту РН, і розвинено підхід до визначення параметрів автоколивань рідинної РН при її поздовжньої нестійкості (POGO).
      У запропонованому підході корпус рідинної ракети розглядається як складна багатозв'язкова дисипативна система «конструкція РН – рідке паливо в баках» і схематизується тривимірними скінченними елементами, що дозволяє досліджувати просторові коливання корпусу РН і рідкого палива в його баках. Моделювання низькочастотної динаміки насосів РРДУ виконується на основі розробленої в Інституті технічної механіки Національної академії наук України і Державного космічного агентства України (ІТМ НАНУ і ДКАУ) теорії кавітаційних автоколивань в насосних системах. При моделюванні низькочастотних процесів в динамічній системі «РРДУ – корпус РН» враховуються нелінійності, які є найбільш суттєвими при чисельному рішенні нелінійної задачі про POGO-коливання рідинної ракети – нелінійна залежність об'єму і постійної часу кавітаційних каверн від режимних параметрів насосів та нелінійна залежність декрементів коливань корпусу РН від амплітуд його коливань.
      Проведено чисельне моделювання POGO-автоколивань двоступеневої РН загальною масою 165 т із масою рідини в баках окислювача і пального першого ступеня 130 т. Для розрахункового випадку резона-нсної взаємодії корпусу РН із РРДУ визначено параметри граничного циклу динамічної системи «РРДУ – корпус РН». Показано, що при автоколиваннях переміщення елементів конструкції корпусу ракети, тисків та витрат пального в елементах рідинного ракетного двигуна відбуваються з частотою 15,9 Гц, близькою до частоти II -го тону власних поздовжніх коливань корпусу.
      Розроблене науково-методичне забезпечення може бути використано для теоретичного визначення параметрів автоколивань перспективних рідинних РН (в тому числі ракет, які мають складну просторову конфігурацію корпусу) по відношенню до пружних поздовжніх і поперечних коливань конструкції, а також для оцінки динамічного навантаження конструкцій РН.

поздовжня нестійкість, рідинний ракетний двигун, автоколивання, поздовжні коливання конструкції, математичне моделювання, кавітація у насосі, низькочастотна динаміка системи тяги, тривимірні скінченні елементи

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 Ніколаєв О. Д., Башлій І. Д., Хоряк Н. В.

Copyright © 2014-2018 Технічна механіка