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, 2017, 4, 26 - 40

ВИЗНАЧЕННЯ ПАРАМЕТРІВ РУХУ ГРАНИЦІ РОЗПОДІЛУ СЕРЕДОВИЩ «ГАЗ – РІДИНА» У ПАЛИВНИХ БАКАХ КОСМІЧНИХ СТУПЕНІВ РАКЕТ-НОСІЇВ НА ПАСИВНИХ ДІЛЯНКАХ ПОЛЬОТУ

О. Д. Ніколаєв, І. Д. Башлій, М. Ф. Свириденко, Н. В. Хоряк

О. Д. Ніколаєв
Інститут технічної механіки Національної академії наук України і Державного космічного агентства України
Україна

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

М. Ф. Свириденко
Інститут технічної механіки Національної академії наук України і Державного космічного агентства України
Україна

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

      Для здійснення програмних переміщень у просторі космічні ступені рідинних ракет-носіїв (РН) оснащуються маршовими двигунами багаторазового включення. Під час польоту космічного ступеня після зупинки його маршового двигуна рідке паливо у баках в умовах мікрогравітації по інерції переміщується вгору, максимально віддаляючись від забірного пристрою, що створює потенційну можливість проникнення газу наддуву на вхід у двигун в кількостях, неприпустимих для повторного запуску двигуна. У зв'язку з цим визначення параметрів руху рідини в паливних баках в умовах мікрогравітації є актуальною задачею, яка вимагає свого вирішення при проектуванні рідинних ракетних двигунів. У даній роботі розроблено методику для теоретичного визначення параметрів руху границі розділу середовищ «газ – рідина» у порожнинах паливних баків сучасних космічних ступенів рідинних РН в умовах мікрогравітації (в період між запуском і зупинкою їх маршових двигунів) із урахуванням конструктивних особливостей внутрішньобакових засобів забезпечення суцільності рідких компонентів палива. Методику засновано на використанні методу скінченних елементів, методу об'єму рідини і сучасних комп'ютерних засобів скінченноелементного аналізу (САЕ-систем). Методика дозволяє визначати на пасивній частині польоту космічної РН параметри руху і форми вільної поверхні рідини в баках, параметри вільних газових включень, що сформувались в рідині, ефективність внутрішньобакових засобів забезпечення суцільності компонентів палива при «штатному» функціонуванні двигунної установки космічного ступеня. Стосовно до умов руху експериментального зразка паливного бака з рідиною в «кидковій вежі», що відтворює явище мікрогравітації, виконано числове моделювання руху рідини в циліндричному баці з урахуванням деформації її вільної поверхні. Отримані в результаті моделювання значення параметрів руху рідини і межі розділу середовищ «газ – рідина» узгоджуються з експериментальними даними. Використання розробленого методичного забезпечення дозволить скоротити обсяг експериментального відпрацювання нових та модернізованих космічних ступенів РН.

рідинний ракетний двигун, паливний бак, внутрішньобакові засоби забезпечення суцільності компонентів рідкого палива, мікрогравітація, форма вільної поверхні рідини, параметри газових включень у рідину, "кидкова" вежа, числове моделювання, метод кінцевих елементів

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. 7 pp.

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.

4. Козлов А. А., Новиков В. Н., 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. Перфильев Л. А., Подобедов Г. Г., Соколов Б. А. Исследование вопросов гидромеханики в условиях невесомости на борту орбитальной станции «Мир». Известия РАН: Энергетика. 2003. № 4. С. 44–50.

7. Zhang-Guo LI, Qiu-Sheng LIU, Rong LIU, Wei HU, Xin-Yu DENG. 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.

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.

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. 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.

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

12. Bussmann M., Mostaghimi J., Chandra S. On a three dimensional volume tracking model of droplet impact Phys. Fluids. 1999. 11(6). P. 46.

13. Brackbill J. U., Kothe D. B. , Zemach C. A Continuum Method for Modeling Surface Tension. Comput. Phys. 1992. Vol. 100. No. 2, June. pp. 335–354.

14. Pozdnyshev N. O. Development the capillary devices of launch vehicle tanks and peculiarities of hydrodynamic processes simulation occurring in them. IAC-14-A2.2.3. URL: http://toc.proceedings.com/ 25520webtoc.pdf (last accessed 17.10.2017).

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. Пилипенко О. В., Дегтярев А. В., Заволока А. Н., Кашанов А. Э., Николаев А. Д. , Свириденко Н. Ф., Башлий И. Д. Определение параметров газожидкостных структур, формирующихся в компонентах топлива при запуске маршевого двигателя космической ступени с малыми уровнями заполнения ее баков. Техническая механика. 2014. № 4. С. 3–13.

17. 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.

18. 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.

19. 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.

20. Hutchinson B. R., Raithby G. D. A Multigrid Method Based on the Additive Correction Strategy. Numerical Heat Transfer, 1986. 511 p.

21. Chorin A. J. Numerical solution of navier-stokes equations. Mathematics of Computation. 1968. P. 745–762.

22. Salzman J. A., Masica W. J., Lacovic R. F. Low-gravity reorientation in a scale-model Centaur liquidhydrogen tank (NASA TN D-7168, 1973). Официальный сайт NASA – URL: https://ntrs.nasa.gov/ search.jsp?R=19730007525 (last accessed 17.10.2017).

23. The Bremen Drop Tower. Официальный сайт University Bremen. URL: https://www.zarm.uni-bremen.de/ en/drop-tower/team.html (last accessed 17.10.2017).

Copyright (©) 2017 О. Д. Ніколаєв, І. Д. Башлій, М. Ф. Свириденко, Н. В. Хоряк

Copyright © 2014-2018 Технічна механіка