МАТЕМАТИЧНА МОДЕЛЬ РЕАКТИВНИХ ДВИГУНІВ МАЛОЇ ТЯГИ НА «ЗЕЛЕНОМУ» ПАЛИВІ ТА ЇЇ ВЕРИФІКАЦІЯ

Анотація

DOI: https://doi.org/10.15407/itm2025.02.017

Рідинні реактивні двигуни малої тяги, що застосовуються на космічних апаратах, є виконавчими органами системи керування рухом апарата в орбітальних умовах. Основним паливом для цих двигунів є гідразин, який є дуже токсичним та складним в умовах експлуатації. Тому в останні роки  ведучі космічні держави світу значну увагу приділяють пошуку та використанню нових токсично безпечних видів «зеленого» палива. Одним з варіантів такого палива є розчин у воді трьох складових: іонної речовини, пального та стабілізатора. Реакційна камера двигуна на вході оснащується каталізатором, на якому відбувається розкладання іонної речовини з утворенням окислювача, який забезпечує горіння палива з утворенням високотемпературних газоподібних продуктів, що забезпечують тягу двигуна при витіканні через надзвукове сопло. Розробки таких двигунів вимагають детального вивчення термохімічних і газодинамічних перетворень у реакційних камерах двигунів та гідравлічних процесів в системах паливного живлення. Деякі з відомих розробок двигунів на «зелених» видах палива тягою від 0,1 Н до 220 Н успішно випробувані у льотних умовах.

Значна увага розробниками реактивних двигунів малої тяги в Україні приділяється використанню в космічних апаратах різного призначення «зеленого» монопалива марки LMP-103S. Наразі в розробці знаходиться рушійна установка з кількома десятками двигунів різного масштабу тяги, які працюють у різних режимах і живляться з одного паливного баку. Математичне моделювання роботи даної рушійної установки забезпечує розрахунковий супровід проєктних розробок.

Метою роботи є адаптація комплексної математичної моделі системи рідинних реактивних двигунів малої тяги для монопалива LMP-103S та її верифікація на даних вогневих випробувань одиночних двигунів у наземних та орбітальних умовах. Представлено основні положення адаптованої математичної моделі, що описує неусталений рух палива у трубопроводах від бака до двигунів, термогазодинамічні процеси у реакційних камерах та роботу електрокерованих паливних клапанів для кожного з двигунів. Верифікацію моделі проведено для двигунів з номінальними тягами 1 Н, 5 Н та 22 Н при різних значеннях вхідних тисків палива, характерних для льотних умов. Результати розрахунків системи різномасштабних двигунів показали, що їх гідравлічний зв'язок через систему паливного живлення може приводити до суттєвого взаємного впливу, особливо для тих, що працюють у різних режимах.

ПОСИЛАННЯ

1. Anflo K., Gronland T. A., Bergman G., Nedar R., Thormahlen P. Development testing of 1- Newton AND-based rocket engines. 2^nd International Conference on Green Propellants for Spase Propulsion, 7–8 June 2004, Chia Laguna (Cagliari), Sardinia, Italy, 11 p.

2. Negri M., Grund L. Replacement of Hydrazine: Overview and First Results of the H 2020 Project Rheform. 6th European Conference for Aeronautics and Spase Scienses (EUCASS), Krakow, PL. 2015, 12 p.

3. Gohardani A. S., Stanojev J., Demaire A., Anflo K., Persson M., Wingbord N., Nilsson C. Green spase propulsion: Opportunities and prospects. Progress in Aerospase Sciences. 2014. Vol. 71. Рp. 128–149. https://doi.org/10.1016/j.paerosci.2014.08.001

4. Persson M., Anflo K., Dinardi A., Bahu J.-M . A family of Thrusters For AND-Based Monopropellant LMP-103S. 48th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference & Exhibit, Atlanta, Georgia, 2012. https://doi.org/10.2514/6.2012-3815

5. Тимошенко В. І., Патриляк Л. К., Книшенко Ю. В., Дураченко В. М., Долінкевич А. С. Застосування «зелених» палив в системах реактивних керуючих двигунів малої тяги. Технічна механіка. 2021. № 4. С. 29–43. https://doi.org/10.15407/itm2021.04.029

6. Rocket Engines – ECAPS. https://www.ecaps.se (дата звернення: 20.04.2024).

7. Тимошенко В. И., Кнышенко Ю. В., Кошкин М. И. Расчетно-экспериментальное обеспечение разработки реактивных двигательных установок малой тяги. Техническая механика. 2005. № 2. С. 50–64.

8. Тимошенко В. И., Кнышенко Ю. В., Дураченко В. М., Анищенко В. М. Вопросы отработки управляющей жидкостной реактивной системы с питанием из магистралей маршевого двигателя последней ступени ракеты-носителя. Космічна наука і технологія. 2016. Т. 22, № 1. С. 20–35. https://doi.org/10.15407/knit2016.01.020

9 Тимошенко В. И., Кнышенко Ю. В. Влияние газонасыщенности жидкости на особенности неустановившихся течений в сложных трубопроводах. Инженерно-физический журнал. 2018. Т, 91. № 6. С. 1434–1443. https://doi.org/10.1007/s10891-018-1878-9

10. Книшенко Ю. В. Динаміка електрокерованих паливних клапанів реактивних двигунів малої тяги на «зеленому» паливі. Технічна механіка. 2024. № 3. С. 50–68. https://doi.org/10.15407/itm2024.03.049

11. ПК АСТРА 4 / рс, версия 1:07 C. Моделирование химических и фазовых равновесий при высоких температурах: описание применения. М.: МГТУ им. Батмана, 1991. 38 с.

12. Беляев Н. М., Белик Н. П.,Уваров Е. И. Реактивные системы управления космических летательных аппаратов. М.: Машиностроение, 1979. 232 с.

13. Anflo K., Thormahlen P., Persson M. Hot-Firing tests using a low temperature derivative of LMP-103S // 5th European Conference for Aeronautics and Spase Scienses (EUCASS), Munish, Germany. 2013, 9 p.

14. Лямаев Б. Ф., Небольсин Г. П., Нелюбов В. А. Стационарные и переходные процессы в сложных гидросистемах. Методы расчета на ЭВМ. Под ред. Б.Ф.Лямаева Л.: Машиностроение, Ленингр. отд-ние, 1978. 192 с.

15. Decker M. M., Klein N., Freedman E. etc. HAN-Based Liquid Gun Propellants: Physical Properties. BRL-TR-2864, 1987. 64 p.

16. Книшенко Ю. В., Дураченко В. М. Математична модель роботи системи різномасштабних двокомпонентних реактивних двигунів малої тяги. Технічна механіка. 2022. № 3, С. 42–67.  https://doi.org/10.15407/itm2022.03.047

17. Сhe J., Li G., Zhang T., Liu Y., Yang R., Chen Y. Catalac slenderness ratio and AND/methanol ratio for decomposition and combustion characteristics witin ammonium dinatramide (AND)-based aerospace truster. Chinese Journal of Chemical Engineering. 2019. 27. P. 1159–1165. https://doi.org/10.1016/j.cjche.2019.01.017

18. Yoon W., Bhosale V. K., Yoon H. Reactor Structure for the Decomposition of ADN-Based Monopropellant. Aerospace. 2023. 10. 686. https://doi.org/10.3390/aerospace10080686

19. Yoon W., Bhosale V. K., Yoon H. Reactor Performance Evaluation of Ammoniumc Dinitramide-based Monopropellant in a 1 N Thruster. Aerospace. 2024. 11. 110. https://doi.org/10.3390/aerospace11020110