ЧИСЕЛЬНІ ТА ЕКПСПЕРИМЕНТАЛЬНІ ДОСЛІДЖЕННЯ НАДЗВУКОВОГО ПОТОКУ В СОПЛІ ПРИ ОБТІКАННІ ЦИЛІНДРИЧНОЇ ПЕРЕШКОДИ НА СТІНЦІ З ІНЖЕКЦІЄЮ ГАЗУ

Анотація

Регулювання вектора тяги є важливим складником створення ракетних двигунів. Зокрема, певний інтерес становлять газодинамічні системи регулювання, в яких керуючі зусилля польотом ракети забезпечуються шляхом введення у надзвуковий потік твердих перешкод – інтерцепторів. Введення інтерцептора в надзвукову частину сопла дозволяє забезпечити управління траєкторією польоту, особливо в режимі стабілізації та малих керуючих зусиль. Ціль даної роботи – дослідження газодинамічних методів управління вектором тяги ракетних двигунів із використанням інтерцепторних систем та оцінка їх ефективності на основі експериментальних і чисельних методів моделювання. Актуальність роботи полягає в необхідності підвищення точності та ефективності управління польотом ракет, що є критично важливим для сучасних космічних та оборонних технологій. Використання інтерцепторних систем для регулювання вектора тяги дозволяє покращити маневреність і стабільність ракет, особливо на етапах стабілізації та малих керуючих зусиль. Однак складна структура надзвукового потоку в зоні взаємодії з інтерцептором, включаючи утворення стрибків ущільнення, зон відриву та вихроутворення, ускладнює точний прогноз характеристик управління. Традиційні експериментальні дослідження таких процесів вимагають значних ресурсів і часто не дають повного уявлення про фізичні явища. Тому чисельне моделювання турбулентних надзвукових потоків, засноване на рівняннях Нав'є-Стокса, стає важливим інструментом аналізу. Однак його ефективність залежить від коректної верифікації результатів. У цьому контексті дослідження, що поєднує експериментальні методи та чисельне моделювання, є важливим кроком до розробки більш надійних та ефективних систем управління вектором тяги. Експериментальні дослідження поперечного обтікання надзвуковим потоком повітря циліндричних перешкод з інжекцією газу в потік, що набігає, проведені на випробувальній базі Інституту технічної механіки Національної академії наук України і Державного космічного агентства України. Експериментальна модель являла собою плоске напівсопло з прозорими бічними стінками для спостереження та фотографування течій у соплі. Вимірювався статичний тиск у зоні взаємодії потоку з інтерцептором. Чисельне моделювання проводилося у програмному комплексі Ansys Fluent з використанням різних моделей турбулентності для оцінки в'язких надзвукових потоків. На основі чисельного моделювання отримано картини течії, а також розподіл статичного тиску в області взаємодії потоку з інтерцептором. Проведено порівняльний аналіз отриманих результатів з даними експериментальних випробувань. Виявлено, що чисельне моделювання задовільно відтворює ключові особливості експериментальних результатів, включаючи утворення стрибків ущільнення, зон відриву та локальних зворотних течій. Робота розширює уявлення про механізми взаємодії інтерцептора з надзвуковим потоком, зокрема в умовах використання вторинної інжекції газу або охолоджувальної рідини. Вперше проведено детальне порівняння експериментальних і чисельних даних для таких систем, що дозволяє більш точно оцінювати вплив геометричних та фізичних параметрів на характеристики потоку. Результати можуть бути безпосередньо використані для вдосконалення існуючих і розробки нових систем управління вектором тяги. Це сприятиме підвищенню точності навігації ракет, покращенню стабільності польоту та ефективному виконанню маневрів, що є критично важливим для реалізації складних космічних та оборонних завдань.

ПОСИЛАННЯ

1. Luo D. Numerical simulation of supersonic turbulent separated flows based on k-ω turbulence models with different compressibility corrections. Aerospace. 2023. V. 10. No. 14. 1014.
https://doi.org/10.3390/aerospace10121014

2. Aghaei-Jouybari M., Yuan J., Li Z., Brereton G. J., Jaberi F. A. Supersonic turbulent flows over sinusoidal rough walls. Journal of Fluid Mechanics. 2023. Vol. 956. Pp. 1–27. https://doi.org/10.1017/jfm.2022.1049

3. Gang, D., Yi, S. & Niu, H. Experimental investigation of supersonic turbulent flow over cylinders with various heights. Journal of Visualization. 2021. Vol. 24. Pp. 461–470. https://doi.org/10.1007/s12650-020-00723-1

4. Nastac G., Frendi A. An Investigation of Scale-Resolving Turbulence Models for Supersonic Retropropulsion Flows. Fluids. 2022. Vol. 7(12), 362. Pp. 1–15. https://doi.org/10.3390/fluids7120362

5. Strelnikov G., Ihnatiev O., Pryadko N., Ternova K. Efficiency of rocket engine thrust vector control by solid obstacle on the nozzle wall. 2022. Vol. 236, Issue 16. Pp. 3344–3353. https://doi.org/10.1177/09544100221083714

6. Launder B. E,. Spalding D. B. Lectures in mathematical models of turbulence. London, New York. Academic Press. 1972. 169 p.

7. Wilcox D. C. Turbulence Modeling for CFD. DCW Industries, Inc. La Canada, California. 1998. 460 p.

8. Wilcox D. C. Formulation of thek-ωTurbulence Model Revisited. AIAA Journal. 2008. Vol. 46.11. Pp. 2823–2838. https://doi.org/10.2514/1.36541

9. Menter F. R. Two-Equation Eddy-Viscosity Turbulence Models for Engineering Applications. AIAA Journal. 1994. Vol. 32 (8). Pp. 1598–1605. https://doi.org/10.2514/3.12149

10. Menter F. R., Langtry R. B., Likki S. R., Suzen Y. B., Huang P. G., Völker S. A correlation-based transition model using local variables-part I: model formulation. Journal of turbomachinery. 2006. Vol. 128(3). Pp. 413–422. https://doi.org/10.1115/1.2184352