Математическое моделирование динамических процессов в системе питания маршевого двигателя космических ступеней ракет-носителей на активных и пассивных участках траектории полета
Рубрика:
| 1Пилипенко, ОВ, Николаев, АД, Башлий, ИД, Долгополов, СИ 1Інститут технічної механіки Національної академії наук України та Державного космічного агентства України, Дніпропетровськ |
| Косм. наука технол. 2020, 26 ;(1):03-17 |
| https://doi.org/10.15407/knit2020.01.003 |
| Язык публикации: Русский |
Аннотация: Развит подход к оценке работоспособности системы питания жидкостных двигательных установок космических ступеней (разгонных блоков) ракет-носителей на участках активного и пассивного полета жидкостных ракет-носителей, в том числе при многократных запусках-остановах маршевых двигателей. Развитый подход базируется на методе конечных элементов, методе объема жидкости, импедансном методе численного анализа процессов в гидравлических магистралях и топливных баках. В рамках развитого подхода на основе математического моделирования динамических процессов в системе питания маршевого жидкостного ракетного двигателя применительно к условиям микрогравитации определяются параметры движения и формы свободной поверхности компонентов топлива в баках, параметры формирующихся свободных газовых включений в жидком топливе, оценивается работоспособность внутрибаковых устройств обеспечения сплошности компонентов топлива при различных режимах функционирования двигательной установки, рассчитываются параметры переходных процессов в системе питания маршевого жидкостного ракетного двигателя при его многократных запусках остановах, определяются амплитуды и частоты колебаний жидкого топлива в системе питания космической ступени.
Эффективность подхода подтверждена результатами решения ряда задач. В частности, показано, что результаты определения параметров движения жидкости и границы раздела сред «газ — жидкость» экспериментального образца топливного бака космической ступени «Centaur» в «бросковой башне» удовлетворительно согласуются с соответствующими экспериментальными данными, а параметры переходных процессов в системе питания разрабатываемого маршевого жидкостного ракетного двигателя космической ступени — с данными «холодных» тестовых испытаний системы питания этого двигателя на водеИспользование развитого подхода позволит сократить объем экспериментальной отработки новых и модернизируемых двигательных установок космических ступеней ракет-носителей |
| Ключевые слова: внутрибаковое устройство обеспечения сплошности, космическая ступень, маршевый жидкостной ракетный двигатель, микрогравитация, многократный запуск, разгонный блок, система питания |
References:
1. Беляев Е. Н., Черваков В. В. Математическое моделирование ЖРД. Москва: МАИ-ПРИНТ, 2009. 280 с.
2. 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.
3. Галиев Ш. У., Борисевич В. К., Потаненко А. Н., Плиско-Виноградский А. Ф. Методика расчета нагрузки султана жидкости на крышку бака. Проблемы прочности. 1984. № 5. С. 47—52.
4. Давыдов С. А. Расчёт коэффициента проникновения затопленной струи жидкости через тканую металлическую сетку. Системне проектування та аналіз характеристик аерокосмічної техніки: зб. наук. пр. 2004. Вип. V. С. 13—21.
5. Данные видеосъемки в баке окислителя II ступени РН Falcon после выключения маршевого двигателя. URL:https://www.youtube.com/watch?v=PPnCKK1isMI (дата звернення 10.10.2019).
6. Долгополов С. И. Математическое моделирование динамики жидкости в протяженных трубопроводах с помощью гидродинамических элементов. Техническая механика. 2006. № 2. С. 114—120.
7. Долгополов С. И., Заволока А. Н., Николаев А. Д., Свириденко Н. Ф., Смоленский Д. Э. Определение параметров гидродинамических процессов в системе питания космической ступени при остановах и запусках маршевого двигателя. Техническая механика. 2015. № 2. С. 79—92.
8. Козлов А. А., Новиков В. Н., Соловьев Е. В. Системы питания и управления жидкостных ракетных двигательных установок. Москва: Машиностроение, 1988. 352 с.
9. Лебединский Е. В., Калмыков Г. П., Мосолов С. В., Коротеев А. С. Рабочие процессы в жидкостном ракетном двигателе и их моделирование. Москва: Машиностроение, 2008. 511 с.
10. Микишев Г. Н., Рабинович Б. И. Динамика тонкостенных конструкций с отсеками, содержащими жидкость. Москва: Машиностроение, 1971. 564 с.
11. Микишев Г. Н., Чурилов Г. А. Влияние поверхностного натяжения и угла смачивания на колебания жидкости в сосудах. Динамика КА и исследование космического пространства. Москва: Машиностроение, 1986. С. 164—175.
12. Николаев А. Д., Башлий И. Д. Определение параметров колебаний топлива в баках космических ступеней ракет-носителей перед повторными запусками маршевого двигателя при малых уровнях заполнения. Техническая механика. 2013. № 3. С. 10—20.
13. Перфильев Л. А., Подобедов Г. Г., Соколов Б. А. Исследование вопросов гидромеханики в условиях невесомости на борту орбитальной станции «Мир». Изв. РАН: Энергетика. 2003. № 4. С. 44—50.
14. Пилипенко В. В., Задонцев В. А., Натанзон М. С. Кавитационные колебания и динамика гидросистем. Москва: Машиностроение, 1977. 352 с.
15. Пилипенко О. В., Дегтярев А. В., Башлий И. Д., Заволока А. Н., Кашанов А. Э., Николаев А. Д., Свириденко Н. Ф. Определение параметров газожидкостных структур, формирующихся в компонентах топлива при запуске маршевого двигателя космической ступени с малыми уровнями заполнения баков. Техническая механика. 2014. № 4. С. 3—13.
16. Пилипенко О. В., Заволока А. Н., Николаев А. Д., Свириденко Н. Ф. и др. Работоспособность внутрибаковых устройств обеспечения сплошности компонентов топлива в системе питания маршевой двигательной установки космических ступеней ракет-носителей. Аэрогазодинамика: проблемы и перспективы: сб. науч.тр. 2006. Вып. 2. С. 88—100.
17. Сердюк В. Проектирование средств выведения космических аппаратов. Москва: Машиностроение, 2009. 504 с.
18. Системы пассивного управления положением топлива в баках. URL: http://www.pmdtechnology.com/PMD%20 Types.html (дата звернення 10.10.2019).
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. 2010. Вип. 10. С. 106—113.
20. Чарный И. А. Неустановившееся движение реальной жидкости в трубах. Москва: Недра, 1975. 296 с.
21. Шевяков А. А., Калнин В. М., Науменкова Н. В., Дятлов В. Г. Теория автоматического управления ракетными двигателями. Москва: Машиностроение, 1978. 288 с.
22. 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.
2. 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.
3. Галиев Ш. У., Борисевич В. К., Потаненко А. Н., Плиско-Виноградский А. Ф. Методика расчета нагрузки султана жидкости на крышку бака. Проблемы прочности. 1984. № 5. С. 47—52.
4. Давыдов С. А. Расчёт коэффициента проникновения затопленной струи жидкости через тканую металлическую сетку. Системне проектування та аналіз характеристик аерокосмічної техніки: зб. наук. пр. 2004. Вип. V. С. 13—21.
5. Данные видеосъемки в баке окислителя II ступени РН Falcon после выключения маршевого двигателя. URL:https://www.youtube.com/watch?v=PPnCKK1isMI (дата звернення 10.10.2019).
6. Долгополов С. И. Математическое моделирование динамики жидкости в протяженных трубопроводах с помощью гидродинамических элементов. Техническая механика. 2006. № 2. С. 114—120.
7. Долгополов С. И., Заволока А. Н., Николаев А. Д., Свириденко Н. Ф., Смоленский Д. Э. Определение параметров гидродинамических процессов в системе питания космической ступени при остановах и запусках маршевого двигателя. Техническая механика. 2015. № 2. С. 79—92.
8. Козлов А. А., Новиков В. Н., Соловьев Е. В. Системы питания и управления жидкостных ракетных двигательных установок. Москва: Машиностроение, 1988. 352 с.
9. Лебединский Е. В., Калмыков Г. П., Мосолов С. В., Коротеев А. С. Рабочие процессы в жидкостном ракетном двигателе и их моделирование. Москва: Машиностроение, 2008. 511 с.
10. Микишев Г. Н., Рабинович Б. И. Динамика тонкостенных конструкций с отсеками, содержащими жидкость. Москва: Машиностроение, 1971. 564 с.
11. Микишев Г. Н., Чурилов Г. А. Влияние поверхностного натяжения и угла смачивания на колебания жидкости в сосудах. Динамика КА и исследование космического пространства. Москва: Машиностроение, 1986. С. 164—175.
12. Николаев А. Д., Башлий И. Д. Определение параметров колебаний топлива в баках космических ступеней ракет-носителей перед повторными запусками маршевого двигателя при малых уровнях заполнения. Техническая механика. 2013. № 3. С. 10—20.
13. Перфильев Л. А., Подобедов Г. Г., Соколов Б. А. Исследование вопросов гидромеханики в условиях невесомости на борту орбитальной станции «Мир». Изв. РАН: Энергетика. 2003. № 4. С. 44—50.
14. Пилипенко В. В., Задонцев В. А., Натанзон М. С. Кавитационные колебания и динамика гидросистем. Москва: Машиностроение, 1977. 352 с.
15. Пилипенко О. В., Дегтярев А. В., Башлий И. Д., Заволока А. Н., Кашанов А. Э., Николаев А. Д., Свириденко Н. Ф. Определение параметров газожидкостных структур, формирующихся в компонентах топлива при запуске маршевого двигателя космической ступени с малыми уровнями заполнения баков. Техническая механика. 2014. № 4. С. 3—13.
16. Пилипенко О. В., Заволока А. Н., Николаев А. Д., Свириденко Н. Ф. и др. Работоспособность внутрибаковых устройств обеспечения сплошности компонентов топлива в системе питания маршевой двигательной установки космических ступеней ракет-носителей. Аэрогазодинамика: проблемы и перспективы: сб. науч.тр. 2006. Вып. 2. С. 88—100.
17. Сердюк В. Проектирование средств выведения космических аппаратов. Москва: Машиностроение, 2009. 504 с.
18. Системы пассивного управления положением топлива в баках. URL: http://www.pmdtechnology.com/PMD%20 Types.html (дата звернення 10.10.2019).
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. 2010. Вип. 10. С. 106—113.
20. Чарный И. А. Неустановившееся движение реальной жидкости в трубах. Москва: Недра, 1975. 296 с.
21. Шевяков А. А., Калнин В. М., Науменкова Н. В., Дятлов В. Г. Теория автоматического управления ракетными двигателями. Москва: Машиностроение, 1978. 288 с.
22. 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.
23. Di Matteo Fr., De Rosa M., Onofri M. Start-Up Transient Simulation of a Liquid Rocket Engine. AIAA 2011-6032 47th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference & Exhibit (31 July — 03 August 2011), San Diego, California (15 p.). URL: www.enu.kz/repository/2011/AIAA-2011-6032.pdf (дата звернення 10.10.2019).
24. 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.
24. 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.
25. Hirt C. W., Nichols B. D. Volume of fluid (VOF) method for the dynamics of free boundaries. J. Computational Physics. 1981. No. 39 (1). P. 201—225.
https://doi.org/10.1016/0021-9991(81)90145-5
26. Investigation of Propellant Sloshing and Zero Gravity Equilibrium for the Orion Service Module Propellant Tanks. Microgravity University. Systems Engineering Educational Discovery. Kenosha, 2009. 22 p.
27. Kohnke P. Ansys, Inc. Theory Manual 001369, Twelfth Edition. Canonsburg: SAS IP, Inc., 2001. 1266 p
28. Salzman J. A., Masica W. J., Lacovic R. F. Low-gravity reorientation in a scale-model Centaur liquid-hydrogen tank (NASA TN D-7168, 1973). URL: https://ntrs.nasa.gov/search.jsp?R=19730007525 (дата звернення 10.10.2019).
29. The Bremen Drop Tower. URL: https://www.zarm.uni-bremen.de/en/drop-tower/team.html (дата звернення 10.10.2019).
30. 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. 26, No. 11. P. 114701-1—114701-4.
27. Kohnke P. Ansys, Inc. Theory Manual 001369, Twelfth Edition. Canonsburg: SAS IP, Inc., 2001. 1266 p
28. Salzman J. A., Masica W. J., Lacovic R. F. Low-gravity reorientation in a scale-model Centaur liquid-hydrogen tank (NASA TN D-7168, 1973). URL: https://ntrs.nasa.gov/search.jsp?R=19730007525 (дата звернення 10.10.2019).
29. The Bremen Drop Tower. URL: https://www.zarm.uni-bremen.de/en/drop-tower/team.html (дата звернення 10.10.2019).
30. 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. 26, No. 11. P. 114701-1—114701-4.