Забезпечення поздовжньої стійкості ракети-носія «Циклон-4М»
Рубрика:
| 1Пилипенко, ОВ, Дегтярев, МО, Нiколаєв, ОД, Клименко, ДВ, Долгополов, СІ, Хоряк, НВ, Башлiй, ІД, Сілкін, ЛО 1Інститут технічної механіки Національної академії наук України та Державного космічного агентства України, Дніпропетровськ |
| Косм. наука технол. 2020, 26 ;(4):03-20 |
| https://doi.org/10.15407/knit2020.04.003 |
| Язык публикации: Англійська |
Аннотация: Низькочастотні поздовжні коливання рідинних ракет-носіїв (POGO) — явище, властиве майже всім рідинним ракетам. Ці коливання можуть призвести до різних аварійних ситуацій: пошкодження конструкції ракети і системи подачі рідкого палива, неприпустимих порушень в роботі системи керування ракетою. Використання рідинних ракетних двигунів з допалюванням окислювального генераторного газу як маршових двигунів першого ступеня ракет-носіїв може внести ряд особливостей в аналіз поздовжньої стійкості РН. Насамперед, в цьому випадку поздовжні коливання ракети можуть бути спричинені низькочастотною нестійкістю рідинної двигунної установки, пов’язаною з динамічними процесами в контурі «газогенератор — газовід — турбонасосний агрегат».Для прогнозування поздовжньої стійкості проєктованої в даний час двоступеневої ракети-носія «Циклон-4М» було розроблено математичну модель низькочастотної динаміки системи «рідинна ракетна двигунна установка — корпус ракети». Ця модель описує взаємодію пружних поздовжніх коливань конструкції РН і низькочастотних процесів в її маршовій двигунній установці. Розроблена модель містить математичне описання низькочастотної динаміки мар-шової двигунної установки RD-874 (до її складу входять чотири двигуни RD-870 з допалюванням окислювального генераторного газу), живильних магістралей та корпусу ракети-носія.
В результаті теоретичного аналізу повздовжньої стійкості ракети-носія, виконаного на основі розробленої математичної моделі з використанням критерію Найквіс-та, було виявлено, що на початковому інтервалі часу польоту ракети (5 с, 70 с) динамічна система «рідинна ракетна двигунна установка — корпус РН» є нестійкою по відношенню до I поздовжньої моди корпусу ракети. Визначено, що нестійкість досліджуваної системи обумовлено не лише зближенням частоти І тону вільних поздовжніх коливань корпусу ракети «Циклон-4М» з першою частотою коливань рідини в лінії живлення окислювачем, але й значним зростанням динамічного коефіцієнта підсилення двигуна RD 870 у частотному діапазоні від 6 до 9 Гц. Сукупна дія цих двох чинників призвела до втрати поздовжньої стійкості ракети-носія «Циклон-4M» у зазначеному інтервалі часу польоту. Таку схему розвитку POGO-нестійкості рідинних ракет було виявлено вперше, і її можна відзначити як характерну особливість явища POGO для ракет, в яких використовуються рідинні ракетні двигуни з допалюванням окислювального генераторного газу.
Для забезпечення поздовжньої стійкості ракети-носія «Циклон-4М» запропоновано встановити в живильні ма-гістралі окислювача демпфери повздовжніх коливань. Розроблено математичну модель низькочастотної динаміки газорідинного демпфера з сильфонним поділом середовищ і визначено його раціональні параметри. Запропоновано підхід до визначення параметрів системи демпфування POGO-коливань, згідно з яким раціональний вибір конструк-тивних параметрів демпфера повздовжніх коливань здійснюється виходячи з умови амплітудної стабілізації динаміч-ної системи «двигунна установка з демпфером подовжніх коливань — корпус ракети-носія»
|
| Ключевые слова: демпфер поздовжніх коливань, допалювання окислювального генераторного газу, кавітаційні явища в насосах, критерій стійкості Найквіста, поздовжня стійкість ракети-носія, рідинний ракетний двигун, силь-фонний поділ середовищ |
References:
1. About G., Hauguel N., Hrisafovic N., Lemoine J. C. (1983). La prevention des instabilites POGO Sur Ariane 1. Acta Astronautica, 10, No. 4, 179—188.
2. Balakirev Yu. G. (2014). Solving the problem of POGO oscillations in flight of Soviet liquid rockets: achievements and failures. Cosmonautics and Rocket Engineering, Part 1, No. 6 (79), 185—191 [in Russian].
3. Dotson K. (2003). Mitigating Pogo on Liquid-Fueled Rockets. Crosslink. Aerospace Corporation magazine of advances in aerospace technology, 26—29.
4. Fomenko P. V. (1989). Method of transferring boundary conditions for determining the transfer functions of hydraulic systems from distributed external effects. Applied problems of hydrodynamics and heat and mass transfer in power plants. Kyiv: Science Dumka, 134—140 [in Russian].
5. Gemranova E. A., Kolbassenkov A. I., Koshelev I. M., Levochkin P. S., Martirosov D. S. (2013). Ways to suppress low-frequency oscillations in the LRE on deep throttling modes. NPO Energomash named after academician V. P. Glushko, No. 30, 104—110.
6. Gladky V. F. (1969). Dynamics of the launch vehicle structure. Moscow: Nauka, 496 p. [in Russian].
7. Glikman B. F. (1989). Automatic regulation of liquid rocket engines. Moscow: Mechanical Engineering, 296 p. [in Russian].
8. Khoriak N. V., Nikolayev O. D. (2007). Decomposition and st ability analysis of the dynamic system “feed lines — mid-range rocket engine with oxidizer-rich staged combustion”. Technical mechanics, No. 1, 28—42 [in Russian].
9. Kohnke P. (2001). Ansys, Inc. Theory Manual 001369. Twelfth Edition. Canonsburg: SAS IP, Inc. 1266 p.
10. Natanzon M. S. (1977). POGO self-oscillations of a liquid rocket. Moscow: Mechanical Engineering, 208 p. [in Russian].
11. Official site of the Yuzhnoye State Design Office.
2. Balakirev Yu. G. (2014). Solving the problem of POGO oscillations in flight of Soviet liquid rockets: achievements and failures. Cosmonautics and Rocket Engineering, Part 1, No. 6 (79), 185—191 [in Russian].
3. Dotson K. (2003). Mitigating Pogo on Liquid-Fueled Rockets. Crosslink. Aerospace Corporation magazine of advances in aerospace technology, 26—29.
4. Fomenko P. V. (1989). Method of transferring boundary conditions for determining the transfer functions of hydraulic systems from distributed external effects. Applied problems of hydrodynamics and heat and mass transfer in power plants. Kyiv: Science Dumka, 134—140 [in Russian].
5. Gemranova E. A., Kolbassenkov A. I., Koshelev I. M., Levochkin P. S., Martirosov D. S. (2013). Ways to suppress low-frequency oscillations in the LRE on deep throttling modes. NPO Energomash named after academician V. P. Glushko, No. 30, 104—110.
6. Gladky V. F. (1969). Dynamics of the launch vehicle structure. Moscow: Nauka, 496 p. [in Russian].
7. Glikman B. F. (1989). Automatic regulation of liquid rocket engines. Moscow: Mechanical Engineering, 296 p. [in Russian].
8. Khoriak N. V., Nikolayev O. D. (2007). Decomposition and st ability analysis of the dynamic system “feed lines — mid-range rocket engine with oxidizer-rich staged combustion”. Technical mechanics, No. 1, 28—42 [in Russian].
9. Kohnke P. (2001). Ansys, Inc. Theory Manual 001369. Twelfth Edition. Canonsburg: SAS IP, Inc. 1266 p.
10. Natanzon M. S. (1977). POGO self-oscillations of a liquid rocket. Moscow: Mechanical Engineering, 208 p. [in Russian].
11. Official site of the Yuzhnoye State Design Office.
URL: https://www.yuzhnoye.com/home/ (Last accessed: 10.10.2019).
12. Oppenheim B. W., Rubin S. (1993). Advanced Pogo Stability Analysis for Liquid Rockets. J. Spacecraft and Rockets, 30, No. 3, 360—383.
13. Preventing POGO on Titan IVB (2003). Crosslink. The Aerospace Corporation magazine of advances in aerospace technology. Summer, 3—12.
14. Pylypenko O. V., Prokopchuk A. A., Dolgopolov S. I., Khoriak N. V., Nikolayev O. D., Pisarenko V. Yu., Kovalenko V. N. (2017). Mathematical modeling and stability analysis of low-frequency processes in main LRE with oxidizer-rich staged combustion. Bulletin of engine building, No. 2, 34—42 [in Russian].
12. Oppenheim B. W., Rubin S. (1993). Advanced Pogo Stability Analysis for Liquid Rockets. J. Spacecraft and Rockets, 30, No. 3, 360—383.
13. Preventing POGO on Titan IVB (2003). Crosslink. The Aerospace Corporation magazine of advances in aerospace technology. Summer, 3—12.
14. Pylypenko O. V., Prokopchuk A. A., Dolgopolov S. I., Khoriak N. V., Nikolayev O. D., Pisarenko V. Yu., Kovalenko V. N. (2017). Mathematical modeling and stability analysis of low-frequency processes in main LRE with oxidizer-rich staged combustion. Bulletin of engine building, No. 2, 34—42 [in Russian].
URL: http://nbuv.gov.ua/UJRN/vidv_2017_2_8 (Last accessed: 10.10.2019).
15. Pylypenko V. V., Zadontsev V. A., Natanzon M. S. (1977). Cavitation self-exсited oscillations and dynamics of hydraulic systems. Moscow: Mashinostroenie Publishing Company, 351 p. [in Russian].
16. Pylypenko V. V., Dovgotko N. I., Pylypenko O. V. (2011). Studies in the dynamics of liquid rocket propulsion systems and the longitudinal stability of liquid launch vehicles. Technical Mechanics, No. 4, 16—29 [in Russian].
17. Pylypenko V. V., Dovgotko N. I., Dolgopolov S. I., Nikolayev O. D., Serenko V. A., Khoriak N. V. (1999). Theoretical evaluation of the amplitudes of POGO vibrations in liquid propellant launch vehicles. Kosm. nauka tehnol., 5(1), 90—96 [in Russian].
15. Pylypenko V. V., Zadontsev V. A., Natanzon M. S. (1977). Cavitation self-exсited oscillations and dynamics of hydraulic systems. Moscow: Mashinostroenie Publishing Company, 351 p. [in Russian].
16. Pylypenko V. V., Dovgotko N. I., Pylypenko O. V. (2011). Studies in the dynamics of liquid rocket propulsion systems and the longitudinal stability of liquid launch vehicles. Technical Mechanics, No. 4, 16—29 [in Russian].
17. Pylypenko V. V., Dovgotko N. I., Dolgopolov S. I., Nikolayev O. D., Serenko V. A., Khoriak N. V. (1999). Theoretical evaluation of the amplitudes of POGO vibrations in liquid propellant launch vehicles. Kosm. nauka tehnol., 5(1), 90—96 [in Russian].
doi.org/10.15407/knit1999.01.90.
18. Pylypenko V. V., Dolgopolov S. I. (1998). Experimental and calculated determination of the coefficients of the equation of dynamics of cavitation cavities in inducer and centrifugal pumps of various sizes. Technical Mechanics, No. 8, 50—56 [in Russian].
19. Ransom D. L. (2016). Probabilistic Design Analysis of Bellows Type Pogo Accumulator, AIAA 2016-0682.
20. Rubin S. (1972). Analysis of POGO Stability. The Aerospace Corporation, El Segundo, California, USA. — 23 International Astronautical Congress. — Vienna, Austria, Oct. 8—15. P. 19.
18. Pylypenko V. V., Dolgopolov S. I. (1998). Experimental and calculated determination of the coefficients of the equation of dynamics of cavitation cavities in inducer and centrifugal pumps of various sizes. Technical Mechanics, No. 8, 50—56 [in Russian].
19. Ransom D. L. (2016). Probabilistic Design Analysis of Bellows Type Pogo Accumulator, AIAA 2016-0682.
20. Rubin S. (1972). Analysis of POGO Stability. The Aerospace Corporation, El Segundo, California, USA. — 23 International Astronautical Congress. — Vienna, Austria, Oct. 8—15. P. 19.
21. Rubin S. (1970). Prevention of coupled structure-propulsion instability (POGO). National Aeronautical and Space Administration, USA. NASA SP—8055. 48 p.
22. Shevyakov A. A., Kalnin V. M., Naumenkova N. V., Dyatlov V. G. (1978). The theory of automatic control of rocket engines. Moscow: Mechanical Engineering, 287 p. [in Russian].
23. Sterett I. B., Riley G. F. (1970). Saturn V/Apollo vehicles POGO stability problems and solutions. AIAA Paper, No. 1236, 12.
24. Swanson L. A., Giel T. V. (2009). Design Analysis of the Ares I Pogo Accumulator 45th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference & Exhibit, 02 August 2009 — 05 August 2009, Denver, Colorado.
22. Shevyakov A. A., Kalnin V. M., Naumenkova N. V., Dyatlov V. G. (1978). The theory of automatic control of rocket engines. Moscow: Mechanical Engineering, 287 p. [in Russian].
23. Sterett I. B., Riley G. F. (1970). Saturn V/Apollo vehicles POGO stability problems and solutions. AIAA Paper, No. 1236, 12.
24. Swanson L. A., Giel T. V. (2009). Design Analysis of the Ares I Pogo Accumulator 45th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference & Exhibit, 02 August 2009 — 05 August 2009, Denver, Colorado.
doi.org/10.2514/6.2009-4950.
25. Wang O., Tan S., Wu Z., Yang Yu., Yu Z. (2015). Improved modelling method of Pogo analysis and simulation for liquid rockets. Acta Astronautica, 107, 262—273.
25. Wang O., Tan S., Wu Z., Yang Yu., Yu Z. (2015). Improved modelling method of Pogo analysis and simulation for liquid rockets. Acta Astronautica, 107, 262—273.