Визначення розкиду амплітуд поздовжних коливань рідинних ракет-носіїв за рахунок впливу розкиду внутрішніх факторів

Рубрика: 
Ракетно-космічні комплекси
1Пилипенко, ОВ, Долгополов, СІ, Хоряк, НВ, Ніколаєв, ОД
1Інститут технічної механіки Національної академії наук України та Державного космічного агентства України, Дніпропетровськ
Косм. наука технол. 2024, 30 ;(3):03-15
https://doi.org/10.15407/knit2024.03.003
Язык публикации: Англійська
Аннотация: 
Із проблемою забезпечення стійкості по відношенню до поздовжніх коливань рідинних ракет-носіїв (РН) стикалися практично всі розробники РН. На рівень амплітуд поздовжніх коливань (АПК) РН можуть суттєво впливати розкиди внутрішніх факторів. Метою статті є розробка математичної моделі та визначення розкиду амплітуд поздовжніх коливань рідинних ракет-носіїв на прикладі РН «Дніпро», викликаного розкидом сукупності внутрішніх факторів. У роботі розроблено нелінійну нестаціонарну математичну модель поздовжніх коливань прототипу космічної РН «Дніпро». У цій моделі враховувалося два нижчі тони коливань конструкції РН і два нижчі тони коливань окислювача і перший тон коливань пального. Моделювання динамічних процесів у зв'язці із чотирьох рідинних ракетних двгунів, виконаних за схемою з допалюванням генераторного газу, проведено з урахуванням кавітаційних явищ у насосах двигунів та часів запізнювань в вогневих порожнинах газогенераторів.
         Розроблено метод визначення розкиду АПК рідинних РН, обумовленого дією внутрішніх факторів, який базується на використанні ЛПt ‑ рівномірно розподілених послідовностей. В якості внутрішніх факторів були розглянуті частоти, декременти та коефіцієнти форм власних поздовжніх коливань корпуса РН, тиски наддуву паливних баків та питомі імпульси тяги двигунів. За результатами розрахунків визначено залежність АПК розглянутої РН у двох областях нестійкості та побудовано нижню і верхню огинаючи криві для АПК. Показано, що максимальні амплітуди поздовжніх коливань у першій області нестійкості лежать в діапазоні від 0,23 до 0.72 g і в другій області нестійкості ¾ від 0 до 0.60 g. Проаналізовано варіанти поєднань розкидів внутрішніх факторів, за яких було отримано найбільші та найменші значення АПК. Це дозволило визначити внутрішні фактори, розкид яких найбільше впливає на розкид АПК: частота, декремент, коефіцієнти форми коливань живильного трубопроводу окислювача і в перерізі корисного навантаження на I тоні поздовжніх коливань корпусу РН.
Ключевые слова: внутрішні фактори, математичне моделювання, поздовжні коливання, рідинна ракета-носій, рідинна ракетна двигунна установка, розкид амплітуд поздовжніх коливань
Повний текст (PDF)
References: 

1. Degtyarev A. V. (2014). Rocket technology. Problems and Prospects. Dnepropetrovsk: ART-PRESS, 420 p. [in Russian].
2. Dordain J., Lourme D., Estoueig C. (1974). Etude de l'effet POGO sur les lanceurs EUROPA II et DIAMANT B. Acta Astronautia, 1, Iss. 11–12, 1357¾1384.
3. Kolesnikov K. S. (1980). Dynamics of rockets. M.: Mechanical Engineering, 376 p. [in Russian].
4. Lee H. J., Jung T. K., Menshikova O. M., Kim Y. W., Cho I. H. Oh S. H., Lee D. S. (2002). Pogo Analysis on the KSR-III Propulsion Feeding System. J. Korean Soc. Propulsion Engineers, 6, No. 3, 45-52.
5. Liu T., Liu J.-F., Di W.-B., Tang G.-A., Song L.-Y. (2020). Pogo Stability Approaches for the Strap-On Launch Vehicle with Staged Combustion Cycle Engines. J. Spacecraft and Rockets, Published Online:25 May 2020.
https://doi.org/10.2514/1.A34551
6. Muller S., Brévière F., Kernilis A., Lemoine N. (2010). Influence of pump cavitation process on POGO diagnosis for the A5E/CA upper stage. 46th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference, 25-28 July 2010, Nashville, AIAA 2010-6892.
7. Natanzon M. S. (1977). Longitudinal self-oscillations of a liquid-propellant rocket. M.: Mechanical Engineering, 208 p. [in Russian].
8. Nikolayev O.D., Bashliy I. D., Khoryak N. V. (2018). Сomputation of the POGO self-excited oscillation parameters in dynamic “propulsion ¾ rocket structure” system by using of 3D structural model. Technical Mechanics, No 2, 17-29.
https://doi.org/10.15407/itm2018.02.017
9. Oppenheim B. W., Rubin S. (1993). Advanced Pogo Stability Analysis for Liquid Rockets. AIAA J. Spacecraft and Rockets, 30, No. 3, 360-373.
https://doi.org/10.2514/3.25524
10. Pilipenko V. V., Dovgotko N. I., Dolgopolov S. I., Nikolayev O. D., Serenko V. A., Khoryak N. V. (1999). Theoretical computation of the amplitudes of Pogo vibrations of liquid launch vehicles. Space Science and Technology, 5, No. 1, 90-96 [in Russian].
https://doi.org/10.15407/knit1999.01.90
11. Pilipenko V. V., Dovgotko N. I., Nikolayev O. D., Dolgopolov S. I., Khoryak N. V., Serenko V. A. (2000). Theoretical determination of dynamic loads (longitudinal vibration accelerations) on the structure of a liquid-propellant rocket RS-20 on the active part of its flight trajectory. Technical mechanics, No 1, 3-18. [in Russian].
12. Pilipenko V. V., Dovgotko N. I., Pylypenko O. V., Nikolayev O. D., Pirog V. A., Dolgopolov S. I., Khodorenko V. .F., Khoryak N. V., Bashliy I. D. (2011). Theoretical forecast of longitudinal vibration accelerations of a spacecraft when it is launched into a working orbit by a liquid-propellant space rocket "Cyclone-4". Technical mechanics, No 4, 30-36 [in Russian].
13. Pilipenko V. V., Dolgopolov S. I. (1998). Experimental and computational determination of the coefficients of the equation of dynamics of cavitation cavities in inducer-centrifugal pumps of various sizes. Technical Mechanics, Is. 8, 50-56 [in Russian].
14. Pilipenko V. V., Dolgopolov S. I., Khoryak N. V., Nikolayev O. D. (2008). Mathematical modeling of longitudinal oscillations of a liquid-propellant rocket with two-frequency instability of the ‘rocket engine - rocket structure’ dynamic system. Aviation and Space Technology and Technology, 10(57), 12-16 [in Russian].
15. Pilipenko V. V., Zadontsev V. A., Dovgotko N. I., Grigoriev Yu. E., Manko I. K., Pylypenko O. V. (2001). Dynamics of liquid-propellant rocket propulsion systems and Pogo stability of liquid-propellant launch vehicles. Technical Mechanics, No 2, 11-37 [in Russian].
16. Pilipenko V. V., Zadontsev V. A., Natanzon M. S. (1977). Cavitation oscillations and dynamics of hydraulic systems. M.: Mechanical Engineering, 352 p. [in Russian].
17. Pylypenko O. V., Dolgopolov S I., Khoryak N. V., Nikolayev O. D. (2021). Methodology for determining the scatter of internal and external factors into the thrust scatter of a single rocket engine during start-up. Technical Mechanics, No 4, 7-17 [in Ukrainian].
https://doi.org/10.15407/itm2021.04.007
18. Pylypenko O. V., Prokopchuk A. A., Dolgopolov S. I., Khoryak N. V., Nikolayev O. D., Pisarenko V. Yu., Kovalenko V. N. (2017). Mathematical modeling and stability analysis of low-frequency processes in a staged propulsion rocket engine. Vestnik Dvigatelestroeniya, No. 2, 34-42 [in Russian].
19. Pylypenko O. V., Degtyarev M. A., Nikolayev O. D., Klimenko D. V., Dolgopolov S. I., Khoriak N. V., Bashliy I. D., Silkin L. A. (2020). Providing of POGO stability of the Cyclone‑4M launch vehicle. Space Science and Technology, 26, No. 4 (125), 3-20.
https://doi.org/10.15407/knit2020.04.003
20. Pylypenko O. V., Dolgopolov S. I., Nikolayev O. D., Khoriak N. V., Kvasha Yu. A., Bashliy I. D. (2022). Determination of the Thrust Spread in the Cyclone-4M First Stage Multi-Engine Propulsion System During its Start. Sci. Innov, No 18(6), 97-112.
https://doi.org/10.15407/scine18.06.097
21. Pylypenko O. V., Prokopchuk O. O., Dolgopolov S. I., Nikolayev O. D., Khoriak N. V., Pysarenko V. Yu., Bashliy I. D., Polskykh S. V. (2021). Mathematical modeling of start-up transients at clustered propulsion system with POGO-suppressors for Cyclon-4M launch vehicle. Space Science and Technology, 27, No. 6 (133), 3-15.
https://doi.org/10.15407/knit2021.06.003
22. Rong K. L., Zhang J. H., Ma J. M., Wang J. M., Wang M. K. (2011). Research on Pogo Problem for CZ-2F Rocket. Manned Spaceflight, No 17, 8-18.
23. Rubin S. (1966). Longitudinal Instability of Liquid Rockets Due to Propulsion Feedback (POGO). Spacecraft and Rockets, 3, No 8, 1188-1195.
https://doi.org/10.2514/3.28626
24. Shevyakov A. A., Kalnin V. M., Naumenkova M. V., Dyatlov V. G. (1978). Theory of automatic control of rocket engines. M.: Mashinostroenie, 288 p. [in Russian].
25. Sobol I. M., Statnikov R. B. (1981). Selection of optimal parameters in problems with many criteria. M.: Nauka, 110 p. [in Russian].
26. Tang Y., Li M., Wang L., Zhang Y., Fang B. (2017) Modeling and Stability Analysis of Pogo Vibration in Liquid-Propellant Rockets with a Two-Propellant System. Trans. Jap. Soc. Aero. Space Sci, 60, No. 2, 77-84.
27. Ujino T., Morino Y., Kohsetsu Y., Mori T., Shirai Y. (1989). POGO Analysis on the H-II Launch Vehicle. 30th Structures, Structural Dynamics and Materials Conference, Mobile, USA, 460¾467.
28. Wang Q., Tan S., Wu Z., Yang Y., Yu Z. (2015) Improved modelling method of Pogo analysis and simulation for liquid rockets. Acta Astronautica, 107, No. 2, 262-273.
https://doi.org/10.1016/j.actaastro.2014.11.034
29. Xu D., Hao Y., Tang G. (2015) New Pogo Analysis Method Using Rational Fitting and Three-Dimensional Tank Modeling. AIAA J., 53, No. 2, 405-412.
https://doi.org/10.2514/1.J053046