МАТЕМАТИЧНЕ МОДЕЛЮВАННЯ ДИНАМІЧНИХ ПРОЦЕСІВ У СИСТЕМІ ЖИВЛЕННЯ МАРШОВОГО ДВИГУНА КОСМІЧНИХ СТУПЕНІВ РАКЕТ-НОСІЇВ НА АКТИВНИХ ТА ПАСИВНИХ ДІЛЯНКАХ ТРАЄКТОРІЇ ПОЛЬОТУ
Рубрика:
| 1Пилипенко, ОВ, Ніколаєв, ОД, Башлій, ІД, Долгополов, СІ 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 |
| Мова публікації: Російська |
Анотація: Розвинуто підхід до оцінки працездатності системи живлення рідинних двигунних установок космічних ступенів ракет-носіїв в умовах мікрогравітації на ділянках активного та пасивного польоту, а також при багаторазових запускахзупинках маршових двигунів, зокрема у періоди з мінімальними рівнями заповнення баків. Розвинутий підхід базується на методі скінченних елементів, на методі об’єму рідини, 3D-технологіях комп’ютерного аналізу (САЕ-систем) і на імпедансному методі. В рамках розвинутого підходу на основі математичного моделювання динамічних процесів у системі живлення маршового рідинного ракетного двигуна для активної та пасивної ділянки польоту космічного ступеня визначаються параметри руху і форми вільної поверхні компонентів палива у баку, параметри вільних газових включень, що формуються, ефективність внутрішньобакових пристроїв забезпечення суцільності компонентів палива при «штатному» функціонуванні двигунної установки космічного ступеня, параметри перехідних процесів у системі живлення маршового рідинного ракетного двигуна при його запуску-зупинці, розрахункові амплітуди і частоти коливань системи живлення космічного ступеня.
Отримані в результаті моделювання значення параметрів руху рідини і границі розділу середовищ «газ — рідина» узгоджуються з експериментальними даними, отриманими в умовах руху експериментального зразка паливного бака космічного ступеня «Centaur» в «кидальній вежі». Показано, що параметри перехідних процесів в системі живлення маршового рідинного ракетного двигуна космічного ступеня задовільно узгоджуються з експериментальними даними «холодних» тестових випробувань системи живлення рідинного раке тного двигуна на воді. Використання розвинутого підходу дозволить скоротити обсяг експериментального відпрацювання нових і модернізованих космічних ступенів ракет-носіїв. |
| Ключові слова: багаторазовий запуск, мікрогравітація, маршовий рідинний ракетний двигун, пристрій забезпечен- ня суцільності, система живлення |
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.