Приведен обзор основных результатов исследований в области динамики систем жидкостных ракет-носителей, газодинамики лопаточных машин и динамики гидравлических систем с кавитирующими местными гидравлическими сопротивлениями, полученных в Институте технической механики Национальной академии наук Украины и Государственного космического агентства Украины в период с 2008 г. по 2013 г.Устойчивая тенденция к созданию космических ступеней, способных к выведению нескольких космических аппаратов одной ракетой-носителем (РН) путем осуществления многократного включения маршевого двигателя ступени в условиях микрогравитации, обуславливает необходимость решения комплекса задач по обеспечению сплошности жидких компонентов топлива в питающих магистралях жидкостной двигательной установки. Цель статьи - математическое моделирование динамических процессов в системе подачи топлива космических ступеней РН для оценки работоспособности системы подачи топлива жидкостных двигательных установок космических ступеней РН в условиях микрогравитации на участках пассивного полета с работающей системой управления ориентацией и стабилизацией, а также при запусках маршевых двигателей в периоды с минимальными уровнями заполнения баков. Для решения указанных задач авторами разработано научно-методическое обеспечение, базирующееся на методе конечных элементов, на методе объема жидкости, 3D-технологиях компьютерного анализа (САЕ-систем) и на импедансном методе. Представлены математические модели низкочастотных динамических процессов в гидравлической системе питания жидкостной ракетной двигательной установки, содержащей капиллярную систему обеспечения сплошности компонентов топлива космической ступени РН. На основе разработанных математических моделей пространственных колебаний космической ступени РН с космическим аппаратом с учетом особенностей конструкции внутрибаковых устройств и систем топливоподачи: определены формы колебаний и параметры движения свободных поверхностей компонентов топлива в баках ступени (окислителя и горючего); выявлены режимы полета, потенциально опасные по возможности проникания газа наддува или замещающего газа, растворенного в компонентах топлива, в топливные магистрали двигателей. Получены количественные оценки работоспособности устройств обеспечения сплошности на этих режимах. На основе разработанных математических моделей гидродинамических процессов в жидкостной ракетной двигательной установке космической ступени могут быть выявлены условия запуска маршевого двигателя, сопровождающиеся возможным прониканием газа наддува в топливные магистрали двигателей, определены параметры динамических процессов в системе топливоподачи ступени при запусках и остановах маршевого двигателя космической ступени. Тестирование математической модели низкочастотных гидродинамических процессов в системе питания космической ступени при запусках и остановах ее маршевого двигателя, проведенное с привлечением результатов экспериментальных исследований (на воде) системы питания космической ступени при основе маршевого двигателя, показало удовлетворительное согласование результатов расчетов с экспериментальными данными по амплитудам и частотам колебаний.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 запускахостановах, 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 воде. Использование развитого подхода позволит сократить объем экспериментальной отработки новых и модернизируемых двигательных установок космических ступеней ракет-носителей.Однією з основних задач при проектуванні рідинних ракетних двигунів (РРД) є забезпечення безвідмовного запуску РРД. Експериментальне відпрацювання РРД є вельми витратним, а в разі нештатних ситуацій можливі тяжкі наслідки (в тому числі, руйнування двигуна і стендового обладнання). Тому одним з головних інструментів, які дозволяють на етапах проектування і відпрацювання РРД прогнозувати його динамічні характеристики і особливості функціонування при запуску, є математичне моделювання. Стаття присвячена удосконаленню математичних моделей, що описують низькочастотні динамічні процеси в гідравлічних і газових трактах РРД із допалюванням генераторного газу при запуску двигуна. Представлено модифіковану математичну модель динаміки кавітуючих насосів, яка зберігає свою структуру і працездатність в широкому діапазоні зміни чисел кавітації і при взаємних переходах з кавітаційного режиму роботи насоса на безкавітаційний, що необхідно при числовому дослідженні робочих процесів у РРД при запуску. Розроблено підхід до побудови нелінійної математичної моделі заповнення гідравлічних трактів РРД, який дозволяє в разі необхідності автоматично змінювати схему розбиття гідравлічного тракту на скінченні гідравлічні елементи в процесі його заповнення при розрахунках запуску. Запропоновано схему наближеної заміни рівнянь із запізнюваннями в математичній моделі динаміки газових трактів РРД, яка побудована із урахуванням особливостей розрахунку перехідних процесів при запуску РРД і дозволяє підвищити точність результатів моделювання при мінімальному ускладненні моделі. Працездатність розроблених математичних моделей продемонстровано на прикладі розрахунку запуску маршового РРД із допалюванням окислювального генераторного газу. Результати проведених досліджень можуть бути використані при математичному моделюванні запуску сучасних РРД.

  Повний текст PDF - 555.641 Kb    Зміст випуску     Цитування публікації

  Якщо, ви не знайшли інформацію про автора(ів) публікації, маєте бажання виправити або відобразити більш докладну інформацію про науковців України запрошуємо заповнити "Анкету науковця"