Влияние полетных вибраций верхних ступеней ракет-носителей на характеристики сорбционных процессов в жидком газонасыщенном топливе в баках сложной пространственной конфигурации

Изложены методические аспекты и предложен численно-аналитический подход к определению характеристик сорбционных процессов в топливных баках сложной конфигурации на основе моделирования вынужденных пространственных колебаний верхних ступеней жидкостных ракет-носителей с использованием метода конечных...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:

Bibliographische Detailangaben
Datum:	2011
Hauptverfasser:	Башлий, И.Д., Николаев, А.Д., Свириденко, Н.Ф.
Format:	Artikel
Sprache:	Russian
Veröffentlicht:	Інститут технічної механіки НАН України і НКА України 2011
Schriftenreihe:	Техническая механика
Online Zugang:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/88193
Tags:	Tag hinzufügen Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:	Влияние полетных вибраций верхних ступеней ракет-носителей на характеристики сорбционных процессов в жидком газонасыщенном топливе в баках сложной пространственной конфигурации / И.Д. Башлий, А.Д. Николаев, Н.Ф. Свириденко // Техническая механика. — 2011. — № 2. — С. 13-22. — Бібліогр.: 16 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-88193
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-881932015-11-10T03:02:13Z Влияние полетных вибраций верхних ступеней ракет-носителей на характеристики сорбционных процессов в жидком газонасыщенном топливе в баках сложной пространственной конфигурации Башлий, И.Д. Николаев, А.Д. Свириденко, Н.Ф. Изложены методические аспекты и предложен численно-аналитический подход к определению характеристик сорбционных процессов в топливных баках сложной конфигурации на основе моделирования вынужденных пространственных колебаний верхних ступеней жидкостных ракет-носителей с использованием метода конечных элементов. Показано, что полетные вибронагрузки на указанные ступени с частотами колебаний, близкими к собственным частотам пространственных колебаний системы «конструкция верхней ступени – жидкое топливо», могут существенно интенсифицировать процесс выделения растворенного газа в зонах с локальным понижением давления. Викладено методичні аспекти і запропоновано чисельно-аналітичний підхід до визначення характеристик сорбціоних процесів у паливних баках складної конфігурації на підставі математичного моделювання змушених просторових коливань верхніх ступенів рідинних ракет-носіїв з використанням методу скінченних елементів. Показано, що польотні вібронавантаження зазначених ступенів з частотами коливань, близькими до власних частот просторових коливань системи «конструкція верхнього ступеня – рідке паливо», можуть суттєво інтенсифікувати процес виділення розчиненого газу в зонах з локальним зниженням тиску. Methodical aspects are presented and a numerical-analytical approach to define characteristics of sorption processes in fuel complex-configuration tanks, based on simulation of three-dimensional oscillations of the upper stages of liquid launch vehicles using the finite-element method, is proposed. It is shown that flight vibration loads on the stages under consideration with oscillation frequencies approximating proper frequencies of three-dimensional oscillations of the upper stage structure - liquid propellant system can essentially intensify the process of release of a dissolved gas in zones with a local pressure decrease. 2011 Article Влияние полетных вибраций верхних ступеней ракет-носителей на характеристики сорбционных процессов в жидком газонасыщенном топливе в баках сложной пространственной конфигурации / И.Д. Башлий, А.Д. Николаев, Н.Ф. Свириденко // Техническая механика. — 2011. — № 2. — С. 13-22. — Бібліогр.: 16 назв. — рос. 1561-9184 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/88193 629.76 ru Техническая механика Інститут технічної механіки НАН України і НКА України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
description	Изложены методические аспекты и предложен численно-аналитический подход к определению характеристик сорбционных процессов в топливных баках сложной конфигурации на основе моделирования вынужденных пространственных колебаний верхних ступеней жидкостных ракет-носителей с использованием метода конечных элементов. Показано, что полетные вибронагрузки на указанные ступени с частотами колебаний, близкими к собственным частотам пространственных колебаний системы «конструкция верхней ступени – жидкое топливо», могут существенно интенсифицировать процесс выделения растворенного газа в зонах с локальным понижением давления.
format	Article
author	Башлий, И.Д. Николаев, А.Д. Свириденко, Н.Ф.
spellingShingle	Башлий, И.Д. Николаев, А.Д. Свириденко, Н.Ф. Влияние полетных вибраций верхних ступеней ракет-носителей на характеристики сорбционных процессов в жидком газонасыщенном топливе в баках сложной пространственной конфигурации Техническая механика
author_facet	Башлий, И.Д. Николаев, А.Д. Свириденко, Н.Ф.
author_sort	Башлий, И.Д.
title	Влияние полетных вибраций верхних ступеней ракет-носителей на характеристики сорбционных процессов в жидком газонасыщенном топливе в баках сложной пространственной конфигурации
title_short	Влияние полетных вибраций верхних ступеней ракет-носителей на характеристики сорбционных процессов в жидком газонасыщенном топливе в баках сложной пространственной конфигурации
title_full	Влияние полетных вибраций верхних ступеней ракет-носителей на характеристики сорбционных процессов в жидком газонасыщенном топливе в баках сложной пространственной конфигурации
title_fullStr	Влияние полетных вибраций верхних ступеней ракет-носителей на характеристики сорбционных процессов в жидком газонасыщенном топливе в баках сложной пространственной конфигурации
title_full_unstemmed	Влияние полетных вибраций верхних ступеней ракет-носителей на характеристики сорбционных процессов в жидком газонасыщенном топливе в баках сложной пространственной конфигурации
title_sort	влияние полетных вибраций верхних ступеней ракет-носителей на характеристики сорбционных процессов в жидком газонасыщенном топливе в баках сложной пространственной конфигурации
publisher	Інститут технічної механіки НАН України і НКА України
publishDate	2011
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/88193
citation_txt	Влияние полетных вибраций верхних ступеней ракет-носителей на характеристики сорбционных процессов в жидком газонасыщенном топливе в баках сложной пространственной конфигурации / И.Д. Башлий, А.Д. Николаев, Н.Ф. Свириденко // Техническая механика. — 2011. — № 2. — С. 13-22. — Бібліогр.: 16 назв. — рос.
series	Техническая механика
work_keys_str_mv	AT bašlijid vliâniepoletnyhvibracijverhnihstupenejraketnositelejnaharakteristikisorbcionnyhprocessovvžidkomgazonasyŝennomtoplivevbakahsložnojprostranstvennojkonfiguracii AT nikolaevad vliâniepoletnyhvibracijverhnihstupenejraketnositelejnaharakteristikisorbcionnyhprocessovvžidkomgazonasyŝennomtoplivevbakahsložnojprostranstvennojkonfiguracii AT sviridenkonf vliâniepoletnyhvibracijverhnihstupenejraketnositelejnaharakteristikisorbcionnyhprocessovvžidkomgazonasyŝennomtoplivevbakahsložnojprostranstvennojkonfiguracii
first_indexed	2025-07-06T15:53:20Z
last_indexed	2025-07-06T15:53:20Z
_version_	1836913473254064128
fulltext	УДК 629.76 И.Д. БАШЛИЙ, А.Д. НИКОЛАЕВ, Н.Ф. СВИРИДЕНКО ВЛИЯНИЕ ПОЛЕТНЫХ ВИБРАЦИЙ ВЕРХНИХ СТУПЕНЕЙ РАКЕТ-НОСИТЕЛЕЙ НА ХАРАКТЕРИСТИКИ СОРБЦИОННЫХ ПРОЦЕССОВ В ЖИДКОМ ГАЗОНАСЫЩЕННОМ ТОПЛИВЕ В БАКАХ СЛОЖНОЙ ПРОСТРАНСТВЕННОЙ КОНФИГУРАЦИИ Изложены методические аспекты и предложен численно-аналитический подход к определению ха- рактеристик сорбционных процессов в топливных баках сложной конфигурации на основе моделирования вынужденных пространственных колебаний верхних ступеней жидкостных ракет-носителей с использова- нием метода конечных элементов. Показано, что полетные вибронагрузки на указанные ступени с частота- ми колебаний, близкими к собственным частотам пространственных колебаний системы «конструкция верхней ступени – жидкое топливо», могут существенно интенсифицировать процесс выделения раство- ренного газа в зонах с локальным понижением давления. Викладено методичні аспекти і запропоновано чисельно-аналітичний підхід до визначення характе- ристик сорбціоних процесів у паливних баках складної конфігурації на підставі математичного моделю- вання змушених просторових коливань верхніх ступенів рідинних ракет-носіїв з використанням методу скінченних елементів. Показано, що польотні вібронавантаження зазначених ступенів з частотами коли- вань, близькими до власних частот просторових коливань системи «конструкція верхнього ступеня – рідке паливо», можуть суттєво інтенсифікувати процес виділення розчиненого газу в зонах з локальним знижен- ням тиску. Methodical aspects are presented and a numerical-analytical approach to define characteristics of sorption processes in fuel complex- configuration tanks, based on simulation of three-dimensional oscillations of the upper stages of liquid launch vehicles using the finite-element method, is proposed. It is shown that flight vibration loads on the stages under consideration with oscillation frequencies approximating proper frequencies of three- dimensional oscillations of the upper stage structure - liquid propellant system can essentially intensify the process of release of a dissolved gas in zones with a local pressure decrease. Введение. Топливные отсеки современных верхних ступеней ракет- носителей (РН) представляют собой сопряженные тонкостенные конструкции сложной пространственной конфигурации с различного рода внутрибаковы- ми устройствами, частично заполненные жидкими компонентами топлива и находящиеся под давлением газа наддува [1, 2]. Характерные конструктивно- компоновочные схемы таких верхних ступеней РН приведены на рис. 1 – ступень A5ECA для РН «Ариан» [3]) и рис. 2 – концепция Центра им. М. В. Келдыша для РН «Союз» [4]. Рис.2 Рис.1 Специфические задачи полета РН, решаемые с помощью верхних ступе- ней, наряду с потенциальной возможностью динамической неустойчивости 13  И.Д. Башлий, А.Д. Николаев, Н.Ф. Свириденко, 2011 Техн. механика. – 2011. – № 2. верхних ступеней к поперечным колебаниям, наличием геометрической и массовой асимметрии верхних ступеней относительно продольной оси и зна- чительной податливостью их конструкций обусловливают ряд особенностей их проектирования. Эти особенности проявляются, в частности, в развитии динамического взаимодействия масс жидких компонентов топлива, находя- щихся в сопряженных полостях топливных отсеков. Полетные вибрации, обусловленные работой маршевых двигателей сту- пеней, оказывают существенное влияние на сорбционные процессы в их ба- ках [3, 4, 6 – 8]. Заметим, что компоненты топлива (КТ) в баках верхних сту- пеней РН с целью удаления из них растворенных газов, негативно влияющих на эксплуатационные характеристики системы топливоподачи, насыщены замещающим газом (как правило, гелием [5]). При колебаниях конструкции ступени с частотами от долей Гц и до 100 Гц инициируются разнообразные движения компонентов топлива (плескания, вращения и т.п.), сопровождаю- щиеся возникновением в объеме топлива зон, где могут нарушаться условия динамического равновесия в системе “газ – жидкость” с образованием сво- бодных газовых включений. Указанные процессы могут оказывать сущест- венное влияние на функционирование систем топливоподачи маршевого дви- гателя (МД) ступени, вплоть до срыва его устойчивой работы. В этой связи достаточно отметить, что наличие в КТ свободных газовых включений в количестве ~ 1% приводит к снижению коэффициента быстро- ходности насосов МД на ~ 13% [9], а критическое содержание газа в КТ, при- водящее к срыву их работы, составляет ~ 3 – 5% [10]. Указанное обстоятель- ство, наряду с требованием максимально возможной выработки бортового запаса компонентов топлива (97 % – 99 % [11]), обусловливает актуальность задачи определения влияния полетных вибраций на характер и интенсивность сорбционных процессов в газонасыщенных КТ на различных этапах полета верхних ступеней РН. К настоящему времени опубликовано значительное количество работ, посвященных различным аспектам этой проблемы. В них предложены теоре- тические методы определения параметров собственных колебаний баков как оболочек вращения, частично заполненных жидкостью [12 – 13], разработаны методические подходы к оценке работоспособности внутрибаковых уст- ройств обеспечения сплошности с учетом формирования газонасыщенных сред при продольных вибрациях РН [6 – 8]. Целью настоящей статьи является развитие предложенного в [6, 7] мето- дического подхода к определению характеристик сорбционных процессов в баках топливных отсеков верхних ступеней РН с учетом особенностей их пространственной конфигурации и специфических условий вибронагруже- ния, связанных со значительным ростом влияния поперечных вибраций при маневрировании верхних ступеней с топливными баками. Установление на основе применения такого подхода закономерностей сорбционных процессов для указанных конструкций топливных отсеков позволит принять меры для обеспечения надежного функционирования систем питания МД верхних сту- пеней РН при решении различных полетных задач. Характеристики сорбционных процессов в топливных баках верхних ступеней РН при полетных вибрациях верхних ступеней РН. Сорбцион- ные процессы являются одним из видов массопередачи и оцениваются по та- ким характеристикам, как скорость протекания процесса массопередачи, па- раметры равновесия между газовой и жидкой фазами, которое устанавливает- 14 ся при весьма продолжительном их контакте в условиях, близких к квазиста- тическим, и др. При снижении давления в газонасыщенных КТ до уровня давления на- сыщения , создаются условия для десорбции (выделения) газа из раствора в свободное состояние. Центрами газовыделения являются находящиеся в компонентах топлива нерастворенные газовые пузырьки, механические при- меси и т.п. [10]. Ввиду того, что уровень давления, при котором газ из рас- твора переходит в свободное состояние, как правило, значительно превышает давление насыщенных паров КТ верхних ступеней РН, допустимо рассматри- вать образующиеся пузырьки как чисто газовые включения. Под воздействи- ем полетных вибраций в поле переменного давления КТ происходит перио- дическое сжатие и расширение газового пузырька. Так как количество диф- фундирующего газа пропорционально его поверхности, то за каждый цикл пульсаций масса газа в пузырьке увеличивается. Это приводит (в среднем) к его росту во времени, т.е. «выпрямлению» знакопеременного диффузионного потока газа через изменяющуюся поверхность газового пузырька в условиях, весьма близких к равновесному состоянию с окружающей его жидкостью [6]. НP Амплитуда пульсаций давления , при превышении которой начина- ется рост пузырьков диаметром , обусловленный процессом “выпрямлен- ной газовой диффузии”, определяется зависимостью [6] ВД PA Пd П HВД P d P A   6 , (1) где – коэффициент поверхностного натяжения.  С учетом того, что скорость сорбционных процессов при каждом от- клонении от равновесного состояния пропорциональна степени пересыщен- ности раствора и текущему значению площади поверхности раздела фаз «газ – жидкость» (в конце такого отклонения система «газ – жидкость» при- ходит в равновесное состояние), в [6] получено соотношение для определения скорости «выпрямленной газовой диффузии» в объеме V ЖV , где ампли- туда пульсаций давления с частотой соответствует условию (1), f                                                            5,0 3 2 346,0 exp111 TfAP AP P AP P AP VSfV n PСТ PСТ СТ PH СТ PH Ж  , (2) где  /2 max PP AA – среднее значение амплитуды колебаний давления в газо- насыщенной жидкости; – амплитуда гармонического колебания давле- ния в жидкости относительно уровня статического давления в месте рас- положения объема ; – постоянная растворимости газа, равная отно- шению объема, который он занял бы в нерастворенном состоянии при теку- щих значениях давления и температуры , к объему жидкости, в кото- рой он был растворен, определяемая по формуле [1]: max PA Ж S СТP СТP V T   273 0 Т Р М М ТS СТ Г Ж Ж Г     , (4) 15 где – коэффициент Генри; , – молекулярная масса газа и жид- кости соответственно; )(T ГM ЖM 0Г  , Ж – плотности газа и жидкости при нормаль- ных условиях ( Па, =273ºK); – период полувыделения, т.е. вре- мя выделения половины от общего количества растворенного в жидкости газа [6]. 5 0 10P 0T 5,0T Образующееся в процессе десорбции включение свободного газа пред- ставляет собой “рой” газовых пузырьков, растущих вследствие “выпрямлен- ной газовой диффузии” при пульсациях в поле переменного давления в жид- кости. Изменение среднего диаметра отдельных пузырьков во времени, пред- ставляющее интерес для выбора рационального режима работы средств обес- печения запуска МД в невесомости [1], определяется соотношением [6]    f АP АP P АР АP АР АP P d n РСТ РСТ СТ РН РСТ РН РСТ СТ П                                    3 23 11046,0 (4) где – продолжительность колебательного процесса, с.  Как показали результаты экспериментов, проведенных на гидростенде станции “Мир”, после «отключения» возмущающего воздействия и наступле- ния состояния невесомости происходит быстрое объединение отдельных пу- зырьков, находящихся в ограниченном объеме жидкости, в единое газовое включение (фрагмент). Время его формирования определяется соотношением [15] 5,1 5,0 3 1 56,4115,1 П ж ф d                , (5) где – безразмерное газосодержание среды.  Определение параметров колебаний компонентов жидкого топлива и характеристик сорбционных процессов в топливном отсеке сложной пространственной конфигурацией верхней ступени РН на основе чис- ленного моделирования динамической системы «конструкция верхней ступени – жидкое топливо». Для определения параметров пространствен- ных движений жидкости в баках сложных конфигураций при различных гра- ничных условиях и схемах нагружения признан наиболее эффективным и уже довольно широко используется метод конечных элементов. Геометрическую модель системы «конструкция верхней ступени – жидкость», отражающую в наиболее полной степени конструктивные особенности баков, целесообразно сформировать при помощи CAD (computer-aided design) средств автоматизи- рованного проектирования [15]. Анализ рынка современных CAD систем по- казал, что по уровню функциональности, который определяется с учетом возможности поддержания ассоциативной связи с CAE системой (Computer Aided Engineering System) [15], лидируют так называемые «Hi-End» про- граммные средства – Unigraphics, CATIA, Pro/E, Solid Works. Поэтому при разработке геометрической модели конструкции с жидким наполнением не- обходимо использовать один из этих программных продуктов. Для проведения конечно-элементной дискретизации системы «конструк- ция бака – жидкость» целесообразно использовать подход с разбиением имеющихся сложных объемов и областей геометрической модели системы на простые и дальнейшей конечно-элементной схематизации и «сшивкой» в 16 CAE системе [15]. При разработке конечно-элементной модели динамической системы «конструкция верхней ступени – жидкое топливо» элементы конст- рукции ступени, ее агрегаты и узлы могут быть представлены конечными элементами типа «упругая оболочка» и «сосредоточенная масса», а жидкое топливо – с помощью конечных элементов «трехмерная жидкость». При мо- делировании динамики такой системы необходимо учитывать: - условия совместности деформаций сопряженных поверхностей раздела жидкой и твердой сред, допускающие скольжение жидкости относительно стенок бака; - граничные условия, определяющие особенности силовых связей топ- ливного отсека с конструкцией РН; - условия, характеризующие действие массовых сил и давления наддува на жидкие КТ в полете. Параметры вынужденных пространственных колебаний ступени как со- вокупности дискретных элементов определяются из решения системы диф- ференциальных уравнений: FK dt d C dt d M  2 2 , (6) где M – матрица масс порядка n×n; K – матрица жесткости порядка n×n; – матрица демпфирования порядка n×n; C  – вектор узловых перемещений; – вектор внешних сил; – вектор амплитуд колебаний внешних сил с угловой частотой ; t – текущее время. tsieF  Fmax maxF s При задании значений компонент вектора сил F , действующих на кон- струкцию ступени от ее двигательной установки в направлении продольной и поперечной оси ступени, можно использовать статистические данные по ам- плитудам и частотам колебаний конструкции ступени. Типичные зна- чения полетных вибронагрузок на конструкцию верхних ступеней в сечении их стыковки с космическим аппаратом для находящихся в эксплуатации РН приведены в соответствующих справочниках пользователя (смотри, напри- мер, в [16]). Эти вибронагрузки классифицированы по диапазонам частот, для которых колебательные процессы имеют общий характер динамического взаимодействия конструкции РН, жидкого топлива в баках и МД. sA s Используемый при моделировании пространственных колебаний КТ в полостях топливного отсека ступени конечный элемент «трехмерная жид- кость» предназначен для имитации колебательных движений жидкости внут- ри емкостей при отсутствии в них течений [15]. С помощью этого же элемен- та может производиться вычисление гидростатических давлений в баках с учетом явлений, связанных с взаимодействием жидкости и конструкции ба- ков. Для вычисления давления P в элементе «трехмерная жидкость» [15] ис- пользуются уравнения, описывающие связь «напряжение – деформация»: 17 (7)                                                                               z y x xz yz xy z y x xz yz xy bulk M M M P B B S S S K R R R /1000000 0B/100000 00/10000 000/1000 0000/100 00000/10 000000/1 где – относительное объемное сжатие жидкости; bulk K – модуль объёмной упругости; P – давление; – деформация сдвига; – искусственно вводи- мый малый коэффициент для придания элементу некоторой прочности на сдвиг ;  S 9K 10S  – касательное напряжение; – смешение из-за враще- ния вокруг оси ; – искусственно вводимый малый коэффициент для при- дания элементу некоторого сопротивления к вращательному движению на сдвиг ; – скручивающее усилие относительно оси . jR j 9K B M10B j j Для определения состояния газонасыщенных КТ по результатам числен- ного моделирования пространственных движений жидкого топлива в упругой конструкции топливного отсека ступени необходимо выявить в объеме жид- кости зоны потенциального газовыделения, в которых давление при колеба- ниях опускается ниже давления насыщения растворенного в КТ газа, т.е НPСТ PAP  . Количественная оценка объема ЖV , в котором осуществля- ется процесс десорбции растворенного в КТ газа, рассчитывается суммирова- нием соответствующих объемов конечных элементов «трехмерная жид- кость». Данные амплитуд колебаний давления жидкого топлива в различных сечениях топливного отсека являются достаточными величинами для оценок характеристик (1) – (5) сорбционных процессов при различных условиях виб- ронагружения ступени. Скопления образовавшихся в жидком топливе газовых пузырьков, нахо- дящиеся в поле массовых сил, при определенных соотношениях между час- тотой собственных колебаний системы и частотой внешнего воздействия, мо- гут всплывать к свободной поверхности, оставаться во взвешенном состоянии или мигрировать в направлении, противоположном действию массовых сил [6]. Причиной этого является наложение пульсаций объема включений на их движение в КТ. Это определяет мгновенную вертикальную составляющую скорости движения, которая рассчитывается при помощи полученных из ре- шения задачи (6) параметров колебательного движения КТ. В динамическом поведении такой газожидкостной системы скопление га- зовых пузырей выполняет роль упругого элемента, изменяющего характери- стики системы в целом, которые могут быть учтены при задании параметров упругости K соответствующих элементов, имитирующих движение КТ в за- даче (6). Можно выделить следующие режимы поведения рассматриваемой газожидкостной среды, подвергающейся вибрационным воздействиям: – стационарный режим вибрационной устойчивости колебательной сис- темы «жидкость – газовые включения» в области резонанса, когда в жидко- сти, содержащей газовые включения, происходит опускное движение и ус- тойчивое удержание скопления включений на днищах баков. При этом собст- 18 венная частота новой колебательной системы определяется с учетом объема газа в этом скоплении и продолжительности колебательного процесса; ЖV – режим переходного процесса и расслоения в нелинейной колебательной системе «жидкость – газовые включения», когда после захвата и устойчивого удержания скопления включений (при продольных колебаниях ступени у ос- нования жидкостного столба) происходит его рост за счет присоединения до- полнительных газовых включений. При этом колебания скопления все более отстают по фазе от колебаний ступени, а амплитуда колебаний давления PA увеличивается. По мере роста объема скоплений газовых включений происходит изменение собственной частоты колебательной системы, и при достижении определенного рассогла- сования частоты колебаний системы и частоты вибронагружения скопление пузырей отрывается от днища бака и всплывает в жидкости. Уровень, на ко- тором скопление газовых включений перестает всплывать под действием ар- химедовой силы, определяется соотношением частоты вынужденных колеба- ний системы «конструкция верхней ступени – жидкость (с газовыми включе- ниями)» и парциальной частоты этого скопления. Из указанных режимов поведения газожидкостных сред в компонентах топлива, находящихся в подвергающемся воздействию полетных вибраций топливном отсеке верхней ступени РН, наиболее критичным, с точки зрения обеспечения устойчивости процесса подачи КТ в топливные магистрали дви- гателя, является режим, связанный с началом опускного движения газовых включений и их массовым поступлением к внутрибаковым устройствам обеспечения сплошности. В случае последующего их проникания сквозь фа- зоразделители к заборным устройствам это может негативно отразиться на работоспособности двигателя ступени вплоть до срыва его рабочего процес- са. Виброперегрузки и обусловленные ими колебания давления КТ, соответ- ствующие началу опускного движения газовых включений на исследуемой глубине жидкого топлива, называются критическими  кр p кр g AиA [7, 8]. Они определяются локальными значениями параметров поля давлений в “точке” местонахождения газового включения с продольной координатой z , т.е. ам- плитуды колебаний давления и ее градиента  zAp zd Ad p , оценку значений которых при заданных параметрах вибрации конструкции ступени можно получить из решения задачи (6). В целом предложенный методический подход позволяет получать рас- четные оценки характеристик состояния газонасыщенных КТ при воздейст- вии на топливный отсек ступени полетных вибраций, включая скорость газо- выделения, объем и местонахождение включений свободного газа в виде ско- пления (“роя”) пузырьков. Применение разработанного методического подхода к определению параметров колебаний жидкого топлива и характеристик сорбционных процессов в топливном отсеке сложной пространственной конфигура- ции. В качестве примера применения разработанного методического подхода для анализа сорбционных процессов в баках проведено исследование колеба- ний верхней ступени РН со сложной пространственной конфигурацией топ- ливного отсека, концептуально близкой к представленной на рис. 2 конструк- ции верхней ступени Исследовательского центра имени М. В. Келдыша [4]. 19 Величины осевой перегрузки ступени, параметры виброперегрузок ступени при полетных вибрациях гармонического характера, обусловленных работой маршевого двигателя, типичны для ракеты легкого класса и соответствуют данным [16]. При анализе баки горючего и окислителя, рама маршевого двигателя, маршевый двигатель моделировались конечными элементами «упругая обо- лочка»; жидкое топливо в баках ступени представлялось с помощью конеч- ных элементов «трехмерная жидкость»; баллоны системы наддува, системы запуска, трубопроводы системы питания маршевого ЖРД и другие вспомога- тельные системы моделировались с помощью элементов «сосредоточенная масса». В результате «разбиения» конструкции ступени с жидким наполнени- ем топливных баков на конечные элементы с использованием средств систем компьютерного моделирования [15] получено от 7000 до 10909 узлов расчет- ной сетки (в зависимости от уровня жидкого топлива). При этом для конеч- ных элементов, имитирующих колебательное движение конструкции ступе- ни, относительный коэффициент демпфирования колебаний полагался рав- ным 2 %, для конечных элементов «трехмерная жидкость» – 0,5% от его кри- тического значения. В виду чрезвычайной сложности моделирования колеба- тельного движения внутрибаковых элементов конструкции, их влияние на характер динамического поведения жидкости учтено в расчетной схеме по- средством введения сил сопротивления в соответствующих элементах жидко- сти, при которых относительные коэффициенты демпфирования элементов при описании колебательного движения элементов «трехмерная жидкость» увеличивались до 5 - 10 % от критического значения. При выборе вышеука- занных значений коэффициентов демпфирования элементов верхней ступени были использованы данные экспериментальных исследований, обобщенные в работах [12, 13]. С использованием разработанной конечно-элементной модели верхней ступени с топливным отсеком, частично заполненным КТ, рассчитаны: – собственные частоты колебаний ступени в продольном направлении – 0,655 Гц; 14,3 Гц и 27,9 Гц; – собственные частоты колебаний ступени в поперечном направлении – 0,57 Гц; 17,7 Гц, и 26,3 Гц; – амплитуды пространственных колебаний конструкции ступени и ам- плитуды колебаний давления компонентов топлива при гармонических про- дольно-поперечных колебаниях силового шпангоута полости горючего с час- тотой . s На основании анализа результатов моделирования пространственных ко- лебаний исследуемой верхней ступени РН установлено, что параметры вы- нужденных колебаний жидкости (формы, частоты, амплитуды) зависят от упругих и массовых характеристик топливного бака, т.к. в исследуемом диа- пазоне частот от 5 Гц и до 100 Гц при опорожнении бака изменяются собст- венные частоты колебаний динамической системы «конструкция бака – жид- кое топливо». Результаты численного моделирования пространственных колебаний ис- следуемой ступени РН с характерной для современных верхних ступеней пространственной конфигурацией топливного отсека показали, что последняя является определяющим фактором влияния полетных вибраций на характер и интенсивность сорбционных процессов в газонасыщенных компонентах топ- лива. Эта особенность современных конструкций верхних ступеней наиболее 20 существенно проявляется на частотах, близких к частотам доминирующих тонов гидроупругого взаимодействия конструкции топливного отсека и на- ходящихся в нем жидких компонентов топлива. На рис. 3 представлено распределение расчетных амплитуд колебаний давления КТ (в 105 Па) по продольному сечению жидкого топлива в полостях окислителя (на рисунке – верхняя) и горючего топливного отсека исследуе- мой ступени РН при продольно-поперечных гармонических колебаниях ее конструкции с частотой 27,8 Гц, близкой к собственной частоте 27,9 Гц про- дольных колебаний ступени и к частоте 26,3 Гц ее поперечных колебаний. Некоторые элементы жидкости, колебательные движения которых происхо- дили «в противофазе», обозначены с отрицательными значениями амплитуд. Как следует из результа- тов расчета, при вынужден- ных продольно-поперечных колебаниях конструкции сту- пени с указанной частотой реализуется режим, при кото- ром происходят значительные поперечные перемещения жидкого горючего и конст- рукции бака окислителя, по- груженного в полость горю- чего. Это приводит к форми- рованию зон с локальным по- нижением давления горючего в «подбрюшье» бака окисли- теля (на рис.3 обозначено цифрой 1) и в местах над уст- ройствами обеспечения сплошности (отмечено цифрой 2 на рисунке), установленными вблизи от за- борных устройств бака горючего. В данном расчетном случае суммарный объем зон потенциального газовыделения ЖV составил приблизительно 0,4% от объема горючего в баке. Таким образом, с учетом особенностей кон- фигурации исследуемого топливного отсека определены координаты зон де- сорбции растворенного газа при полетных вибрациях его конструкции. Полученные значения амплитуд колебаний давления КТ и их распреде- ления для различных сечений топливного отсека ступени позволяют рассчи- тать основные характеристики (1) – (5) сорбционных процессов, а также гра- диенты давления для различных направлений и величины критических виб- роперегрузок  кр p кр g AиA , необходимые для оценки работоспособности внут- рибаковых средств обеспечения сплошности КТ. Выводы. Таким образом, на основании проведенного исследования:  методический подход к определению характеристик сорбционных про- цессов в жидком топливе верхних ступеней РН развит для расчета влияния продольно-поперечных полетных вибраций баков сложной пространственной конфигурации;  показано, что определяющим фактором влияния вибраций ступени на параметры газовых включений, объемы и зоны формирования свободных га- зовых включений в массе КТ и, следовательно, на работоспособность уст- Рис. 3 1 2 A, 105Па Бак «О» Бак «Г» 21 22 ройств обеспечения сплошности КТ в баках, является пространственная кон- фигурация конструкции топливных отсеков верхних ступеней РН;  установлено, что наиболее существенными для процесса десорбции жид- кого топлива являются полетные вибрации с частотами, близкими к частотам низших тонов динамической системы «конструкция ступени – жидкое топли- во», т.е. к частотам колебаний свободной поверхности жидкости и к частотам гидроупругого взаимодействия конструкции и жидкого топлива. 1. Пневмогидравлические системы двигательных установок с жидкостными ракетными двигателями / Под ред. В. Н. Челомея. – М.: Машиностроение, 1978. – 238 с. 2. Полухин Д. А. Отработка пневмогидросистем двигательных установок ракет-носителей и космических аппаратов с ЖРД / Д. А. Полухин, В. М. Орещенко, В. А. Морозов. – М. : Машиностроение, 1987. – 247 с. 3. Louaas E. Dynamic and acoustic environments with Ariane 5 new version A5ECA / E. Louaas, O. Ricouart, M. Bourgoin // Spacecraft and launch Vehicle Dynamic Environment Workshop. – El Segundo, 2005. – June 21 - 23, 2005, p. 205 - 211. 4. Официальный сайт Исследовательского центра имени М. В. Келдыша (г. Москва, Россия). http://www.kerc.msk.ru/ipg/development/rb2.pdf 5. Касаткин А. Г. Процессы и аппараты химической технологии / А.Г. Касаткин. – М.: Химия, 1973. – 478 с. 6. О. В. Пилипенко Сплошность газонасыщенных компонентов топлива при полетных вибрациях жидкос- тной ракеты-носителя / О. В. Пилипенко, А. Н. Заволока, А. Д. Николаев, Н. Ф. Свириденко, А. Н. Мащенко, В. Н. Бичай // Техническая механика. – 2009. – № 4. – С. 3 – 16. 7. Блоха И. Д. Влияние продольных вибраций космической ступени ракеты-носителя на работоспособность внутрибаковых устройств обеспечения сплошности компонентов топлива в системе питания маршевого двигателя / И. Д. Блоха, А. Н. Заволока, А. Д. Николаев, Н. Ф. Свириденко и др. // Техническая механика. – 2005. – № 2. – С. 65 – 74. 8. Пилипенко О. В. Работоспособность внутрибаковых устройств обеспечения сплошности компонентов топлива в системе питания маршевой двигательной установки космических ступеней ракет-носителей / О. В. Пилипенко, А. Н. Заволока, А. Д. Николаев, Н. Ф. Свириденко и др. // Сб. науч. тр. «Аэрогазодина- мика : проблемы и перспективы». – 2006. – Вып. 2. – С. 88 – 100. 9. Чебаевский В. Ф. Кавитационные характеристики высокооборотных шнеко-центробежных насосов / В. Ф. Чебаевский, В. И. Петров – М. : Машиностроение, 1973. – 192 с. 10. Васильев Ю. Н. Устройства для дегазации жидкого топлива перед насосами ракетного двигате- ля / Ю. Н. Васильев, В. И. Тихомиров / Изв. РАН. Энергетика. – 2003. – № 4. – С. 51 – 57. 11. Anglim D. D. Low-G testing of the Space Shuttle OMS propellant tank / D. D. Anglim. – “AIAA Paper”. – 1979. – № 1258, – P. 1 – 7. 12. Микишев Г. Н. Динамика тонкостенных конструкций с отсеками, содержащими жидкость / Г. Н. Микишев, Б. И. Рабинович. – М.: Машиностроение, 1971.– 564. 13. Slosh Supression //NASA Space Vehicle Design Criteria (Structure) . – National Aeronautic and Space Administration. – 1969, May. – NASA SP-8031. – 33 p. 14. Перфильев Л. А. Исследование вопросов гидромеханики в условиях невесомости на борту орбитальной станции «Мир»/ Л. А. Перфильев, Г. Г. Подобедов, Б. А. Соколов // Изв.РАН. Энергетика. – 2003. – № 4. – С.44 – 50. 15. Ли К. Основы САПР (CAD/CAM/CAE) / К. Ли. – Санкт-Петербург : Питер, 2004. – 560 c. 16. Soyuz User’s Manual /Issue 3, Starsem, Revision 0. – April 2001. – 204 p. Институт технической механики Получено 29.05.11, НАН Украины и НКА Украины, в окончательном варианте 29.06.11 Днепропетровск http://www.kerc.msk.ru/ipg/development/rb2.pdf

Institution

Ähnliche Einträge