Підхід до чисельного моделювання просторового руху рідини з формуванням вільних газових включень в паливному баку в умовах космічного польоту
DOI:
https://doi.org/10.15407/knit2022.05.003Ключові слова:
рідинна ракета-носій, вільні газові включення до рідини, внутрішньобакові забірні пристрої, мікрогравітація, метод об'єму рідини, метод скінченних елементів, пасивна ділянка польоту, повторний запуск двигуна, просторовий рух рідкого паливаАнотація
Маршові двигунні установки космічних ступенів ракет-носіїв за умов мікрогравітації забезпечують проведення кількох запусків – остановів рідинних ракетних двигунів, необхідні для реалізації програмних переміщень і контролю орієнтації космічного апарату у просторі. Під час пасивного польоту космічного ступеня (після зупинки його маршового двигуна) рідке паливо в баках продовжує рух в умовах мікрогравітації за інерцією, максимально віддаляючись від внутрішньобакових забірних пристроїв. При цьому газ наддуву витісняється до забірного пристрою, що створює потенційну можливість проникнення газу на вхід у двигун у кількостях, неприпустимих для надійної реалізації повторного запуску двигуна. У зв'язку з цим визначення параметрів руху рідини в паливних баках в умовах мікрогравітації є актуальною задачею, яка потребує вирішення при проектуванні рідинних ракетних двигунних установок. Розроблено підхід до теоретичного визначення параметрів руху границі поділу середовищ «газ – рідина» у порожнинах паливних баків сучасних космічних ступенів рідинних РН в умовах мікрогравітації. Підхід базується на використанні методу скінченних елементів, методу об’єму рідини та сучасних комп'ютерних засобів скінчено-елементного аналізу (САЕ-систем). Для умов пасивної ділянки польоту космічного ступеня РН виконано математичне моделювання просторового руху рідкого палива і вільних газових включень, що формуються, на основі якого визначено параметри руху і форми вільної поверхні рідини в баку, місце розташування газових включень. Щодо умов руху експериментального зразка паливного бака з рідиною в «кидковій вежі» ДП «КБ «Південне», призначеної для вивчення об'єктів космічної техніки в умовах мікрогравітації, виконано чисельне моделювання руху рідини у баку сфероподібної форми. Отримані в результаті математичного моделювання значення параметрів руху рідини та границі поділу середовищ «газ – рідина» задовільно узгоджуються з отриманими експериментальними даними. Використання розробленого підходу дозволить значно скоротити обсяг експериментального відпрацювання космічних ступенів РН, що проектуються.Посилання
Behruzi Ph., Michaelis M., Khimeche G. (2006) 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.
https://doi.org/10.2514/6.2006-5052
Bloha I. D., Zavoloka A. N., Nikolaev A. D., Sviridenko N. F. (2005) Influence of longitudinal vibrations of the upper stage of the launch vehicle on the operability of propellant management device (PMD) for ensuring the continuity of fuel components in the propulsion engine feeding system. Technical mechanics. №2. - P. 65 -74. [in Russian].
Davydov S. A. (2004) Calculation of the coefficient of infiltration of a submerged liquid jet through a woven metal mesh. System design and analysis of the characteristics of aerospace technology: digest of sciences papers. Dnipropetrovsk, Edition V., P. 13 - 21. [in Russian].
Ducret E., Le Moullec L., Spencer B., Balaam P. (1992) Propellant management device studies, computational methods and neutral buoyancy tests. AIAA 28th Joint Propulsion Conference and Exhibit. P. 92-3611.
https://doi.org/10.2514/6.1992-3611
Igdalov I. M., Kuchma L. D., Polyakov N. V., Sheptun Yu. D. (2004) Rocket as a control object. Dnepropetrovsk: ART-Press, 544 p. [in Russian].
Investigation of Propellant Sloshing and Zero Gravity Equilibrium for the Orion Service Module Propellant Tanks (2009). final report. Microgravity University. Systems Engineering Educational Discovery. Kenosha. 22 p.
I.V. Sedykh, D.S. Nazarenko, A.N. Minai, Ya.O. Babiychuk (2019). Experimental determination of the fuel sedimentation time in a spherical tank before restarting the main engine, System design and analysis of the characteristics of aerospace technology. Volume XXVІI, P. 136-144
https://www.dnu.dp.ua/docs/zbirniki/ftf/program_5e4456e3895d7.pdf [in Russian].
Hirt C. W., Nichols B. D. (1981) Volume of fluid (VOF) method for the dynamics of free boundaries. Journal of Computational Physics, № 39 (1), P. 201 - 225.
https://doi.org/10.1016/0021-9991(81)90145-5
Каshanov O. E., Dеgtyarev O. V., Pylypenko O. V., Zavoloka O. M., Nikolayev O. D., Sviridenko M. F. Ensuring operating efficiency of ilv space stages propellant feeding systems in different operating conditions. IAC-15-D.2.3, 66th Astronautical Congress International, 8832-8838 pp.
http://toc.proceedings.com/29485webtoc.pdf
Kohnke P. (2001). Ansys, Inc. Theory Manual 001369. Twelfth Edition. Canonsburg: SAS IP, Inc. 1266 p.
Kozlov A. A., Novikov V. N., Solovyov E. V. (1988) Power feeding and control systems for liquid rocket propulsion systems. M. : Engineering, 352 p. [in Russian].
Mikishev G. N., Churilov G. A. (1986) Influence of surface tension and contact angle on liquid oscillations in vessels. Spacecraft dynamics and space exploration. M.: Engineering, P. 164 -175. [in Russian].
Pilipenko O. V., Degtyarev A. V., Zavoloka A. N., Kashanov A. E., Nikolaev A. D., Sviridenko N. F., Bashliy I. D. (2014) Determination of parameters of gas-liquid structures forming in propellant components during start-up of the space stage main engine with low filling levels of its tanks. Technical mechanics. № 4. P. 3-13.
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/88500 [in Russian].
Pilipenko O. V., Zavoloka A. N., Nikolaev A. D., Sviridenko N. F. (2006) The operability of propellant management device (PMD) for ensuring the continuity of fuel components in the feeding system of the main propulsion system of space stages of launch vehicles Digest scientific papers "Aero-gaso-dynamics: problems and prospects". Issue. 2. P. 88 - 100. [in Russian].
Pozdnyshev N. O. Development the capillary devices of launch vehicle tanks and peculiarities of hydrodynamic processes simulation occurring in them. IAC-14-A2.2.3
http://toc.proceedings.com/25520webtoc.pdf.
Salzman J. A., Masica W. J., Lacovic R. F. (1973) Low-gravity reorientation in a scale-model Centaur liquid-hydrogen tank (NASA TN D-7168, 1973). Официальный сайт NASA.
https://ntrs.nasa.gov/search.jsp?R=19730007525 .
Sichevoi A. V., Davydov S. A., Gorelova K. V. (2010) Coefficient of dynamic loading of grid devices for ensuring fuel continuity. System design and analysis of the characteristics of aerospace technology: digest of sciences papers. Dnipropetrovsk, Edition Х., P. 106 - 113. [in Russian].
Siedykh I.V. (2021) Selection of design parameters for inertial factors for ensuring the stability of propellant in the ]. Candidate's thesis, 210 P. Dnipro [in Russian].
The Bremen Drop Tower. Официальный сайт Bremen University. https://www.zarm.uni-bremen.de/en/drop-tower/team.html
Zhang-Guo LI, Qiu-Sheng LIU, Rong LIU, Wei HU, Xin-Yu DENG (2009) Influence of Rayleigh-Taylor Instability on Liquid Propellant Reorientation in a Low-Gravity Environment. Chinese Physical Society and IOP Publishing Ltd., Vol.26, No.11. P.114701-1-114701-4.
