Математичне моделювання запуску багатодвигунної РРДУ і ступеня ракети-носія «ЦИКЛОН-4М» з демпферами поздовжніх коливань
DOI:
https://doi.org/10.15407/knit2021.06.003Ключові слова:
демпфер поздовжніх коливань, запуск, кавітація в насосах, неодночасність запуску, низькочастотні динамічні процеси, рідинний ракетний двигун, система живленняАнотація
Маршові рідинні ракетні двигунні установки (РРДУ) перших ступенів космічних ракет-носіїв (РН) середнього, важкого і надважкого класу зазвичай включають демпфера повздовжніх коливань, які є одним з поширених способів усунення поздовжніх коливань рідинних РН (POGO-коливань). Однак до теперішнього часу теоретичні дослідження і аналіз впливу встановлення демпферів поздовжніх коливань в живлячих магістралях маршових рідинних ракетних двигунів (РРД) на перехідні процеси в системах при запусках РРД не проводилися через складність проведення такого аналізу і відсутність у дослідників, перш за все, достовірних нелінійних моделей кавітаційних явищ в насосах. Розроблено математичну модель запуску багатодвигунної РРДУ I ступеня ракети-носія «Циклон-4М», що включає чотири маршових РРД РД-870, з урахуванням встановлення демпферів поздовжніх коливань і неодночасного запуску РРД. Представлена нелінійна математична модель низькочастотних динамічних процесів в демпферах поздовжніх коливань з сильфонним розподілом рідкої і газової середовищ. Показано суттєвий вплив кавітації в насосах двигунів і демпферів поздовжніх коливань на частотні характеристики системи живлення окислювачем РРДУ. На основі розробленої математичної моделі запуску РРДУ були проведені дослідження динамічних процесів при запуску багатодвигунної РРДУ I ступеня РН «Циклон-4М» з урахуванням неодночасного вступу в роботу РРД і встановлення демпферів поздовжніх коливань як у відгалуженнях на РРД РД-870 біля колектора (штатне розміщення) , так і на вході в двигуни. Аналіз перехідних процесів в системі живлення окислювачем розглянутої РРДУ, залежностей витрати і тиску на вході в двигун від часу показав наступне. По-перше, при одночасному запуску двигунів встановлення демпферів поздовжніх коливань біля колектора дозволяє усунути майже всі закидання тиску на вході в двигун, які існують в РРДУ при відсутності демпферів поздовжніх коливань. При встановленні демпферів на вході в двигуни закидання тиску на вході в двигун практично відсутні. По-друге, неодночасність вступу в роботу РРД РД-870 негативно відбивається на залежностях від часу витрати і тиску на вході в двигун при розташуванні демпферов біля колектора. Так, в інтервалі часу 0,95с - 1,35 с для деяких варіантів зміщення моментів початку запуску двигунів спостерігається аномально велике падіння витрати окислювача на вході в двигуни і закидання тиску на вході в двигуни. Неодночасність запуску двигунів РД-870 при встановленні демпферів на вході в двигуни істотно не змінює перехідні процеси при запуску РРДУ в порівнянні з одночасним запуском двигунів. По-третє, таким чином, показано, що встановлення демпферів поздовжніх коливань як на вході в двигуни, так і в відгалуженнях на РРД РД-870 біля колектора, має суттєвий позитивний вплив на якість перехідних процесів при запуску РРДУ I ступеня РН «Циклон-4М ». Розміщення демпферів поздовжніх коливань на вході в двигуни не є штатним і розглядається без прив'язки до компонування РРДУ. Тим щонайменше демпфери, встановлені на вході в двигуни, є дієвим засобом щодо усунення закидання і провалів параметрів РРДУ, в тому числі в умовах неодночасного запуску РРД в складі багатодвигунної установки. Отримані результати можуть бути використані при математичному моделюванні запуску маршової РРДУ ракети-носія пакетної схеми або багатодвигунної РРДУ, що містять демпфери повздовжніх коливань.Посилання
Shevyakov A. A., Kalnin V. M., Naumenkova N. V., Dyatlov V. G. The theory of automatic control of rocket engines. Moscow: Mashinostroenie Publishing Company, 287 p. (1978). [in Russian].
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. (2011).
https://doi.org/10.2514/6.2011-6032
Lebedinsky E. V., Kalmykov G. P., Mosolov S. V. Working processes in a liquid-propellant rocket engine and their modeling. Moscow: Mashinostroenie Publishing Company 512 s (2008). [in Russian].
Pylypenko V. V., Zadontsev V. A., Natanzon M. S. Cavitation self-exсited oscillations and dynamics of hydraulic systems. Moscow: Mashinostroenie Publishing Company, 351 p. (1977). [in Russian].
Pylypenko V. V., Dolgopolov S. I. Experimental and calculated determination of the coefficients of the equation of dynamics of cavitation cavities in inducer and centrifugal pumps of various sizes. ТМ, No. 8, 50—56 (1998). [in Russian].
Dolgopolov S. I. Hydrodynamic Model of Cavitation Oscillation for Modelling Dynamic Processes Within Pump Systems at High Cavitation Numbers. ТМ, № 2, р. 12-19. (2017). [in Russian].
https://doi.org/10.15407/itm2017.02.012
Pylypenko O.V., Prokopchuk A.A., Dolgopolov S.I., Pisarenko V.Yu., Kovalenko V.N., Nikolayev O.D., Khoryak N.V.. Pequliarities of mathematical modeling of low-frequency dynamics of the staged liquid rocket sustainer engines at its startup. Space Sci.&Technol. 23(5):03-13 (2017) [in Russian].
https://doi.org/10.15407/knit2017.05.003
Dolgopolov S. I., Zavoloka A. N., Nikolayev O. D., Sviridenko N. F., Smolensky D. E. Parametric determination of hydrodynamic processes in feed system of space stage in stopping and starting the cruise engine. ТМ, № 2, р. 23-36. (2015). [in Russian].
Pylypenko O. V., Dolhopolov S. I., Nikolayev O. D., Khoriak N. V. Mathematical simulation of the start-of a multiengine liquid-propellant rocket propulsion system ТМ, No 1, р.5 - 18 (2020). [in Russian].
https://doi.org/10.15407/itm2020.01.005
Natanzon M. S. POGO self-oscillations of a liquid rocket. Moscow: Mechanical Engineering, 208 p. (1977). [in Russian].
Pylypenko O. V., Degtyarev M. A., Nikolayev O. D., Klimenko D. V., Dolgopolov S. I., Khoriak N. V., Bashliy I. D., Silkin L. A. Providing of POGO stability of the Cyclone-4M launch vehicle. Space Science and Technology. 26, № 4 (125). p. 3—20. (2020).
https://doi.org/10.15407/knit2020.04.003
Kook Jin Park, JeongUk Yoo, SiHun Lee, Jaehyun Nam, Hyunji Kim. POGO Accumulator Optimization Based on Multiphysics of Liquid Rockets and Neural Networks Journal Of Spacecraft And Rockets Vol. 57, No. 4, pp. 809-822 (2020).
https://doi.org/10.2514/1.A34769
Ye Tang, Mingming LI, Long Wang, Yewei Zhang, Bo Fang Modeling and Stability Analysis of POGO Vibration in Liquid-Propellant Rockets with a Two-Propellant System. Trans. Japan Soc. Aero. Space Sci. Vol. 60, No. 2, pp. 77–84. (2017).
https://doi.org/10.2322/tjsass.60.77
Degtyarev A.V. Rocket technology. Problems and Prospects. Dnepropetrovsk: ART-PRESS. 420 s (2014). [in Russian].
The official site of the State Enterprise "Design Bureau" Yuzhnoye "named after M.K. Yangel"
https://www.yuzhnoye.com/technique/
Khoriak N. V., Dolhopolov S. I. Features of mathematical simulation of gas path dynamics in the problem of the stability of low-frequency processes in liquid-propellant rocket engines.ТМ, № 3 , р. 30-44. (2017). [in Russian].
https://doi.org/10.15407/itm2017.03.030
Turnov M.A. Experience of bench testing of elements of the liquid oxygen feed system of the Energia launch vehicle. RCP, Polet Publishing, pp. 35-40. (2009), [in Russian].
Pilipenko V.V., Dorosh N.L., Man'ko I.K. (1993) Experimental studies of vapor condensation when a jet of gaseous oxygen is blown into a liquid oxygen flow. TM, Issue. 2.P. 77–80. (1993). [in Russian].
Dorosh N.L. Modeling of oxygen vapor condensation in oxygen liquid. Applied questions of mathematical modeling vol. 3, № 2.2, 2020. P. 149–155. (2020). [in Ukrainian].
https://doi.org/10.32782/KNTU2618-0340/2020.3.2-2.14
Sobol’ I.M. Uniformly distributed sequences with an addition uniform property, USSR Comput. Maths. Math. Phys. 16, pp. 236–242. (1976). [in Russian]
https://doi.org/10.1016/0041-5553(76)90154-3
Andreeva E. M. Bellows. Calculation and design. Moscow: Mashinostroenie Publishing Company. 156 p. (1975). [in Russian].
Kohnke P. ANSYS Mechanical APDL Theory Reference. ANSYS, Inc. Release 15.0 Southpointe., SAS IP, Inc. 952 p. (2013). https://www.pdfdrive.com/ansys-mechanical-apdl-theory-referencepdf-d16721860.html
