2021. Т. 28. № 3

В этом году исполняется 100 лет со дня рождения Бориса Викторовича Овсянникова (1921-2007), доктора технических наук, профессора Московского авиационного института, долгое время заведовавшего кафедрой 202, одного из основателей школы высокооборотных насосов и турбонасосных агрегатов ЖРД, воспитавшего целую плеяду учеников, автора учебника по жидкостным ракетным двигателям, получившего мировое признание. Кафедра 202 совместно с коллегами из других университетов и отраслевых организаций 13 мая 2021 года провела Всероссийский научно-технический семинар «Лопаточные насосы и турбонасосные агрегаты», посвященный юбилею Бориса Викторовича. Содержанием семинара стали воспоминания коллег и родных о Б.В. Овсянникове, современная научно-техническая информация по актуальным проблемам лопаточных насосов, а также THA ЖРД. В семинаре участвовали коллеги из HПO «Энергомаш», ГНЦ «Центр Келдыша», «ОКБ «Кристалл», Петербургского Политехнического университета им. Петра Великого, СибГУ им. М.Ф. Решетнева и др. На основе ряда докладов составлена данная подборка статей.

Ключевые слова: Б.В. Овсянников, центробежный насос, турбонасосный агрегат, надежность, КПД

Повышение всасывающей способности высокобортных лопаточных насосов является актуальной задачей в развитии современных питательных систем жидкостных ракетных двигателей (ЖРД). В свете новых задач по созданию ЖРД многократного использования на передний план выходят проблемы снижения пульсаций давления, вибрации и динамических нагрузок, действующих на элементы проточной части насоса, а также уменьшение повреждений, которые вызваны кавитационной эрозией. Насосы при увеличении кавитационного качества могут работать при большей частоте вращения, а при заданной частоте вращения – с меньшими кавитационными запасами, то есть при пониженном давлении на входе. Для повышения антикавитационных качеств насосов обычно применяется предвключенный шнек. В данном случае в качестве предвключенного устройства рассматривается осевихревая ступень (ОВС), которая, как показывают эксперименты, может увеличить допустимый кавитационный запас по срыву, улучшить условия регулирования насоса, а также снизить пульсации давления и кавитационный износ.

Ключевые слова: предвключенный шнек, осевихревая ступень, шнекоцентробежный насос, кавитационный запас, пульсации давления

Рассматривается задача диагностирования контура автомата разгрузки и стояночного уплотнения турбонасосного агрегата жидкостного ракетного двигателя (ЖРД). Предлагается для корректного замыкания системы уравнений контура интегрировать его частную математическую модель в полную математическую модель ЖРД. Введено определение диагностической модели ЖРД. Определены параметры сопряжения контура с параметрами математической модели двигателя. Приведён пример обнаружения и локализации неисправности, возникшей при огневом испытании. Достоверность принятия решения о нормальном или ненормальном функционирование двигателя и локализации неисправности обеспечивается за счет применения многоэтапного контроля, включающего метод контроля характеристик конструкции и метод структурного исключения.

Ключевые слова: жидкостный ракетный двигатель, диагностическая модель, автомат разгрузки, стояночное уплотнение, диагностические признаки

Рассмотрено влияние бесконтактных уплотнений на экономичность насоса жидкостного ракетного двигателя (ЖРД) на режимах регулирования. Показано, что при создании насосов турбонасосных агрегатов (THA) ЖРД нельзя рассматривать зазор в уплотнении как величину постоянную, независимо от режима работы. Приведены зависимости, позволяющие на начальном этапе проектирования оценить величину зазора в уплотнении. В процессе создания насосов должны быть оценены величины не только рабочих зазоров, определяющих расход через уплотнение, но и величины минимальных гарантированных зазоров, обеспечивающих бесконтактную работу уплотнения. Показано, что анализ влияния уплотнений на характеристики и работоспособность насо сов необходим уже на ранних стадиях проектирования.

Ключевые слова: бесконтактное уплотнение, рабочий зазор, минимальный гарантированный зазор, роторный элемент уплотнения

Предлагается метод контроля текущего состояния жидкостного ракетного двигателя (ЖРД) на стационарных и переходных режимах стендового огневого испытания. Предполагается, что неисправность ЖРД является одной из возможных причин изменения статистических характеристик телеметрии, полученных до момента возникновения неисправности. В методе использован алгоритм статистического анализа с использованием критерия Стьюдента. Контроль текущего состояния двигателя на основе данного метода осуществляется в режиме непрерывного сканирования телеметрии медленно меняющихся параметров и обеспечивает оперативное принятие решения о прекращении испытания неисправного двигателя. Метод не требует предварительных оценок границ критериев нормальной работы контролируемого ЖРД и адаптивен к режимам его работы в широких диапазонах изменения тяги и соотношения компонентов топлива.

Ключевые слова: ЖРД, контроль состояния двигателя, статистические методы, аномальные погрешности измерений, критерий Стьюдента

Рассмотрены вопросы, связанные с исследованием дополнительной возможности повышения качества мощных энергодвигательных установок. Цель исследования – постановка задачи прогноза высокочастотной неустойчивости таких установок на примере турбонасосного агрегата жидкостного ракетного двигателя, определение параметров неустойчивости в этом узле и требуемого соотношения параметров турбулентного газового поля, а также формализация условия авто­матического контроля вибраций цифровыми методами многоступенчатого дискретного преобразования Фурье без выполнения аппаратно затратных операций умножения. Определены параметры неустойчивости и требуемое соотношение параметров турбулентного газового поля. Описаны принципы диагностики вибраций жидкостных ракетных двигателей на примере турбонасосного агрегата цифровыми методами многоступенчатого дискретного преобразования Фурье. Приведены формулы этого преобразования разностными цифровыми фильтрами.

Ключевые слова: турбонасосный агрегат, высокочастотная неустойчивость, диагностика вибраций, разностная фильтрация, турбулентный поток, цифровой сигнал

Представлены малоизвестные факты истории создания первого в жидкостном ракетном двигателе (ЖРД) турбонасосного агрегата, благодаря которому, после его совершенствования специалистами советской школы, были обеспечены большая дальность полета ракеты-носителя и прорыв в космическое пространство.

Статья посвящена Овсянникову Борису Викторовичу – крупному ученому, доктору технических наук, профессору, заслуженному деятелю науки, автору учебников по теории и расчёту турбонасосных агрегатов ЖРД. Столетие со дня рождения Бориса Викторовича отмечается 13 мая 2021 года.

Благодаря его учебникам и лекциям было подготовлено много ученых, конструкторов и расчетчиков, создавших уникальные изделия ракетно-космической техники, которые обеспечили ракетно-ядерный щит нашей страны и приоритет в освоении космического пространства.

Ключевые слова: ракетно-космическая техника, жидкостный ракетный двигатель, турбонасосный агрегат

Проведен анализ существующих стендов и методик испытания газосепараторов установок погружных электроцентробежных насосов для добычи нефти. Представлена новая методика и пневмогидравлическая схема стенда для испытаний газосепараторов (ГС) с подачей газожидкостной смеси непосредственно на вход в газосепаратор, с автоматическим поддержанием перепада давления между входом и областью газоотводящих отверстий. Показаны методологические принципы стендовых испытаний ГС для определения эффективности отделения свободного газа.

Ключевые слова: газосепараторы, установки погружных электроцентробежных насосов для добычи нефти, методики испытаний газосепараторов, пневмогидравлические схемы стендов для испытания газосепараторов, газожидкостная смесь, эффективность отделения газа

На основе анализа инженерных математических моделей рассматриваются вопросы наполняемости и определения критериев наполняемости купола (крыла) двухоболочкового планирующего парашюта, что непосредственно связанно с такими важными параметрами и характеристиками, как аэродинамическая нагрузка на парашют, прочность парашюта, путь наполнения, потеря высоты при наполнении, стабильность геометрии крыла.

Ключевые слова: наполняемость, наполнение, время наполнения, критерии наполняемости, двухоболочковое крыло, планирующий парашют

Рассматривается задача среднесрочного прогнозирования рациональных характеристик перспективного космического аппарата (КА) дистанционного зондирования Земли (пространственного разрешения съемочной аппаратуры, массы и стоимости создания КА). Предложен метод решения задачи, использующий экстраполяционные методы на основе обработки статистических данных по прототипам изделий. Прогнозирование осуществляется экстраполяцией на будущее закономерностей, выявленных в процессе исследования характеристик до настоящего момента. Для реализации данного метода разработан алгоритм поиска, включающий блоки исходных данных, экстраполяционного прогнозирования и оценки характеристик космического аппарата, приведены результаты расчета его технико-экономических характеристик при среднесрочном прогнозировании.

Таким образом, предложенный метод позволяет прогнозировать технико-экономические характеристики перспективных модификаций космического аппарата дистанционного зондирования Земли на 7 – 10 лет и обеспечить необходимую точность исследований.

Ключевые слова: дистанционное зондирование Земли, космическая система, перспективный космический аппарат, оптико-электронная съёмочная аппаратура, прогнозирование, технико-экономические характеристики КА

Разработаны тепловые математические модели с распределенными и сосредоточенными параметрами малого космического аппарата (МКА) серии «АИСТ». Проведена верификация моделей на основе телеметрических данных, полученных в ходе экспериментальной эксплуатации аппарата. На основе представленных тепловых математических моделей разработана методика проектирования систем обеспечения теплового режима МКА. Расчет математической модели теплового состояния МКА с распределенными параметрами произведен с помощью модуля Simcenter 3D Space Systems Thermal специализированного программного обеспечения Siemens NX. Расчет математической модели теплового состояния МКА на основе дифференциальных уравнений с сосредоточенными параметрами произведен с помощью программного пакета Matlab в среде динамического междисциплинарного моделирования сложных технических систем Simulink. Разработанная методика тепловой математической модели применена при создании расчетной математической модели теплового состояния перспективного МКА для задач экологического мониторинга.

Ключевые слова: малый космический аппарат, негерметичный космический аппарат, тепловое моделирование, система обеспечения теплового режима

Коротко рассмотрена возможность усовершенствования характеристик турбореактивных двухконтурных двигателей с форсажной камерой (ТРДДФ) с помощью инжекции воды во входное устройство. Также оценена вероятность внедрения данной силовой установки в транспортно-космическую систему вместо первой ступени при скоростях полета до 6 М. Выполнен экспертный анализ существующих исследовательских решений. Описаны и разъяснены итоги расчета необходимого количества воды, применяемой для охлаждения. Реализация данной технологии решает проблемы транспортировки грузов на международную космическую станцию (МКС), в перспективе существует возможность создания пассажирского летательного аппарата с огромными скоростями полета.

Ключевые слова: повышение мощности турбореактивного двигателя, форсажная камера, охлаждение входного устройства, сверхзвуковые самолеты

Рассматриваются вопросы использования технологий цифрового двойника (ЦД) в рамках реализации продуктовых программ и совершенствования технологий проектирования при разработке газотурбинных двигателей (ГТД). Особое внимание уделено большому опыту использования методов численного моделирования и высокопроизводительных вычислений при создании современной и конкурентоспособной продукции предприятиями ОДК. Обозначены некоторые проблемные вопросы, и намечены пути их решения.

Ключевые слова: технологии цифрового двойника, проекты цифровой трансформации ОДК, математические модели этапов жизненного цикла ГТД

Приведены результаты экспериментальных исследований затопленной закрученной струи с различной интенсивностью крутки для разных типов лопаточных завихрителей. Основные исследования при этом были направлены на определение смешения закрученного потока с внешней средой. Показан вывод уравнения аналитической зависимости для определения коэффициента смешения закрученного потока с окружающей средой на основе коэффициента турбулентной диффузии. Экспериментальные данные сопоставляются с полученными аналитическими решениями для профилированных и плоских лопаток завихрителей. Обосновываются полученные результаты с точки зрения гидравлических потерь для разных типов лопаток завихрителя.

Ключевые слова: камера сгорания ГТД, закрутка потока, коэффициент смешения, профиль лопаток завихрителя

Рассмотрены пять схем газотурбинных трехконтурных двигателей с изменяемым рабочим процессом. Сформированы три компьютерные модели расчета трехконтурных двигателей в САЕ-системе «Астра», которая охватывает весь цикл термогазодинамического проектирования газотурбинного двигателя. В качестве двигателяпрототипа взят турбореактивный двухконтурный двухвальный двигатель с форсажной камерой РД-33. Кроме термодинамических расчетов, проведены расчеты полетного цикла, массовых характеристик силовой установки и летательного аппарата, а также критериев эффективности. Варьируя значения степени двухконтурности и трехконтурности, получили значения суммарной массы силовой установки и топлива, потребного для полета на заданную дальность М_су+т, и затрат топлива в килограммах на 1 тоннокилометр перевезенного груза Ст.км^.

В итоге сделан вывод о том, что наиболее рациональное и выгодное соотношение параметров эффективности у трехконтурного газотурбинного двигателя переменного рабочего цикла FLADE VCE. Получившиеся параметры превосходят значения критерия эффективности двигателя-прототипа на 13%. Данные параметры могут быть использованы для структурно-параметрической оптимизации параметров с целью снижения затрат топлива и увеличения эффективности двигателей со сложным циклом, предназначенных для военной авиации, на крейсерском участке полёта.

Ключевые слова: трехконтурный газотурбинный двигатель, двигатель с изменяемым рабочим процессом, форсажная камера, смешение потоков, степень двухконтурности, степень трехконтурности, расчетная модель

Приводится описание разработанного авторами метода, который позволяет по известным вероятностным распределениям неопределенных исходных данных с помощью математической модели двигателя определять стохастическое распределение выходных параметров. Было установлено, что количество обращений к математической модели таково, что расчет с учетом семи-восьми неопределенных переменных даже при использовании простых математических моделей занимает огромное время. По этой причине был разработан способ получения достоверных стохастических результатов с уменьшенным числом учитываемых неопределенных исходных данных на основе анализа чувствительности. Полученные в расчете стохастические результаты были сопоставлены с данными эксперимента. Было показано, что разница между стохастическими результатами расчета и эксперимента представляет собой колокол рассеивания (бивариантное распределение) и может быть описан четырьмя числовыми критериями.

Ключевые слова: неопределенность вычислений, неопределенность исходных данных, погрешность расчета, валидация, термодинамический расчет, погрешность эксперимента, анализ чувствительности, газотурбинный двигатель

Интеграция беспилотных летательных аппаратов в работу современных инфраструктурных систем является одной из наиболее важных задач в современной транспортной отрасли. Такая интеграция требует решения целого комплекса проблем, в том числе технологических, управленческих, правовых и т.д. В числе прочих особо можно выделить проблему безопасности движения, именно нерешенная проблема безопасности движения беспилотных летательных аппаратов является причиной ряда ограничений на их применение. В настоящей статье, авторами предложена система курсовой устойчивости, позволяющая предотвратить выход беспилотного летательного аппарата с подвижным крылом (мультикоптера) из границ предоставленного для его передвижения воздушного коридора, что снижает риск возникновения аварийных ситуаций с его участием. Система решает задачу обеспечения безопасности движения мультикоптеров, работающих по заранее заданным маршрутам, например в системах мониторинга технологических процессов, системах доставки товаров, системах объектового видеонаблюдения и т.д. Технологические элементы предложенной системы имеют небольшие габариты и не требуют электропитания, что максимально упрощает их внедрение в существующую инфраструктуру. Предложенная система может представлять интерес для крупных сетевых ритейлеров с целью применения в таких приложениях, как доставка товаров, работающих по схеме «центральный логистический центр → точки выдачи товара в городе». Система может быть применена в мониторинге промышленных объектов, предусматривающих движение беспилотных летательных аппаратов по определенным маршрутам над территорией предприятия с установленным на них дополнительным оборудованием, таким, как сканеры, тепловизоры, видеокамеры, датчики определения выбросов и т.д. с целью контроля технологических процессов предприятия. Дополнительное направление применения предложенной системы – это обеспечение безопасности взаимодействия мультикоптеров и воздушных судов в зоне аэропорта, в настоящий момент закрытой для их полетов. Система позволяет обеспечить передвижение мультикоптера строго в заданном воздушном коридоре, что решает задачу разведения в воздушном пространстве задействованных мультикоптеров и других участников воздушного движения.

Ключевые слова: система курсовой устойчивости, мультикоптер, воздушный коридор, безопасность движения мультикоптеров

Исследуется в постановочном плане задача совершенствования системы обеспечения авиационной безопасности аэропорта на основе комплексирования технических средств защиты аэропорта и средств управления воздушным движением. Основная идея состоит в том, что средства управления воздушным движением на современном этапе их развития обладают серьезными научно-техническими возможностями обнаружения и сопровождения соответствующих объектов, что далеко не всегда присуще средствам обеспечения авиационной безопасности в их зоне ответственности. Поэтому весьма перспективным представляется исследование вопроса о совместном использовании технических средств обеих систем.

Ключевые слова: авиационная безопасность, комплексирование систем авиационной безопасности и управления воздушным движением, информационное обеспечение систем авиационной безопасности

Представлен обзор методов аддитивного производства, активно используемых при изготовлении деталей авиационных и ракетных двигателей, дана их классификация в зависимости от используемого источника энергии и формы исходного материала. Изложены преимущества аддитивных технологий по сравнению с традиционными методами формообразования деталей и изделий, рассмотрена технология изготовления заготовок деталей из жаропрочных сплавов методом прямого лазерного сплавления металлических порошков. Приведены примеры успешного использования аддитивных технологий в аэрокосмической отрасли при производстве различных деталей. Рассмотрены основные составляющие установок для прямого лазерного сплавления, влияющие на качество получаемых заготовок. Приведены параметры, влияющие на процесс прямого лазерного сплавления и на качество формообразования заготовок, а также изложены преимущества и недостатки данного процесса. Выполнен анализ дефектов, таких, как пористость, растрескивание, термические остаточные напряжения, нередко сопровождающих процесс сплавления, и определены возможные причины их появления.

Ключевые слова: аддитивное производство, прямое лазерное сплавление, жаропрочный сплав, дефекты сплавления

Приведена оценка влияния технологических приемов исключения пор в металле шва на свойства неразъемных соединений при сборке титановых конструкций летательных аппаратов. Исследования проводились на титановых сплавах ВТ20, ВТ23 с использованием сварочных установок, применяемых в серийном производстве летательных аппаратов (УСП-5000, АДСВ-6, ГСПД-1, КЛ-144). Рассмотрено влияние различных способов сварки (электронно-лучевой, автоматической аргонодуговой, погруженным вольфрамовым электродом) на механические свойства и геометрические параметры неразъемных соединений. Установлено, что увеличение времени существования сварочной ванны способствует исключению пористости в неразъемных соединениях, но приводит к изменению геометрических параметров сварных швов и снижению прочности. Выявлено, что для улучшения качества неразъемных соединений необходимо повышение жидкотекучести сварочной ванны и уменьшение вязкости. По результатам исследования интенсификации перемешивания жидкометаллической ванны при сварке вольфрамовым погруженным электродом (СПВЭ) и электронно-лучевой сварке (ЭЛС) установлено, что наиболее перспективным способом обеспечения качества неразъемных соединений (исключение пористости, получение свойств, близких к свойствам основного металла) является применение осцилляции электронного луча при электронно-лучевой сварке или применение колебательных движений электрода при автоматической аргонодуговой сварке.

Ключевые слова: титановые сплавы, неразъемные соединения, узловая сборка, электронно-лучевая сварка, автоматическая аргонодуговая сварка, силовые элементы летательных аппаратов