Стабилизация автоколебаний жидкости в баке окислителя путем изменения гидродинамических параметров колебаний жидкости в баке горючего

Авиационная и ракетно-космическая техника

2024. Т. 31. № 3. С. 178-187.

Авторы

Афонина Е. В.

ПАО «Ракетно-космическая корпорация «Энергия» им. С. П. Королёва», ул. Ленина, д. 4А, г. Королёв, Московская обл., Россия, 141070

e-mail: Saranchenkova.ev@phystech.edu

Аннотация

Представление о движении ракеты с жидкостным ракетным двигателем на активном участке полета как о движении твердого тела, является сильно упрощенным, поскольку наличие больших масс жидкого топлива со свободными поверхностями в топливных баках разгонного блока служит причиной возникновения дополнительных сил, оказывающих влияние на динамические свойства ракеты. Это влияние основывается на двух основных факторах: угловое движение ракеты влияет на возмущение жидкости в баках, а движение жидкости в баках вызывает дополнительные инерционные силы и моменты, действующие на ракету. Поэтому необходимо учитывать влияние жидких компонентов топлива в баках разгонного блока на движение ракеты для повышения устойчивости и управляемости ее движения. Применение коэффициентного критерия фазовой стабилизации показало, что фазовая стабилизация разгонного блока при помощи автомата стабилизации не может быть обеспечена на всём активном участке полёта при выведении полезного груза небольшой массы. Особенно это касается колебаний жидкого наполнения бака окислителя. Математическое моделирование возмущенного движения разгонного блока на активном участке полета также демонстрирует, что при выведении разгонным блоком полезного груза малой массы в начале активного участка в баке окислителя возникают автоколебания жидкости с амплитудами, близкими к амплитуде разрушающей волны. Предложен способ уменьшения амплитуды колебаний жидкости в баке окислителя при помощи изменения геометрического момента инерции свободной поверхности жидкости бака горючего таким образом, чтобы положение центра масс разгонного блока оказалось выше свободной поверхности жидкости в баке окислителя на максимально возможном участке полета. Такой метод позволяет расширить область применения фазовой стабилизации колебаний жидкости в баках разгонного блока. Применение результатов проведенного исследования позволит повысить точность выведения разгонного блока путем уменьшения влияния его поперечных колебаний, частота которых близка к частоте собственных колебаний жидкости в баках разгонного блока. Предложенный метод позволяет стабилизировать колебания жидкости в баках разгонного блока, не прибегая к изменению начального объема топлива в них.

Ключевые слова:

фазовая стабилизация, геометрический момент инерции, гидродинамические параметры колебаний жидкости, свободная поверхность жидкости, зеркало свободной поверхности жидкости

Библиографический список

  1. Колесников К.С. Динамика ракет. – 2-е изд., испр. и доп. – М.: Машиностроение, 2003. – 519 с.
  2. Абгарян К.А., Рапопорт И.М. Динамика ракет. – М.: Машиностроение, 1969. – 378 с.
  3. Колесников К.С. Жидкостная ракета как объект регулирования. – М.: Машиностроение, 1969. – 298 с.
  4. Абрамов И.П., Алдашкин И.В., Алексеев Э.В. и др. Машиностроение: Энциклопедия в 40 т. – Т. IV-22. Ракетно-космическая техника. Кн. 2. Ч. 1. – М.: Машиностроение, 2014 .– 563 с.
  5. Пиунов В.Ю., Назаров В.П., Коломенцев А.И. Совершенствование энергетических характеристик кислородно-водородных жидкостных ракетных двигателей разгонных блоков методом оптимизации конструктивных схем // Вестник Московского авиационного института. 2017. Т. 24. № 3. С. 23–33.
  6. Чжаокай Ю., Темнов А.Н. Равновесие и колебания свободной поверхности жидкого топлива в коаксиально-цилиндрических сосудах в условиях микрогравитации // Инженерный журнал: наука и инновации. 2021. № 8(116). DOI: 10.18698/2308-6033-2021-8-2099
  7. Jokar M., Salarieh H., Pishkenari H.N. Observer-based boundary feedback control for attitude tracking of rigid bodies with partially liquid-filled cavities // Aerospace Science and Technology. 2022. Vol. 132. No. 9: 108068. DOI: 10.1016/j.ast.2022.108068
  8. Аунг К.М., Коломенцев А.И., Мартиросов Д.С. Математическое моделирование регулятора расхода жидкостного ракетного двигателя во временной и частотной областях // Вестник Московского авиационного института. 2021. Т. 28. № 1. С. 96-106. DOI: 10.34759/vst-2021-1-96-106
  9. Павлюк Ю.С., Сакулин В.Д. Приближенный метод определения моментов инерции тел с жидким наполнением // Вестник ЮУрГУ. Серия Машиностроение. 2006. № 11(66). С. 21–23.
  10. Takahara H., Kimula K. Frequency response of sloshing in an annular cylindrical tank subjected to pitching excitation // Journal of Sound and Vibration. 2012. Vol. 331. No. 13, pp. 3199-3212. DOI 10.1016/j.jsv.2012.02.023
  11. Аверьянов А.П., Азаренко Л.Г., Вокин Г.Г., Кащеев Н.А. Введение в ракетно-космическую технику: Учебное пособие: В 2 томах. – 2-е изд. – М.; Вологда: Инфра-Инженерия, 2021. – Т. 1. – 381 с.
  12. Дьяченко М.И., Орлов В.В., Темнов А.Н. Колебания жидкого топлива в цилиндрических и конических емкостях // Наука и образование: научное издание МГТУ им. Н.Э. Баумана. 2013. № 11. С. 175–192.
  13. Хунг Н.З., Темнов А.Н. Задачи динамики космических конструкций с жидким топливом, вытекающим из сферических емкостей // Инженерный журнал: наука и инновации. 2016. № 5(53). DOI: 10.18698/2308-6033-2016-5-1490
  14. Колесников К.С., Пожалостин А.А., Шкапов П.М. Задачи динамики гидромеханических систем в трудах кафедры теоретической механики имени профессора Н.Е. Жуковского // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Естественные науки. 2012. № 7(7). С. 15–30.
  15. Дьяченко М.И., Темнов А.Н. Проблемы динамики перераспределения топлива в крупногабаритных ракетно-космических объектах // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Машиностроение. 2012. № 8. С. 164–174.
  16. Красильников П.С., Сторожкина Т.А. Исследование резонансных колебаний математического маятника переменной длины // Труды МАИ. 2011. № 46. URL: https://trudymai.ru/published.php?ID=26045
  17. Cheng X.D., Wang Z.L. The equation and the numerical analysis of static fluid surface in revolving symmetrical tank under low gravity // Chinese Journal of Computational Physics. 2000. Vol. 17. No. 3, pp. 273–279.
  18. Пожалостин А.А., Гончаров Д.А. О параметрических осесимметричных колебаниях жидкости в цилиндрическом сосуде // Труды МАИ. 2017. № 95. URL: https://trudymai.ru/published.php?ID=84412
  19. Калиниченко В.А., Со А.Н. Экспериментальное исследование связанных колебаний сосуда с жидкостью // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Серия Естественные науки. 2015. № 1(58). С. 14–25.
  20. Шаповалов А.В., Щеглов Г.А. Синтез рациональной компоновки малого разгонного блока на газообразных компонентах топлива // Вестник Московского авиационного института. 2023. Т. 30. № 2. С. 70–77. DOI: 10.34759/vst-2023-2-70-77
  21. Евсеенко Е.А., Генералов Н.Н. Определение оптимального расположения топливных баков ракеты, спроектированной по схеме «тандем», из условия минимума стартовой массы // Инженерный журнал: наука и инновации. 2016. № 8(56). DOI: 10.18698/2308-6033-2016-8-1521

mai.ru — информационный портал Московского авиационного института

© МАИ, 1994-2024