МАТЕМАТИЧНЕ МОДЕЛЮВАННЯ ПЕРЕХІДНИХ ПРОЦЕСІВ У СИСТЕМІ ЖИВЛЕННЯ МАРШОВОЇ РІДИННОЇ ДВИГУННОЇ УСТАНОВКИ ВЕРХНЬОГО СТУПЕНЯ РАКЕТИ-НОСІЯ «ЦИКЛОН-4М»

О. Пилипенко; С. Долгополов; О. Ніколаєв; Н. Хоряк

doi:10.15407/scine20.01.049

Автор(и)

О. Пилипенко Інститут технічної механіки Національної академії наук України і Державного космічного агентства України https://orcid.org/0000-0002-7583-4072
С. Долгополов Інститут технічної механіки Національної академії наук України і Державного космічного агентства України https://orcid.org/0000-0002-0591-4106
О. Ніколаєв Інститут технічної механіки Національної академії наук України і Державного космічного агентства України https://orcid.org/0000-0003-0163-0891
Н. Хоряк Інститут технічної механіки Національної академії наук України і Державного космічного агентства України https://orcid.org/0000-0002-4622-2376

DOI:

https://doi.org/10.15407/scine20.01.049

Ключові слова:

Ключові слова: верхній ступінь ракети-носія, маршовий рідинній ракетний двигун і його система живлення, рідинна реактивна система, перехідні процеси, запуск та зупинка двигуна, математичне моделювання.

Анотація

Вступ. Розробка ДП «КБ «Південне» космічної ракети-носія (РН) «Циклон-4М» є важливим напрямом роботи космічної галузі України. Одним з інноваційних способів живлення є живлення рідинної реактивної системи (РРС) з паливних магістралей маршового двигуна (МД).
Проблематика. Для реалізації зазначеного способу живлення РРС необхідно забезпечити стійкість роботи РРС при гідравлічних ударах та провалах тиску компонентів палива під час запуску й зупинки МД. Для цього виконують математичне моделювання перехідних процесів у маршовій двигунній установці при її запуску та зупинці.
Мета. Розрахункове визначення параметрів перехідних процесів у паливних магістралях маршового двигуна верхнього ступеня РН «Циклон-4М» з урахуванням впливу МД на роботу РРС внаслідок об’єднання магістралей їх живлення.
Матеріали й методи. Використано методи теорії автоматичного регулювання, імпедансний метод та методи чисельного моделювання неусталеного руху газонасичених рідин.
Результати. Проведено математичне моделювання перехідних процесів у спільній системі живлення МД та РРС верхнього ступеня РН «Циклон-4М» при запуску та зупинці МД. При розробці математичної моделі систем живлення двигунної установки були використані їхні частотні характеристики як систем із розподіленими та зосередженими параметрами, узгоджені у визначеному частотному діапазоні. Проведено розрахунки запуску та зупинки МД. Показано задовільне узгодження експериментальних та розрахункових значень власних частот коливань рідини, піків тиску при гідравлічних ударах і особливостей гідравлічного удару (горизонтальні полиці тиску при розриві суцільності рідини).
Висновки. Розроблено і протестовано нелінійну математичну модель низькочастотної динаміки двигунної установки верхнього ступеня РН «Циклон-4М», яку може бути використано для прогнозу залежностей тисків компонентів палива на вході в РРС від часу при запуску та зупинці МД, коли у спільній системі живлення МД та РРС реалізуються
екстремальні для РРС режими роботи.

Завантаження

Дані завантаження ще не доступні.

Посилання

National target scientifi c and technical space program of Ukraine for 2021—2025. http://materialy.kmu.gov.ua/af3b841c/ docs/2b0a8327/Dodatok.pdf. (Last accessed: 25.04.2023) [in Ukrainian].

Space rocket systems. Launch vehicle Cyclone-4M. https://web.archive.org/web/20170727111416/http://yuzhnoye. com/ua/technique/launch-vehicles/rockets/cyclone-4m/ (Last accessed: 25.04.2023) [in Ukrainian].

Durachenko, V. M., Shpak, A. V., Kolesnichenko, S. A., Ageeva, L. I., Dolinkevich, A. S., Unchur, K. A. (2020). Problems and ways to solve them in the process of developing a liquid low-thrust jet engine for liquid rocket system of the 3rd stage of the Cyclone-4 launch vehicle. Space Sci. & Technol., 26, 1(122), 18—29. https://doi.org/10.15407/knit2020.01.018 [in Russian].

Timoshenko, V. I., Knyshenko, Yu. V., Durachenko, V. M., Anishchenko, V. M. (2016). Issues of testing the control liquid propulsion system powered from the lines of the main engine of the last stage of the launch vehicle. Space Sci. & Technol., 22(1), 20—35 [in Russian]. https://doi.org/10.15407/knit2016.01.020

Timoshenko, V. I., Knishenko, Yu. V., Durachenko, V. M., Asmolovsky, S. Yu. (2020). Analysis of the robotic reactive engines of the upper stage of the Cyclone-4M launch vehicle during launches and stages of the main engine. Technical mechanics, 2, 22—35. https://doi.org/10.15407/itm2020.02.022 [in Russian].

Pylypenko, O. V., Prokopchuk, A. A., Dolgopolov, S. I., Pisarenko, V. Yu., Kovalenko, V. N., Nikolayev, O. D., Khoryak, N. V. (2017). Features of mathematical modeling of low-frequency dynamics of a sustainer staged liquid-propellant rocket engine at start-up. Space Sci. & Technol., 23(5), 3—12. https://doi.org/10.15407/knit2017.05.003 [in Russian].

Pylypenko, O. V., Khoryak, N. V., Dolgopolov, S I., Nikolayev, O. D. (2019). Mathematical modeling of dynamic processes in hydraulic and gas paths at start-up of a staged liquid-propellant rocket engine. Technical mechanics, 4, 5—20. https://doi.org/10.15407/itm2019.04.005 [in Russian].

Pylypenko, O. V., Dolgopolov, S. I., Nikolayev, O. D., Khoryak, N. V. (2020). Mathematical modeling of the start-up of a multi-engine liquid rocket propulsion system. Technical mechanics, 1, 5—19. https://doi.org/10.15407/itm2020.01.005 [in Russian].

Dolgopolov, S. I., Zavoloka, A. N., Nikolayev, O. D., Sviridenko, N. F., Smolensky, D. E. (2015). Determination of the parameters of hydrodynamic processes in the propulsion system of the space stage during shutdowns and start-ups of the main engine. Technical Mechanics, 2, 23—36 [in Russian].

Belyaev, E. N., Chvanov, V. K., Chervakov, V. V. (1999). Mathematical modeling of the working process of liquid-propellant rocket engines. Moscow [in Russian].

Shevyakov, A. A., Kalnin, V. M., Naumenkova, M. V., Dyatlov, V. G. (1978). Theory of Rocket Engine Automatic Control. Moscow [in Russian].

Vasiliev, A. P., Kudryavtsev, V. M., Kuznetsov, V. A., Kurpatenkov, V. D., Obelnitsky, A. M., Polyaev, V. M., Poluyan, B. Ya. (1975). Fundamentals of the theory and calculation of liquid rocket engines. Moscow [in Russian].

Prisnyakov, V. F. (1983). Dynamics of liquid-propellant rocket propulsion systems and power systems. Moscow [in Russian].

Glikman, B. F. (1974). Automatic control of liquid-propellant rocket engines. Moscow [in Russian].

Charny, I. A. (1961). Unsteady fl ow of real fl uid in pipes. Moscow [in Russian].

Glikman, B. F. (1979). Unsteady fl ows in pneumohydraulic circuits. Moscow [in Russian].

Fox, D. A. (1981). Hydraulic analysis of unsteady fl ow in pipelines. Moscow [in Russian].

Pilipenko, V. V., Zadontsev, V. A., Natanzon, M. S. (1977). Cavitation oscillations and dynamics of hydraulic systems. Moscow [in Russian].

Dolgopolov, S. I. (2006). Mathematical modeling of fl uid dynamics in extended pipelines using hydrodynamic elements. Technical mechanics, 2, 114—120 [in Russian].

Pilipenko, V. V. (1989). Cavitation self-oscillations. Kyiv [in Russian].

Brennen, C. E., Meissner, C., Lo, E. Y., Hoff man, G. S. (1982). Scale eff ects in the dynamic transfer functions for cavitating inducers. ASME J. Fluids Eng., 104, 428—433. https://doi.org/10.1115/1.3241875.

Brennen, C. E. (2012). A Review of the Dynamics of Cavitating Pumps (IOP Conf. Ser.: Earth Environ. Sci. 15 012001 2012). 1—13. https://doi.org/10.1088/1755-1315/15/1/012001.

Pilipenko, V. V., Dolgopolov, S. I. (1998). Experimental and computational determination of the coeffi cients of the equation for the dynamics of cavitation cavities in inducer centrifugal pumps of various sizes. Technical mechanics, 8, 50—56 [in Russian].

Dolgopolov, S. I. (1995). Generalized experimental-calculated coeffi cient of inertial resistance of a liquid caused by reverse fl ows at the inlet of a inducer-centrifugal pump. Technical Mechanics, 4, 99—103 [in Russian].

Dolgopolov, S. I. (2007). Generalization of experimental stall pressures of cavitating inducer-centrifugal pumps of liquid propellant engines. Space technology. Missile weapons: 1. Dnepropetrovsk [in Russian].

Pilipenko, V. V., Dolgopolov, S. I., Zadontsev, V. A., Grabovskaya, T. A. (2008). Experimental and computational method for determining the cavitation functions of pumps. Problems of high-temperature technology. Dnepropetrovsk [in Russian].

Alemasov, V. E., Dregalin, A. F., Tishin, A. P. (1980). Theory of rocket engines. Moscow [in Russian].

Natanzon, M. S. (1977). Longitudinal self-oscillations of a liquid-propellant rocket. Moscow [in Russian].

Glikman, B. F. (1989). Automatic control of liquid rockets. Moscow [in Russian].