Совершенствование гидродинамических способов защиты ракет-носителей и элементов стартовых сооружений от течений, образующихся при старте тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.07.06, кандидат технических наук Карпеченко, Анастасия Георгиевна

• Карпеченко, Анастасия Георгиевна
• кандидат технических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат технических наук Карпеченко, Анастасия Георгиевна

ВВЕДЕНИЕ.

1. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1. Актуальные задачи проектирования и эксплуатации стартовых сооружений ракет-носителей.

1.2. Анализ методов и результатов работ по исследованию аэрогазодинамических процессов, происходящих при старте РН в СС.

1.3. Цель и задачи работы.

1.4. Выводы по 1 главе.

2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАЗРАБОТКИ ГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ СПОСОБОВ ЗАЩИТЫ РН КА В СК.

2.1. Применение системного анализа.

2.2. Развитие методологии структурно-элементного моделирования газоструйных процессов.

2.3. Анализ физического моделирования течений, образующихся в СС.

2.4. Обзор результатов исследования течений несжимаемой жидкости.

2.4.1. Метод расчета турбулентного пограничного слоя.

2.4.2. Метод интегральных соотношений в теории турбулентных струй.

2.4.3. Методы решения гидродинамических задач.

2.4.4. Решение задач с помощью интегрального соотношения Кармана.

2.5. Исследование теплообмена в турбулентном слое смешения струи и пограничном слое на обтекаемой пластине.

2.5.1.Перенос тепла в свободных затопленных струях.

2.5.2. Теплообмен в турбулентном пограничном слое.

2.5.3. Интегральные уравнения теплового пристенного пограничного слоя.

2.5.4. Видоизмененная аналогия Рейнольдса.

2.6. Выводы по 2 главе.

3. ИССЛЕДОВАНИЕ ГИДРОГАЗОДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В СТАРТОВОМ СООРУЖЕНИИ.

3.1. Подача жидкости из перекрытия СС.

3.1.1. Разработка математической модели формирования гетерогенной струи в СС.

3.1.2. Смешение составной струи с охлаждающей жидкостью.

3.2. Подача жидкости по газоотражательному устройству СС.

3.3. Подача жидкости из боковых стенок газохода СС.

3.4. Определение количества испарившейся жидкости для ее различных вариантах подачи.

3.5. Выводы по 3 главе.

4. ПРИМЕНЕНИЕ СПОСОБОВ ОПТИМИЗАЦИИ ДЛЯ ПРОЕКТИРОВА

НИЯ СТАРТОВЫХ СООРУЖЕНИЙ.

4.1. Анализ методов оптимизации.

4.2. Метод геометрического программирования.

4.2.1. Основные понятия и расчетные формулы.

4.2.2. Общий случай ГП.

4.2.3. Решение задач ГП с ненулевой степенью трудности.

4.3. Определение минимальных размеров СС с помощью метода ГП.

4.3.1. Формулировка общей задачи проектирования.

4.3.2. Пример расчета характеристик СС идеализированной схемы.

4.4. Выводы по 4 главе.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Совершенствование гидродинамических способов защиты ракет-носителей и элементов стартовых сооружений от течений, образующихся при старте»

Актуальность задачи. При проектировании стартовых сооружений (СС) с целью обеспечения безопасного и надежного старта ракет - носителей (РН) необходимо знать закономерности аэрогазодинамических процессов, возникающих при взаимодействии струй ракетных двигателей (РД) с газоотражательными устройствами (ГУ) пусковых установок (ПУ). Достаточно подробное изучение процессов, сопутствующих старту, вызвано существенным силовым и тепловым воздействием образующихся течений на ГУ ПУ и ракеты. Это воздействие входит в число основных факторов, варьированием которых решается задача оптимизации при выборе конструктивных характеристик СС.

Важный вклад в решение проблем стартовой газодинамики внесли работы, выполненные в научно-исследовательских институтах (ЦНИИмаш, ЦАГИ и др.), конструкторских бюро (РКК «Энергия» и др.), ряде учебных заведений (БГТУ «ВОЕНМЕХ», МГТУ им. Н.Э. Баумана, МАИ, ОмГТУ и

ДР-)

Характеризуя в целом достигнутый уровень изучения вопросов стартовой газодинамики, можно отметить, что в основных чертах были выявлены и содержательно описаны за небольшим исключением наиболее существенные газогидродинамические процессы, сопутствующие стартам ракет различного назначения. Тем не менее, тенденция к расширению и углублению исследований в области стартовой газодинамики сохраняется, так как имеются нерешенные вопросы, затрудняющие разработки перспективных комплексов или использование современных для старта более мощных ракет.

Одной из важных научно-технических задач, которую в целом еще предстоит решить, является задача построения универсального программного обеспечения газодинамических расчетов при старте РН. При этом часто требуется рассматривать возможности использования имеющихся СС под пуски более мощных ракет. Приходится выявлять резервы надежности строящихся СС, когда изменяются характеристики разрабатываемых ракет, но отсутствуют возможности внесения изменений в проектные параметры СС. Кроме того, экономически целесообразным для перспективных СС является уменьшение их геометрических характеристик. Появившиеся к настоящему времени работы основывались, в основном, на аэрогазодинамических способах защиты корпусов РН. Что касается подачи жидкости в СС, то результатами работ, выполненных в ЦНИИмаш при изучении старта РН «Зенит» и «Ангара», являются установленные характеристики жидкости, подаваемой к оси струй РД или на ГУ, например, ее расход превышает в 1,5 расход топлива РД. Несомненным достоинством таких способов подачи жидкости является защита всех элементов СС. Однако для конкретной задачи защиты стартующего РН такие эмпирические рекомендации имеют ограниченный диапазон их применимости, особенно для перспективных СС.

Цель работы. Целью диссертации является совершенствование гидродинамических способов защиты ракет - носителей и элементов стартовых сооружений от течений, образующихся при старте, использование которых позволит предотвратить воздействие на их корпус течений, возникающих при старте. Указанной цели подчинены следующие задачи.

1. Определение физической картины течений и изучение основных механизмов газогидродинамических процессов, происходящих при старте РН при различных вариантах подачи жидкости в СС.

2. Разработка моделей структур течений и осуществление для них математического моделирования на базе интегральных методов.

3. Анализ различных способов гидродинамической защиты корпуса РН и определение оптимальных конструктивных характеристик СС.

Научная новизна.

1. Применен комплексный подход к решению газогидродинамических задач, возникающих при проектировании СС для старта РН, на основе системотехнических принципов и концепции структурно-элементного моделирования газоструйных процессов.

2. Выявлены основные механизмы газогидродинамических процессов при старте РН: распространение газовых течений и потоков жидкости в СС и их взаимодействие между собой.

3. Созданы математические модели, адекватно учитывающие основные факторы, влияющие на происходящие процессы.

Практическое значение.

Разработанное программное обеспечение расчетов газогидродинамических процессов, характеризующееся достаточным быстродействие, может быть применено для автоматизации проектирования СС. На основе методов оптимизации и конструктивных патентоспособных разработок разработаны практические рекомендации по проектированию СС.

Методы исследования.

Использованы фундаментальные методы механики жидкости и газа, имеющих строгие математические и физические обоснования и широко апробированных в различных областях исследования. В работе применяются интегральные методы расчета струйных течений, успешно применяемых для аналогичных задач. Результаты расчетов по представленным методикам дают удовлетворительное согласование с экспериментальными и расчетными данными других авторов.

Достоверность результатов.

Достоверность полученных в диссертационной работе результатов обусловлена использованием фундаментальных методов механики жидкости и газа, имеющих строгие математические и физические обоснования и широко апробированных в различных областях исследования. В работе применяются интегральные методы расчета струйных течений, успешно применяемых для аналогичных задач. Результаты расчетов по представленным методикам дают удовлетворительное согласование с экспериментальными и расчетными данными других авторов.

Реализация результатов.

Полученные к настоящему времени основные результаты могут найти применение в организациях отрасли КБТМ, КБОМ, ЦНИИмаш (г. Москва), КБСМ (г. Санкт-Петербург) и других для построения программного обеспечения гидродинамических расчетов, сокращения объемов проведения научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ по проектированию СС и оптимизации их конструктивных параметров. Кроме того, результаты диссертационной работы уже используются на аэрокосмическом факультете ОмГТУ в курсовом и дипломном проектировании, а также при проведении занятий по ряду специальных курсов.

Апробация работы.

Наиболее существенные результаты работы: докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях в 2003 - 2004 гг. в гг. Казани, Миассе, Новосибирске, Санкт-Петербурге, Москве, Красноярске, Ижевске, Омске, на научно-технических семинарах кафедр «Автоматические установки», «Авиа- ракетостроения», «Стандартизация и сертификация» аэрокосмического факультета ОмГТУ.

Публикации.

По теме диссертации опубликованы 13 печатных работ, предложенные конструктивные разработки защищены 3 патентами на полезные модели.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, 4-х разделов с выводами, заключения с изложением основных результатов, содержит 149 страниц машинописного текста, проиллюстрированных 33 рисунками, и библиографический список из 145 наименований и 2-х приложений.

Заключение диссертации по теме «Наземные комплексы, стартовое оборудование, эксплуатация летательных аппаратов», Карпеченко, Анастасия Георгиевна

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Достигнута поставленная цель, заключающаяся в исследовании взаимодействия газовых течений, возникающих в СС, и потоков жидкости для предотвращения теплового воздействия горячих газов на корпус стартующей РН. На основе анализа экспериментально - теоретических исследований уточнены основные газогидродинамические процессы взаимодействия газовых течений с потоками жидкости, которая может подаваться из перекрытия СС, по ГУ и из боковых стенок газохода.

2. В соответствии с выявленными механизмами процессов и пространственной картиной течения разработаны следующие модели структур: слоев смешения гетерогенной сверхзвуковой струи РД и полуограниченной струи, распространяющейся по ГУ СС, а также результирующего течения после взаимодействия обратного течения и потока жидкости.

3. Составлены математические модели для создания вычислительных алгоритмов и программ, предназначенные для проведения полного расчета газогидродинамических процессов на ЭВМ за время, не превышающее 20 сек.

4. На базе метода геометрического программирования разработаны рабочие программы по определению минимальных размеров СС, обеспечивающих безопасный старт РН. Вычислительное время соответствующей программы одного варианта определяющих параметров системы «РН - СС» составляет меньше 1 минуты. Для нулевой степени трудности получено аналитическое решение задачи проектирования. В результате вычислительного эксперимента установлено, что для реальных параметров РД угол встречи струй с ГУ СС может составить 45 градусов.

5. Для предотвращения теплового воздействия течений на корпус стартующей РН разработаны практические рекомендации по проектированию СС, новизна и полезность которых подтверждена тремя патентами на полезные модели.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Карпеченко, Анастасия Георгиевна, 2005 год

1. ГОСТ 23281-78. Аэродинамика летательных аппаратов. Термины, определения и буквенные обозначения.

2. ГОСТ 23199-78. Газодинамика. Буквенные обозначения основных величин.

3. Космонавтика: Энциклопедия / Гл. ред. В.П. Глушко. М.: Сов. Энциклопедия, 1985.-528с.

4. Прикладные проблемы механики и теплообмена стартового оборудования ракетно-космической техники: Тез. докл. Всерос. научн. конф. «Старт -99». М.: Изд-во МГТУ, 1999. - 167 с.

5. Белошенко Б.Г., Кудрявцев О.Н., Сафронов А.В., Хотулев В.А., Шилов JT.A. Использование в новых экономических условиях опыта экспериментальной отработки газодинамики старта и ее дополнение элементами математического моделирования: Там же, с. 32 36.

6. Лапыгин В.И., Сафронов А.В., Хотулев В.А. Методы математического моделирования в исследованиях проблем старта ракет носителей: Ж. «Космонавтика и ракетостроение», № 17, 1996, с. 74 - 85.

7. Кудрявцев О.Н., Сафронов А.В., Хотулев В.А. Особенности экспериментальной отработки газоотражателей с близким к критическому углом при их вершине с использованием струй холодного воздуха: Там же, с. 67 -75.

8. Каторгин Б.И. Перспективы создания мощных жидкостных ракетных двигателей: Вестник РАН, том 74, № 3, 2004, с. 499 506.

9. Новиков В.Н. и др. Основы устройства и конструирования летательных аппаратов: Учебник для студентов высших учебных заведений / Новиков

10. B.Н., Б.М. Авхимович, В.Е. Вейтин. -М.: Машиностроение, 1991. -368 с.

11. Дулов В.Г., Лукьянов Г.А. Газодинамика процессов истечения. Новосибирск: Наука, 1984. 234с.

12. Газодинамика сверхзвуковых неизобарических струй./ Авдуевский B.C., Ашратов Э.А., Иванов А.В., Пирумов У.Г. М.'Машиностроение, 1989. -320с.

13. Лукьянов Г.А. Сверхзвуковые газовые струи: Обзор теоретических и экспериментальных работ. // Сверхзвуковые газовые струи. Новосибирск, Наука, 1983. С. 3-21.

14. Теория турбулентных струй / Абрамович Г.Н., Гиршович Т.А., Крашенинников С.Ю. и др.; под ред. Г.Н. Абрамовича. 2-е изд., перераб. и доп. -М.: Наука, 1984.-720 с.

15. Структурно-элементный метод расчета газоструйных процессов. // Математическое моделирование. / Афанасьев Е.В., Балобан В.И., Бобышев

16. C.В., Добросердов И.Л. М.: РАН, 1998. - Т. 10, № 1 -С. 31-43.

17. Модель осредненного турбулентного движения газа.// Математическое моделирование / Афанасьев Е. В., Бобышев С. В., Добросердов И. Л. М.: РАН, 1999. - Т. 11, № 1. - С.75-88.

18. Бобышев С.В., Добросердов И.Л. Идентификационное моделирование процессов на неизобарическом участке турбулентной струи.// СО АН СССР. Моделирование в механике. 1987. - Т.1(18), №6. - С.3-13.

19. Афанасьев Е.В., Балобан В.И., Бобышев С.В., Добросердов И.Л. Структурно — элементное моделирование газодинамических процессов при старте ракет / Балт. гос. техн. ун-т. СПб., 2004, 416 с.

20. Доуз Д., Jlu В. Тепловой поток от падающей на преграду струи ракетного двигателя. // Ракетная техника и космонавтика. 1965. - № 1. - С. 255-257.

21. Исследование газодинамики течения в области взаимодействия струи с наклонной преградой. / Ермолаев И.К., Мезенцев А.В., Фадеев В.А., Юда-ев Б.Н. // Известия ВУЗов. Машиностроение. 1977. - №11. - С. 100 -104.

22. Юдаев Б.Н. и др. Теплообмен при взаимодействии струй с преградами. / Юдаев Б.Н., Михайлов М.С., Савин В.К. М.,Машиностроение, 1977. — 247 с.

23. Сафронов А.В. Экспериментальное исследование силового и теплового воздействия на преграды при лобовом натекании на нее турбулентного струйного потока продуктов сгорания топлива // Космонавтика и ракетостроение. М., 1995. - №3. - С.28-32.

24. Карпов В.А. Теплообмен в критической точке и ее окрестности при обтекании тел турбулентным потоком // Известия АН СССР . Механика жидкости и газа. 1975. - №4.-С.177-181.

25. Дыбан Е.М., Мазур А.Н. Конвективный теплообмен при струйном обтекании тел. Киев: Наукова думка, 1985. - 467 с.

26. Голомазов М.М., Ежков В.В. О взаимодействии затопленных струй с преградами. // Механика жидкости и газа. 1979. - №5. - С. 152 - 155.

27. Белов И.А. Взаимодействие неравномерных потоков с преградой. JL, Машиностроение , 1983. - 144 с.

28. Усков В.И. Интерференция стационарных газодинамических разрывов. // Сверхзвуковые газовые струи. Новосибирск: Наука, 1983. - С. 22-45.

29. Авдуевский B.C., Иванов А.В., Карпман И.М. и др. Структура турбулентных недорасширенных струй, вытекающих в затопленное пространство и спутный поток. / Авдуевский B.C., Иванов А.В., Карпман И.М. и др. II Механика жидкости и газа. 1972. - №3.

30. Турбулентное смешение газовых струй. / Абрамович Г.Н., Крашенников С.Ю., Секундов А.Н., Смирнова И.М. -М.: Наука, 1974.

31. Некоторые вопросы взаимодействия составных струй. / Гинзбург И.Н., Баланин Б.А., Александров В.И, Максимов В.Ф. II Газодинамика и теплообмен: сб. № 2. 1970. - №357. - С. 73-81.

32. Сизое A.M. Составные сверхзвуковые струи. // Сверхзвуковые газовые струи. Новосибирск: Наука, 1983. - С. 85-102.

33. Рудое Ю.М. Многоструйное взаимодействие с преградами. // Сверхзвуковые газовые струи. Новосибирск: Наука, 1983. - С. 155-162.

34. Турбулентность / П. Брэдшоу, Т. Себеси, Г.-Г. Фернгольц и др.; Под ред. П. Брэдшоу: Пер. с англ. М.: Машиностроение, 1980. - 343 с.

35. Турбулентность. Принципы и применение / Под ред. У. Фроста и Т. Мо-улдена: Пер. с англ. М.: Мир, 1980. - 536 с.

36. Методы расчета турбулентных течений / Под ред. В. Коллъмана: Пер. с англ. М.: Мир, 1984. - 464 с.

37. Лапин Ю.В. Турбулентный пограничный слой в сверхзвуковых потоках газа. 2-е изд., перераб. - М.: Наука, 1982. - 312 с.

38. Гинзбург И.П. Теория сопротивления и теплопередачи. JI.: ЛГУ, 1970.375 с.

39. Рейнольде А. Дж. Турбулентные течения в инженерных приложениях -М.: Энергия, 1979.-408 с.

40. Ротта И.К Турбулентный пограничный слой в несжимаемой жидкости. Л.: Судостроение, 1967. - 232 с.

41. Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя. М.: Наука, 1974. - 711 с.

42. Соколов Е.Я., Зингер Н.М. Струйные аппараты. Изд. 2-е. - М.: Энергия, 1970.-288 с.

43. Математическое моделирование нелинейных термогидрогазодинамиче-ских процессов в многокомпонентных струйных течениях. / Холпанов Л.П., Запорожец Е.П., Зиберт Г.К., Кашицкый Ю.А. — М.: Наука, 1998. — 320 с.

44. Абрамович Г.Н. и др. Турбулентные течения при воздействии объемных сил и неавтомодельности. / Абрамович Г.Н., Крашенинников С.Ю., Секун-дов А.II. -М.: Машиностроение, 1975. -96 с.

45. Ашрамов Э.А., Волконская Т.Г., Росляков Г.С. и др. Исследование сверхзвуковых течений в струях // Некоторые вопросы применения метода сеток в газовой динамике, 1974. Вып. 6. С. 241 -407.

46. Глазнев В.Н., Сулейманов 111. Газодинамические параметры слабонедо-расширенных свободных струй. Новосибирск: Наука, 1980, 122 с.

47. Баланин Б.А., Шляхтина КМ. К расчету присоединенной массы на начальном участке нерасчетной сверхзвуковой струи. // Газодинамика и теплообмен: сб. № 3. 1973. - №369. - С. 101-105.

48. Зеленков О.С. Коэффициент трения и присоединенная масса сверхзвуковой струи. // Газодинамика и теплообмен: сб. № 3. - 1973. - №369. - С. 105-113.

49. Исаков А.Л., Степанов А. С. О расчете присоединенной массы сверхзвуковой газовой струи. // Газодинамика и теплообмен: сб. № 5. - 1977. -№393. - С. 365-370.

50. Вулис Л.А., Кашкаров В.П. Теория струй вязкой жидкости. М.: Наука, 1965.-431 с.

51. Белицкий В.Д., Сазанов В.И. Истечение сверхзвуковой струи в несимметричный газоотводящий канал // Динамика систем автоматических установок. Омск, 1986.-С. 52-5552