Исследование устойчивости цилиндрических диафрагм-разделителей топливных баков

Двигатели, энергетические установку и системы жизнеобеспечения летательныхi аппаратов

M. V. Kraev, I. S. Proteven Siberian State Aerospace University named after academician M. F. Reshetnev, Russia, Krasnoyarsk

EXPERIMENTAL RESEARCH OF UNSTEADY TURBULENT FLOW IN A CENTRIFUGAL FIELD

A description of the methodology for conducting experimental researches of turbulent flows in the field of centrifugal forces on the impeller pump and semi-open type is given.

© Краев М. В., Протевень И. С., 2010

УДК 621.45.04.4

М. В. Кубриков, В. Ю. Журавлев

Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева, Россия, Красноярск

ИССЛЕДОВАНИЕ УСТОЙЧИВОСТИ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ДИАФРАГМ-РАЗДЕЛИТЕЛЕЙ ТОПЛИВНЫХ БАКОВ

Представлен результат исследования устойчивости выворачивающихся цилиндрических диафрагм-разделителей топливных баков космических аппаратов на основе использования энергетического принципа.

Обеспечение бесперебойной работы и эксплуатационной надежности жидкостных ракетных двигателей можно отнести к актуальным направлениям теоретических и экспериментальных исследований в области космического машиностроения. Для решения большинства космических задач необходимы двигатели малых тяг, многократно запускаемые в условиях невесомости с увеличенным сроком их использова-ния. Случаи аварийных ситуаций жидкостных ракетных двигателей космических аппаратов возникают из-за неравномерной подачи компонентов топлива, попадания газовых пузырей в топливные магистрали. Это послужило основанием для целенаправленных научно-исследовательских работ в области проектирования и эксплуатации топливных баков.

Проектирование топливных баков с металлическими диафрагмами-разделителями с высокими эксплуатационными характеристиками, представляется актуальной проблемой. Проектирование топливных баков с участками образующей с малыми углами наклона позволит увеличить объем баков при неизменном диаметре.

Основной задачей исследования является разработка научно обоснованных методов и критериев пластического течения материала для конструкций топливных баков с выворачивающимися диафрагмами-разделителями при малых углах наклона образующей на основании энергетического принципа с использованием принципа кинематически возможных скоростей. На основе разработанной модели пластического течения материала диафрагмы-разделителя решена задача проектирования диафрагм-разделителей в составе топливных баков с участком цилиндрической образующей при необходимости гарантированного разделения жидкой и газообразной фаз.

При разработке математической модели процесса выворачивания при малых углах наклона образующей, сформулированы физические и геометрические допущения по процессу выворачивания диафрагмы-разделителя.

Для определения параметров процесса выворачивания используется экстремальный принцип для идеально пластического тела и уравнение, характеризующее минимальные свойства действительного поля скоростей:

jX„,VnidF <%s jH'dV.

Одной из основных причин, определяющих невозможность использования диафрагм-разделителей, выполненных по данным схемам, является потеря устойчивости их форм. Наиболее опасной является зона, определенная конической и цилиндрической частью.

Величина критического давления, при котором происходит потеря устойчивости цилиндрического участка диафрагм-разделителей, выполненных идеально, определяется по формуле

P =

1 КР

kES 5

Изменение длины цилиндра чрезвычайно сильно сказывается на уменьшении величины критического давления потери устойчивости.

Разработана модель определения положения срединной поверхности диафрагмы-разделителя на любом этапе выворачивания. Координаты основных точек зоны перекатывания определяются способом шагового программирования по заданному шагу смеще-

Решетневские чтения

ния зоны перекатывания. По положениям точек зоны перекатывания определяется приращение вытесненного объема. Конечная форма вывернутой диафрагмы-разделителя определялась по огибающей, соединяющей наружные точки зоны перекатывания, полученной на каждом шаге выворачивания.

По результатам исследования разработано программное обеспечение для расчета и проектирования выворачивающихся металлических диафрагм-разделителей двигательных установок топливных баков космических аппаратов на основе использования энергетического принципа.

Основным достоинством программы является визуализация начальной, промежуточных и конечной форм проектируемой диафрагмы-разделителя в зависимости от места крепления в топливном баке относительно внутренней поверхности стенок бака. Это позволяет оперативно менять геометрические параметры участков образующей и место крепления разделителя в баке для достижения максимальной эффективности использования его объема и исключения случаев прекращения процесса выворачивания при сминании стенки разделителя внутренними поверхностями топливного бака летательного аппарата.

M. V. Kubrikov, V. Yu. Zhuralev Siberian State Aerospace University named after academician M. F. Reshetnev, Russia, Krasnoyarsk

RESEARCH ON STABILITY OF CYLINDRICAL DIAPHRAGM-SEPARATOR OF FUEL TANKS

The result of research of stability of turned inside out cylindrical diaphragms-separators fuel tank cosmic device with use the energy principle is presented.

© Кубриков М. В., Журавлев В. Ю., 2010

УДК 629.09:629.78

А. А. Логанов, А. В. Леканов, В. В. Двирный

ОАО «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнева», Россия, Железногорск

ОСОБЕННОСТИ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЗАДАННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ЭЛЕКТРОНАСОСНОГО АГРЕГАТА ДВУХФАЗНОЙ СИСТЕМЫ ТЕРМОРЕГУЛИРОВАНИЯ

Рассмотрены условия функционирования насосного агрегата в активной двухфазной системе терморегулирования космических аппаратов. Раскрыта основная проблема обеспечения выполнения целевой функции насосного агрегата - нестабильность расходонапорной характеристики - и предложен вариант решения этой проблемы путем определения наружного диаметра рабочего колеса насосного агрегата по условию минимизации эффекта нестабильности характеристики.

Одним из магистральных направлений современного этапа развития бортовых систем космических аппаратов связи является применение двухфазной системы терморегулирования (СТР), использующей переход «жидкость-пар», имеющий бесспорные преимущества по сравнению с чисто жидкостной системой. Однако использование двухфазного теплоносителя связано со следующими издержками [1]:

- значительным уменьшением расхода теплоносителя при значительном увеличении перепада давления;

- значительным (в 1,5-2 раза) снижением максимального КПД ЭНА.

На двенадцати вариантах ЭНА, разработанных в ОАО «ИСС» имени академика М. Ф. Решетнева», было исследовано поведение характеристик центробежных ЭНА за пределами традиционно используемого диапазона расчетных режимов, т. е. в области высоких давлений и малых подач.

Для характеристики расчетного режима работы ЭНА разных типов в сопоставимых параметрах использован параметр быстроходности п8 [2; 3]:

n.s = 193,3 HOQT,

„-1.

где ю - угловая скорость ротора, с '; Q - объемный расход, м3/с; Н - напор ЭНА на расчетном режиме, Дж/кг.

Ранее отмечалось [1-3], что центробежные ЭНА с п5 менее 40 используются и, соответственно, проектируются редко. Одна из основных причин состоит в трудности определения геометрических параметров, способных обеспечить требуемые характеристики. Кроме того, характеристика центробежных ЭНА с п5 менее 40 в зоне предельных напоров имеет участок неустойчивости [3], что на практике выражается в отсутствии прироста напора Н при уменьшении подачи Q.

Воспользовавшись одной из зависимостей из работы [4] для пересчета характеристик центробежных ЭНА с одинаковым значением коэффициента быстроходности п5, но с различными геометрическими параметрами и частотой вращения ротора