Особенности проектирования выворачивания металлических диафрагм-разделителей топливных баков большой протяженности

Двигатели, энергетические установки и системы жизнеобеспечения летательных аппаратов

Научные направления высшей школы : тез. докл. НТП М-ва. образования РФ. М. : Изд-во МАИ, 2002.

3. Расчет потока в криволинейных полостях вращения (Spherical Slot) : свидетельство об офиц. регистрации прогр. для ЭВМ № 2002611792 от 18.10.2002 г. / Д. А. Жуйков, А. А. Кишкин, М. В. Краев, Д. В. Черненко, М. Г. Мелкозеров. Красноярск, 2002.

4. Кишкин А. А., Краев М. В., Карасев В. П. Оценка момента сопротивления на корпусе малорасходного насоса // Известия вузов. Авиационная техника. 1992. № 3. С. 40-44.

5. Кишкин А. А., Краев М. В., Майдуков А. В. Вращение диска в потоке, закрученном по закону твердого тела // Известия вузов. Авиационная техника. 1996. № 4. С. 42-47.

D. A. Zhuykov

Siberian State Aerospace University named after academician M. F. Reshetnev, Russia, Krasnoyarsk

THEORETICAL RESEARCHES OF A SMALL DISCHARGE DISK PUMP MATHEMATICAL MODEL FOR AVIATION AND SPACE SYSTEMS

Theoretical researches of the flow between two spinning disks as a particular case of the flow have been carried out on the basis of the software for designing the flow in the lateral chamber of the centrifugal pump.

© ^yifeoB fl. A., 2010

УДК 621.45.04.4

В. Ю. Журавлев

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

ОСОБЕННОСТИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ВЫВОРАЧИВАНИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ДИАФРАГМ-РАЗДЕЛИТЕЛЕЙ ТОПЛИВНЫХ БАКОВ БОЛЬШОЙ ПРОТЯЖЕННОСТИ

Рассматривается математическая модель процесса ного бака космического летательного аппарата.

Развитие и совершенствование ракетно-космической техники продолжается для изучения и освоения космического пространства, расширения исследований по применению космических средств при изучении природных ресурсов земли, в метеорологии, навигации, связи и других нужд материального производства. К летательным аппаратам ракетно-космических систем предъявляются особо высокие требования по параметрам, условиям работы и надежности при широком спектре выполняемых программ. Реализация поставленных задач определяет необходимость дальнейшего совершенствования теории процессов, протекающих в системах подач ракетно-космических модулей, что повышает качество проектирования, ускоряет отработку и сдачу более современных систем ракетно-космической техники в эксплуатацию.

Для решения большинства поставленных задач необходимо применение топливных баков увеличенного объема с вытеснительной системой подачи при гарантированном разделении газовой и жидкостной фаз. Такие баки применяются в системах коррекции и стыковки транспортных систем, в системах ориентации и стабилизации ступеней ракеты.

Важнейшим условием нормальной работы агрегатов космического летательного аппарата является непрерывность подачи компонентов. Непрерывность подачи компонентов может быть нарушена при нали-

выворачивания металлического разделителя топлив-

чии газовых пузырей в топливноподающих магистралях, например, при запуске в условиях невесомости или вследствие временного оголения заборного устройства, при маневре летательного аппарата. Для разграничения газовой и жидкостной фаз успешно применяется механические разделители. Механические разделители можно условно разделить на два больших класса: эластичные (неметаллические) и металлические. Неметаллические разделители выполняются из пластических материалов, стойких к компонентам, ассортимент которых ограничен. При кажущейся простоте схемы они достаточно сложны в реальном конструктивном исполнении. При небольшом перепаде давления между газовой подушкой и жидким компонентом положение разделителя, а следовательно, и жидкого компонента, может быть строго определено только при дополнении разделителя специально сконструированными приспособлениями. Дополнительные детали необходимы также для сбора компонента и надежной подачи его к заборной горловине. Форма эластичного разделителя в расправленном состоянии должна соответствовать форме бака, поэтому раскрой материала для последующей сварки оболочки или сшивание чехла может быть сложным даже для простой формы бака. Увеличение размера разделителя может привести к прекращению подачи компонента. Уменьшение размера разделителя приводит к увеличению объема незабранного компонента.

Решетневские чтения

Процесс снаряжения топливного бака эластичным разделителем и последующая заправка бака топливом сложны. Во время заправки и при испытаниях могут появиться дефекты, перебои дренирования, ложная негерметичность. Пленочные материалы, применяемые в настоящее время, не гарантируют работу в течении длительного времени. По этим причинам несколько более распространены металлические разде -лители. Они, в большинстве своем, строго определяют положение жидкости в любой момент работы, гарантируют долговечность при контакте с компонентами, разнообразны по своей конструкции. Схема бака приведена на рис. 1.

Рис. 1. Схема двухкомпонентного бака

Разработанная технология проектирования металлических пластически выворачивающихся разделителей с пологой формой и близкой к сферической по -зволяет существенно снизить стоимость проектирова -ния. Решение задачи доведено до инженерного, с определением параметров выворачивания с точностью до постоянных коэффициентов на основе энергетического принципа:

\ХЯУ^ <Т, \HУУ,

F V

где Хщ - поверхностная нагрузка; У^ - скорость перемещения поверхности; F - движущаяся в результате деформации поверхность; т - предел текучести при сдвиге; Н - кинематически возможная интенсивность скоростей деформации; V- объем пластической зоны.

К основным параметрам процесса выворачивания относятся: перепад давления на разделителе, радиус зоны пластического деформирования, деформации разделителя по основным направлениям, начальная и конечная формы разделителя.

Применение математической модели при проектировании разделителя емкости дает еще одно преимущество: оно позволяет проводить оптимизацию кон -струкции разделителя по заданным критериям, с использованием хорошо разработанных математических методов оптимизации. К основным критериям отно-

сятся: форма топливного бака, допустимый перепад давления на разделителе, минимальная толщина раз -делителя, коэффициент заполнения топливного бака компонентом, допустимый остаток невытесненного в процессе работы компонента, допустимое отклонение от оси симметрии в процессе выворачивания раздели -теля центра масс топливного бака.

Реализация математической модели в программ -ном обеспечении позволяет осуществить большинст-во расчетов, связанных с процессом выворачивания разделителя, и получить ряд другой важной информации. В программе осуществлено сравнение теоретических данных с полученными экспериментально, что позволяет выявить особенности и проблемы процесса выворачивания диафрагмы-разделителя.

Повышение продолжительности работы космических аппаратов на орбите требует увеличения объема топливных баков при неизменных поперечных размерах. Это ведет к увеличению продольных размеров баков за счет появления протяженных участков образующей слабонаклоненных к оси вращения (рис. 2, зона 3).

Экспериментальные и теоретические исследования процесса выворачивания разделителей для таких баков выявили следующее:

- процесс пластического деформирования в зоне 2 (рис. 2) происходит на поверхности, близкой к торо-вой, с углом тора около 180°;

- напряженно-деформированное состояние зон 1 и 3 близко к безмоментному, в зоне 2 - моментное;

- при выворачивании разделитель имеет неустойчивое равновесие и две группы форм потери устойчивости: формы потери устойчивости торовой поверх -ности в зоне 2, формы потери устойчивости в зоне 3 на участках цилиндрического профиля и конического с углом конусности, близким к 0.

По результатам проведенных исследований напряженно-деформированного состояния и устойчивости разделителя выработаны рекомендации и ограничения по проектированию разделителей для протяженных форм баков вдоль образующей.

V. Yu. Zhuralev

Siberian State Aerospace University named after academician M. F. Reshetnev, Russia, Krasnoyarsk

PARTICULARITIES OF DESIGNING OF METALLIC DIAPHRAGM-SEPERATORS REVERSING OF FUEL TANKS OF HIGH EXTENT

In the article mathematical model of the metallic separator reversing offuel tank of the spacecraft is considered.

© Журавлев В. Ю., 2010