Физическая модель деформирования диафрагмы топливного бака при циклическом температурном воздействии

Ракетно-космические двигатели, энергетические установки и системы терморегулирования летательных аппаратов

УДК 621.45.04.4

А. С. Богомолов, В. Ю. Журавлев, М. В. Кубриков

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

ФИЗИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ДЕФОРМИРОВАНИЯ ДИАФРАГМЫ ТОПЛИВНОГО БАКА ПРИ ЦИКЛИЧЕСКОМ ТЕМПЕРАТУРНОМ ВОЗДЕЙСТВИИ

Представлена физическая модель деформирования разделителя при циклических колебаниях температуры компонента топлива.

Топливные баки с диафрагменным разделителем обладают повышенной стойкостью к механическим нагрузкам по сравнению с баками сильфонного типа. Это позволяет использовать их в перспективных космических аппаратах негерметичного исполнения, кроме того, они более технологичны в изготовлении по сравнению с сильфонными. Однако недостатком таких баков является малая стойкость диафрагмы к циклическим перемещениям, вызываемым температурным расширением жидкости при эксплуатации на орбите и хранении в заправленном состоянии, что может потребовать применения компенсаторов объема, усложняющих и утяжеляющих конструкцию.

Конструкторская отработка диафрагмы, проведенная предприятием - изготовителем бака, показала, что диафрагма может не выдерживать циклических нагрузок в начальном положении, соответствующем заправленному баку, начальное положение диафрагмы наиболее опасно для циклического перемещения.

Построение физической модели деформирования диафрагмы-разделителя топливного бака позволит установить целесообразность использования таких диафрагм при циклическом температурном воздействии.

В вытеснительной системе подачи монотопливной двигательной установки используется сферический топливный бак с металлическим выворачивающимся разделителем (диафрагмой). Диафрагма имеет поверхность полусферы, отбортованной по периферии торовой поверхностью. Температурные перекладывания диафрагмы вызываются:

1) объемным расширением (сжатием) жидкости внутри бака вследствие ее нагрева (охлаждения);

2) увеличением (уменьшением) длины центрального сечения диафрагмы вследствие ее нагрева (охлаждения).

Представляем расчетную схему деформирования разделителя.

1. Согласно рисунку, длина центрального сечения диафрагмы /д = р(Яд + 2гд), а длина центрального

сечения нижней полусферы бака 1б = пЯб. Так как

/д = 1б, т. е. полностью вывернутая диафрагма будет

лежать на нижней полусфере бака, то Яд + 2гд = Яб.

2. Объем жидкостной полости бака будет равен сумме объемов нижнего полушария радиусом Яб и

верхнего полушария радиусом Яд за вычитанием объема половины тора с радиусами гд и Яд + гд, т. е.

V =( £ *)-(- г.2( Я. - г,))+(31Я).

Расчетная схема диафрагмы: Яд и г — радиусы диафрагмы; Яб - радиус нижней полусферы бака

3. Так как Яд = Яб - 2гд , а радиус отбортовки гм принимаем конструктивно постоянным, например гд = а, заменим Яд и гд эквивалентами:

4Р 10

Гб =— Яб3 - 4лаЯб2 + 6па2Яб -у™3.

4. Приняв гд = а = 0,025 дм, получаем

Уб = 4,188• Я3 -0,314• Яб2 + 0,01178• Яб +1,63-10-4, л.

5. Изменение геометрических размеров жидкостной полости за счет линейного расширения материала бака (в случае если нижняя полусфера и диафрагма бака выполнены из одного материала) определяется по формуле

1б =Р-Яб,

тогда

/б = 1б [1 + а (т) ] , Яб = Яб [1 + а (т)] .

6. Изменение объема жидкости в баке определяется по формуле

^ = Уж [1 + Р(т)];

Ьгидразина = 7,5 -10-4 [К- ] ,

Решетневскце чтения

тогда

КЖ = 4,188• Дб3 -0,314• Rб2 + 0,01178• Rб + +1,63•Ю-4 [1 + 7,5•10-4(т)].

7. Изменение объема жидкостной полости в баке (если условно принять диафрагму неподвижной) определяется по формуле

V = 4,188 .[r (1 + a (t))] 3 - 0,314 .[r (l + a (t))] + 0,01178.[R6 (l + a (t))] +1,63.10-4, л.

8. Разность объемов жидкости и жидкостной полости компенсируется передвижением диафрагмы.

Если Кб' - Кж > 0, диафрагма смещается в сторону вытеснения; в противоположную сторону - если

Кб'-кж <0.

По результатам расчетной схемы выявлено, что при подборе соответствующих параметров диафрагмы возможно достичь требуемого количества циклов температурного воздействия, необходимого для гарантированной работы топливного бака космического аппарата при орбитальном использовании в условиях переменных температурных воздействий.

A. S. Bogomolov, V. Yu. Zhuravlev, M. V. Kubrikov Siberian State Aerospace University named after academician M. F. Reshetnev, Russia, Krasnoyarsk

PHYSICAL MODEL OF DEFORMATION OF THE SEPARATOR OF THE FUEL TANK AT CYCLIC TEMPERATURE INFLUENCE

The physical model of deformation of separator is presented at cyclic fluctuations of temperature of a component offuel.

© Богомолов А. С., Журавлев В. Ю., Кубриков М. В., 2011

УДК 681.3

Я. В. Бочерикова, Е. М. Краева

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

ВИХРЕВАЯ ТУРБУЛЕНТНОСТЬ ПРИ ОБТЕКАНИИ ВЫСТУПОВ

Рассматривается явление вихревой турбулентности при обтекании квадратного выступа на пластинке. Приводится физическая модель течения свободной плоской струи.

Явление турбулентности наблюдается во многих течениях жидкостей и газов и заключается в том, что в этих течениях образуются многочисленные вихри различных размеров, вследствие чего скорость испытывает флуктуации. Более характерным свойством турбулентности является то, что эти флуктуации должны быть хаотическими и потому изменяются от точки к точке и во времени нерегулярно.

Возникновение турбулентности при обтекании впадины может проявляться не только в виде турбу-лизации пограничного слоя, но и в виде образования турбулентного следа за телом в результате отрыва пограничного слоя от его поверхности.

При обтекании квадратного выступа на пластинке (рис. 1) плоское течение имеет две области отрыва, которые расположены симметрично спереди выступа и за ним и в которых образуются большие рециркуляционные вихри. В углах должны существовать последовательности меньших и более слабых вихрей [1].

В неоднородной пристеночной турбулентности на внешней границе вязкого подслоя происходят спонтанные разрушения структуры течения. Значительная

вихренность, образовавшаяся на стенке, развивается в отчетливо выраженные продольные вихри, которые затем уносятся из пристеночного подслоя и переносят с собой количество движения во внешнюю область.

Рис. 1. Течение при обтекании квадратного выступа

В экспериментах при исследовании нестационарного срыва наблюдалось резкое увеличение толщины пограничного слоя, сопровождавшееся возмущением следа. Исследователи срыва пограничного слоя, вы-