Применение комбинированных пористо-сетчатых материалов в конструкции внутрибаковых устройств двигательных установок космических аппаратов, верхних ступеней ракет-носителей и разгонных блоков Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

Решетневские чтения

УДК 629.7.023.001

В. Б. Сапожников

ООО «Научно-технический внедренческий центр «Энергетические, информационные, технологические достижения для установок и комплексов космического и оборонного назначения», Россия, Москва

Я. П. Гришко ОАО «ЭКА», Россия, Юбилейный

А. В. Корольков

Московский государственный университет леса, Россия, Мытищи В. А. Большаков, Ю. М. Новиков ЗАО «Центр высоких технологий в машиностроении» при Московском государственном технологическом университете имени Н. Э. Баумана, Россия, Москва

С. Б. Константинов, М. Б. Мартынов ФГУП НПО имени С. А. Лавочкина, Россия, Химки

ПРИМЕНЕНИЕ КОМБИНИРОВАННЫХ ПОРИСТО-СЕТЧАТЫХ МАТЕРИАЛОВ В КОНСТРУКЦИИ ВНУТРИБАКОВЫХ УСТРОЙСТВ ДВИГАТЕЛЬНЫХ УСТАНОВОК КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ, ВЕРХНИХ СТУПЕНЕЙ РАКЕТ-НОСИТЕЛЕЙ

И РАЗГОННЫХ БЛОКОВ

Приводится теоретическое и экспериментальное обоснование перспективности применения материалов нового типа - комбинированных пористо-сетчатых материалов (КПСМ) в конструкции внутрибаковых устройств (ВБУ) двигательных установок с целью обеспечения многократного запуска ЖРД космических аппаратов, верхних ступеней ракет-носителей и разгонных блоков в условиях практической невесомости. Показано, что работа КПСМ сопровождается явлениями, отсутствующими при использовании ранее применявшихся для этой цели сетчатых материалов. В результате эффективность ВБУ на основе КПСМ существенно возрастает, что, в конечном итоге, позволяет свести до минимума невырабатываемые остатки топлива в баках и, тем самым, повысить энергомассовую эффективность летательных аппаратов в целом.

Одной из проблем, появившихся одновременно с началом практического освоения космического пространства в конце 50-х гг. прошлого столетия, стала проблема обеспечения многократного запуска ЖРД космических летательных аппаратов (КЛА) в условиях, близких к невесомости. К настоящему времени разработаны многочисленные технические устройства и способы для решения этой проблемы, начиная от применения разделительных диафрагм в топливных баках (ТБ) и заканчивая использованием акустических либо электромагнитных полей для управления положением поверхности раздела «жидкость-газ» при невесомости.

Однако наибольшее распространение при объемах ТБ, превышающих сотни литров, получили внутриба-ковые устройства (ВБУ) на основе так называемых сетчатых разделителей (СР) [1]. Принцип работы этих устройств заключается в том, что для предотвращения прорыва газа наддува в расходные магистрали ТБ при запуске ЖРД в невесомости используются силы поверхностного натяжения (капиллярные силы), величина которых тем больше, чем меньше характерный размер ячеек СР. Главным недостатком таких устройств является их значительное гидравлическое сопротивление и, как следствие, потребность в повышенных значениях давления наддува. Кроме того, если газ наддува все-таки проходит через СР, эти устройства перестают работать.

В начале 80-х гг. коллективом сотрудников НИИ ЭМ МВТУ имени Н. Э. Баумана во главе с профессором В. М. Поляевым был предложен новый вид СР на основе так называемых комбинированных пористо-сетчатых материалов (КПСМ) [2]. В настоящее время КПСМ планируется широко применять в качестве элементов ВБУ, так как их свойства в этом качестве заметно превосходят характеристики обычных СР.

В докладе приводятся результаты экспериментальных и теоретических исследований работоспособности ВБУ на основе КПСМ. Показано, что работа КПСМ сопровождается явлениями, отсутствующими у обычных СР. В частности, у КПСМ в силу их трехмерной структуры, в отличие от плоских СР, обнаружен эффект так называемой саморегенерации. Иначе говоря, если газ наддува прорывается во внутреннюю полость ВБУ на основе КПСМ, перепад давления на КПСМ падает, и жидкость под действием капиллярных сил перемещается в тангенциальном направлении по толщине КПСМ, вновь предотвращая доступ газа во внутреннюю полость ВБУ. В результате эффективность ВБУ на основе КПСМ существенно возрастает, что, в конечном итоге, позволяет свести до минимума невырабатываемые остатки топлива в баках и, тем самым, повысить энергомассовую эффективность КЛА в целом. Указанный тип ВБУ особенно предпочтителен для обеспечения многократного запуска ЖРД КЛА длительного функционирования в условиях практической невесомости и знакопеременных возмущающих ускорений.

Двигатели, энергетические установку и системы жизнеобеспечения летательныхi аппаратов

Библиографические ссылки

1. Капиллярные системы отбора жидкости из баков космических летательных аппаратов / В. В. Баг-

ров [и др.] ; под ред. В. М. Поляева. М. : Энергомаш, 1997.

2. Пористые сетчатые материалы / Ю. И. Синельников [и др.]. М. : Металлургия, 1983.

V. B. Sapozhnikov

Energy, Information, Technological Achievements for Installations and Complexes of Space and Defense Purposes Scientific-technical innovation center Ltd., Russia, Moscow

Ya. P. Grishko JSC EKA, Russia, Yubileinyi

А. V. Korolkov

Moscow State University of Wood State Educational Institution of Higher Professional Education, Russia, Mytishchi

V. A Bolshakov, Yu. M. Novikov CJSC Center of High Technologies in Mechanical Engineering at Moscow State Technical University named after N. E. Bauman, Russia, Moscow

S. B. Konstantinov, M. B. Martynov SPA named after N. A. Lavochkin Federal State Unitary Enterprise of Scientific Production Society, Russia, Himki

APPLICATION OF THE COMBINED POROUS-MESHY MATERIALS IN INTRATANK DEVICES CONSTRUCTION OF PROPULISION INSTALLATIONS OF SPACECRAFTS, TOP STEPS OF CARRIER ROCKETS AND UPPER-STAGE ROCKETS

Theoretical and experimental basis of outlook of new type materials application - the combined porous-meshy materials (KPSM) in intratank devices (VBU) of propulsion installations to provide multiple starts of liquid-propellant engine of spacecrafts, top steps of carrier rockets and upper-stage rockets in the conditions of real weightlessness is described in the report. It is shown that KPSM work is accompanied with phenomena that do not appear while using meshy materials previously applied for this purpose. As a result the VBU efficiency on the base of KPSM increases greatly and finally it allows to cut to minimum unusable fuel in tanks and to raise power mass efficiency of aircraft in general.

© Сапожников В. Б., Гришко Я. П., Корольков А. В., Большаков С. Б., Новиков Ю. М., 2010

УДК 669.713.7

М. И. Толстопятов, В. П. Назаров, А. А. Зуев

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

АЛГОРИТМ ТЕЧЕНИЯ В ЭЛЕМЕНТАХ ПРОТОЧНЫХ ЧАСТЕЙ АГРЕГАТОВ ПОДАЧИ

Разработан алгоритм расчета параметров течения рабочего тела с учетом теплоотдачи характерных полостей энергетических установок летательных установок. Основным преимуществом алгоритма по сравнению с алгоритмами, основанными на эмпирических зависимостях, является относительно широкая область применения.

К современным ракетно-космическим системам предъявляются высокие требования по надежности и качеству регулирования, это делает учет особенностей течения с теплообменом очень важной инженерной задачей.

Основными объектами исследования элементов проточных частей являются: полость вращения между ротором и стенкой газовой турбины, подводящее устройство турбин, боковые полости вращения между рабочим колесом и стенкой корпуса лопаточного нагне-

тателя, полости гидродинамических уплотнений и т. п. Исходными данными для алгоритмов являлись геометрические параметры полостей течения, режимные параметры и свойства воздуха (рабочего тела) и воды (теплоносителя).

Разработан алгоритм течения с теплоотдачей в стенку. Рассмотрим исходные уравнения алгоритма.

Уравнение энергии:

С2 ОН к = С (Т + 273) +--—+ —.

2 т т