CC BY
80
УДК 621.454.3
ПРОЕКТИРОВАНИЕ ТВЕРДОТОПЛИВНОГО ЗАРЯДА В СРЕДЕ ЭБ-МОДЕЛИРОВАНИЯ CREO PARAMETRIC
1,2 БИТКИН С. А., 1КУЗНЕЦОВ А. Б.
1АО «Государственный ракетный центр имени академика В.П. Макеева», 456300, Челябинская область, г.Миасс, Тургоякское шоссе, 1 2Южно-Уральский государственный университет», филиал в г. Миассе, 456300, Челябинская область, г.Миасс, пр. Октября, 16
АННОТАЦИЯ. Предлагается методика проектирования заряда твердого ракетного топлива РДТТ в программной среде твердотельного моделирования Creo Parametric, позволяющая рассчитывать массо-центровочные и геометрические характеристики заряда в процессе выгорания в зависимости от толщины горящего свода. Приводится пример применения методики для выбора формы заряда под требуемую расходно-тяговую диаграмму.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: ракетный двигатель твердого топлива, твердотопливный заряд, расчет массовых и геометрических характеристик, программная среда твердотельного моделирования, расходно-тяговая диаграмма.
МЕТОДИКА ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЗАРЯДА
Одна из основных задач при разработке ракетного двигателя на твердом топливе (РДТТ) - проектирование заряда твердого топлива. Комплексной программой, используемой для этой цели, является программа Square [0], разработанная АО ФНПЦ «Алтай» (Н. А. Макаровец, Н. И. Огаркова). Программа позволяет проводить:
- расчет характеристик выгорания заряда твердого топлива (ТТ) с произвольной формой поверхности;
- расчет вскрытия поверхности корпуса в процессе выгорания заряда;
- расчет проходных сечений, свободного объема камеры сгорания по времени работы;
- расчет массы заряда, координат центра масс, продольного и поперечного моментов инерции заряда;
- расчет продольного распределения массы топлива в процессе выгорания зарядов.
Кроме того, известны методика и программа расчета заряда разработки ГНЦ ФГУП
«Центр Келдыша» (М. Л. Филимонов), позволяющие моделировать процесс горения с учетом переменности скорости горения топлива [0].
В настоящее время на предприятиях отрасли используются системы автоматизированного проектирования (САПР), обладающие широкими возможностями по созданию и анализу трехмерных твердотельных моделей. Системы твердотельного моделирования предлагается использовать для анализа, выбора формы заряда и расчета вскрытия поверхности корпуса на первых этапах проектирования РДТТ. Такой подход к проектированию заряда позволит оперативно анализировать создаваемые заряды не покидая среду конструкторской САПР, что сократит время на принятие решения о выборе формы заряда и исключит возможность ошибок и неточностей при перемещении информации из конструкторской программной среды в расчетную.
В качестве примера использования системы твердотельного моделирования при проектировании заряда СРТТ ниже приводится методика проектирования заряда твердого ракетного топлива в программной среде твердотельного моделирования Creo Parametric [0].
Рассмотрим эту методику на примере канально-щелевого заряда с проточкой, который показан на рис. 1.
На начальной стадии проектирования маршевых РДТТ при формировании облика ракеты актуальным является решение обратной задачи внутренней баллистики по определению поверхности горения в зависимости от толщины горящего свода, обеспечивающей требуемую расходно-тяговую диаграмму. Для оценки массы ТЗП необходимо учитывать последовательность вскрытия участков поверхности корпуса по мере выгорания заряда ТТ.
Для оперативности выбора принципиальной схемы заряда на данном этапе допустимо использовать закон горения параллельными слоями. Это допущение позволяет в дальнейшем упростить геометрические построения и сократить время анализа заряда.
Рис. 1. Схема канально-щелевого заряда с проточкой Рис. 2. Зона размещения заряда ТТ
Суть методики заключается в создании твердотельной модели полостей заряда твердого топлива. С помощью инструментов анализа среды Creo Parametric в модели можно вычислить необходимые внутрибаллистические и массово-габаритные параметры заряда в зависимости от толщины сгоревшего свода.
В дереве модели одной детали последовательно создается зона под размещение заряда (рис. 2) и профилируется полость (рис. 3), форма которой определяет внутрибаллистические параметры работы РДТТ. С помощью инструментов «вращение», «вытягивание», «смещение» для работы с твердотельной геометрией модели создаются отдельные элементы полости, такие как сквозной или глухой канал, щели, проточки, «зонтики» (рис. 3). При этом, по ходу построения модели вычисляются МЦМХ заряда, площадь горения и другие внутрибаллистические характеристики (ВБХ).
Рис. 3. Форма канала с проточкой и щелями (до начала горения и частично вышедшей на ТЗП)
Для представления результатов вычисления ВБХ в виде графиков или таблиц в заключение построений необходимо создать таблицу семейства модели, элементы которой представляют из себя модель проектируемого заряда с различной толщиной сгоревшего свода. При этом, для каждого элемента будут вычислены все необходимые параметры, указанные выше. Количество этих элементов ограничено лишь вычислительными возможностями ЭВМ. Соответственно, с необходимой точностью можно получить совокупность МЦМХ и ВБХ заряда, задав шаг для толщины сгоревшего свода во всем диапазоне от начала горения до его завершения. После проверки элементов таблицы семейства, значения параметров в столбцах станут доступны для копирования из таблицы Excel.
По мере построения дерева модели, визуально на экране отображаются некие абстрактные фигуры (рис. 4), внешний вид которых явно не совпадают с проектируемым зарядом. Такую модель невозможно вставить в сборку двигателя или ракеты и сделать соответствующие чертежи. Модель на данном этапе служит исключительно для последовательного вычисления МЦМХ и ВБХ заряда, которые сохраняются в виде параметров элементов анализа в дереве модели.
Рис. 4. Использование вспомогательной поверхности сферы для нахождения площади горения
При визуальном анализе моделей заряда с различной толщиной сгоревшего свода (элементов таблицы семейства) (рис. 5) становится ясно, какие участки выгорающего заряда выходят на ТЗП раньше других. Сопоставив эти толщины сгоревшего свода с соответствующим им временем работы двигателя, можно оценить необходимую толщину ТЗП на данных участках.
Для того, чтобы использовать проектируемый заряд как деталь сборки, необходимо создать новую деталь. В этой детали следует воспроизвести твердотельную модель зоны под размещение топлива. С помощью инструмента «объединение/наследование» из этой детали «вычитается» созданная ранее расчетная модель (рис. 5). В результате деталь становится ассоциативно связанной с расчетной моделью и, при этом, ее возможно использовать для сборки вышестоящих элементов ракеты.
Таким образом, конструктор на своем рабочем компьютере может достаточно оперативно оценить ВБХ и МЦМХ заряда твердого топлива на ранних этапах проектирования. При необходимости более полного и точного исследования заряда его геометрию можно выдать на подробный анализ с помощью специализированных программных комплексов.
Рис. 5. Модель заряда с различными толщинами сгоревшего свода
ВЫБОР ФОРМЫ ЗАРЯДА ПОД ЗАДАННУЮ РАСХОДНО-ТЯГОВУЮ ДИАГРАММУ
Зачастую требуемая расходно-тяговая диаграмма не равномерна по времени работы двигателя, особенно для первых ступеней, что обусловлено ограничениями по допустимому скоростному напору при разделении ступеней и допустимыми перегрузками. В качестве примера на рис. 6 представлена дегрессивная тяговая диаграмма на номинальном и максимальном режимах работы и линия ограничения по тяге для РДТТ первой ступени космической ракеты авиационного старта.
тяговая диаграмма с учетом ограничения
30000
25000
тяга пот
•ограничение
тяга тах
10
20 30
время, с
40
50
Рис. 6. Тяговая диаграмма с учетом ограничения
В двигателе применен заряд канально-щелевого типа, схема которого выглядит следующим образом (рис. 7):
Рис. 7. Схема канально-щелевого заряда
При анализе различных вариантов формы заряда варьировались количество щелей N длина Ь и размах к щели (рис. 8, 9). При этом, учитывая опыт проектирования подобных зарядов, начальная площадь горения во всех вариантах принята равной 8н = 0,9£ср, где 8ср = ¥т /в0 - средняя площадь горения, в0 - величина начального горящего свода топлива. Дополнительно, в канале заряда в окрестности заднего соплового днища введена кольцевая проточка. Итоговая кривая зависимости поверхности горения от толщины горящего свода представлена на рис. 10.
0
мм2 —. ни- 1
2
/ / к: —
ж
—
Г, .1 ¿11
е , мм
Рис. 8. Кривая зависимости S(e) Рис. 9. Кривая зависимости S(e)
для различного количества щелей для различного размаха щелей
5 * П(
/ V
3000000 / /
1500000
' 1
о £ 1 ИЛ
Рис. 10. Итоговая кривая зависимости S(e)
Так как в данной задаче анализируется основной, установившийся режим работы двигателя, для расчета внутрибаллистических характеристик и расходной диаграммы по известной геометрии заряда используется квазистационарная расчетная модель на основе основного уравнения внутренней баллистики. При расчете давления в камере учитывается изменение диаметра критического сечения сопла со временем из-за разгара по линейному закону.
Зависимости от времени внутрикамерного давления рк, тяги и перегрузки с учетом разброса характеристик двигателя РТах и ппс^х представлены на рис. 11.
Ниже приведены получившиеся графики зависимостей от времени давления в камере, максимальной тяги и максимальной перегрузки:
Рис. 11. Зависимости от времени давления в камере, максимальной тяги и максимальной перегрузки
Таким образом, используя предложенную методику проектирования твердотопливного заряда в процессе выгорания в среде твердотельного ЭБ-моделирования Creo Parametric, может быть выбрана форма канально-щелевого заряда, удовлетворяющая требованиям по расходно-тяговой диаграмме при приемлемом коэффициенте максимального давления в камере РДТТ.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Инструкция для работы с программой SQUARE-2 «Расчет площади поверхности и инерционных характеристик энергоузлов изделий Т» (РТМ САПР-15-6-80), КБМ, Миасс, 1982.
2. Алиев А. В., Амарантов Г. И., Ахмадеев В. Ф. и др. Внутренняя баллистика РДТТ / РАРАН / под ред. А.М. Липанова и Ю.М. Милехина. М.: Машиностроение, 2007. 504 с.
3. Creo Parametric. База знаний PTC, 2011.
URL: http://www.ptc.com/appserver/cs/search/search.jsp (дата обращения 15.02.2017).
DESIGNING A SOLID PROPELLANT CHARGE IN THE 3D-MODELING SOFTWARE CREO PARAMETRIC
1,2Bitkin S. A, 1Kuznetsov A. B
1JSC «Academician V.P. Makeev State Rocket Center», Chelyabinsk Region, Miass, Russia 2South-Ural State University, a branch in Miass, Chelyabinsk Region, Miass, Russia
SUMMARY. The technique for designing the charge of solid rocket propellant in the program environment of 3D-modeling Creo Parametric is proposed. Creo Parametric allows calculating the mass-centering and geometric characteristics of the charge in the process of burn-up, depending on the length of the burnt vault. An example of the application of the technique for selecting the charge shape for the required flow-traction diagram is given.
KEYWORDS: solid propellant rocket engine, solid propellant charge, calculation of mass and geometric characteristics, software of solid-state modeling, flow-traction diagram.
REFERENCES
1. Instruktsiya dlya raboty s programmoy SQUARE-2. Raschet ploshchadi poverkhnosti i inertsionnykh kharakteristik energouzlov izdeliy T (RTM SAPR-15-6-80) [Calculation of the surface area and inertial characteristics of the power nodes of products T (RTM SAPR-15-6-80)], KBM, Miass Publ., 1982.
2. Aliev A. V., Amarantov G. I., Akhmadeev V. F. i dr. Vnutrennyaya ballistika RDTT, RARAN, pod red. A.M. Lipanova i Yu.M. Milekhina [Internal ballistics of solid-propellant pocket engines]. M.: Mashinostroenie Publ., 2007. 504 p.
3. Creo Parametric. Baza znaniy PTC [PTC Knowledge Base], 2011. http://www.ptc.com/appserver/cs/search/search.jsp (accessed February 15, 2017).
Биткин Сергей Александрович, кандидат физико-математических наук, ведущий научный сотрудник АО ГРЦ Макеева, доцент кафедры «Прикладная математика иракетодинамика» ЮУрГУ, e-mail: [email protected]
Кузнецов Анатолий Борисович, инженер-конструктор АО ГРЦ Макеева, e-mail: [email protected]
