Анализ методики расчета конструктивной надежности жидкостных ракетных двигателей по критериям прочности Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

<Тешетневс^ие чтения. 2016

Библиографические ссылки

1. Гахун Г. Г., Баулин В. И., Володин В. А., Кур-патенков В. Д., Краев М. В., Трофимов В. Ф. Конструкция и проектирование жидкостных ракетных двигателей. М. : Машиностроение, 1989.

2. Краев М. В., Назаров В. П., Назарова Л. П., Оратынский Б. Ф. Технология сборки и испытаний насосов ЖРД / Сиб. аэрокосмич. акад. Красноярск, 1993.

3. Овсянников Б. В., Боровский Б. И. Теория и расчет агрегатов питания жидкостных ракетных двигателей. М. : Машиностроение, 1986.

4. Яременко О. В. Испытания насосов. М. : Машиностроение, 1976.

5. Воробей В. В., Логинов В. Е. Технология производства жидкостных ракетных двигателей. М. : МАИ, 2001.

References

1. Gahun G. G., Baulin V. I., Volodin V. A., Kurpatenkov V. D., Kraev M. V., Trofimov V. F. Construction and design liquid rocket engines. M. : Mashinostroenie publ., 1989.

2. Kraev M. V., Nazarov V. P., Nazarova L. P., Oratinskii B. F. Technology of assembly and tests of pumps liquid rocket engines / Siberian Aerospace academy publ., 1993.

3. Ovsyannikov B. V., Borovsky B. I. Theory and calculation of units power liquid rocket engines. M. : Mashinostroenie publ., 1986.

4. Yaremenko O. V. Pumps tests. M. : Mashinostroenie publ., 1976.

5. Vorobey V. V., Loginov V. E. Production technology liquid rocket engines. M. : MAI publ., 2001.

© Носов A. H., 2016

УДК 621.675

АНАЛИЗ МЕТОДИКИ РАСЧЕТА КОНСТРУКТИВНОЙ НАДЕЖНОСТИ ЖИДКОСТНЫХ РАКЕТНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ПО КРИТЕРИЯМ ПРОЧНОСТИ

Н. Г. Останина, И. М. Петров

Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31

E-mail:[email protected]

Рассматривается методология исследования, анализируются конструктивно-технологические факторы и общие физико-математические соотношения для расчета отклонений и прогнозируемой оценки надежности жидкостных ракетных двигателей по критериям прочности.

Ключевые слова: надежность, критерий прочности.

ANALYSING METHODS OF CALCULATING STRUCTURAL RELIABILITY OF LIQUID ROCKET ENGINES ACCORDING TO THE STRENGTH CRITERIA

N. G. Ostanina, I. M. Petrov

Reshetnev Siberian State Aerospace University 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: [email protected]

We consider the methodology of the study, analyze the structural and technological factors, and general physical and mathematical relation to calculate the deviations and forecast assessment of the reliability of liquid rocket engines according to the safety criteria.

Keywords: reliability, strength criterion.

Оценка надежности конструкции жидкостного ракетного двигателя является последним этапом проектного расчета, которому предшествует выбор расчетной схемы, определение основных нагрузок, действующих на элементы двигателя, установление вида отказа системы, исходя из условий работы. Затем проводится расчет основных факторов, влияющих на отказ конструкции. Обычно вероятность безотказной работы двигателя в целом задается техническими условиями, и при расчетах принимаются коэффициенты запаса прочности [1].

Недопустимым состоянием при эксплуатации конструкции является отказ.

Среди отказов особое место занимают отказы прочностного характера, выражающиеся в разрушении элементов конструкции.

Подобные отказы очень часто приводят к тяжелым последствиям [2].

Работоспособность конструкций ЖРД характеризуется рядом критериев: механической прочностью, износостойкостью, устойчивостью, жесткостью и др.

Каждый из этих критериев выражается соответствующим показателем: напряжением, упругостью, текучестью, ударной вязкостью, пределом выносливости и др.

Проектирование, производство и испытания двигателей летательных, аппаратов

Работоспособность конструкции оценивают путем сравнения расчетных значений показателей Ур1 (действующая нагрузка) с их предельными значениями ¥пр1 (несущая способность). Предельные значения показателей выбирают по действующим нормативам или на основе статистических данных. В общем случае расчетное значение не должно превышать предельного значения, а условие работоспособности имеет вид ¥р < ¥пр. Для обеспечения работоспособности используют коэффициент запаса п, значения которого принимают до начала проектирования по детерминированным величинам несущей способности и дей-

В докладе проводится анализ методики определения конструктивной надежности силовой конструкции (рамы) ракетного двигателя. Стержень рамы с поперечным сечением нагружен растягивающим усилием. Задача расчета заключается в определении вероятности безотказной работы.

Условия прочности стержня

тр "М

Далее определяем числовые характеристики случайных величин. После находим математическое ожидание

ствующеи нагрузки: n =

-пр

Из оценки работоспособности механических узлов и металлоконструкций известно, что распределение несущей способности Yпр и действующей нагрузки на элемент Yр подчиняется нормальному закону [3].

Целью расчета надежности является определение критических напряжений в конструкции, при которых коэффициент запаса является минимальным.

Пусть несущая способность Yпр распределена с плотностью вероятности тЛр(0, математическим ожиданием тпр и средним квадратическим отклонением опр; действующая нагрузка Yр - с плотностью вероятности _/р(0, математическим ожиданием тр и средним квадратическим отклонением ор (см. рисунок).

Распределение плотностей вероятностей нагрузки и прочности

Принимая за основной показатель работоспособности вероятность безотказной работы, получают условие тпр - тр = ир о, где ир - квантиль нормированного нормального распределения при значении вероятности безотказной работы Р; а = ^а2р + ар - среднее квадратическое отклонение разности двух случайных величин Yпр и Yр.

Тогда

P(t) = Ф

вероятность

\

4

2 2 СТпр + СТр у

md =-

и среднее квадратическое отклонение

Для напряжения в стержне , возникающего от воздействия растягивающего усилия, числовые характеристики будут следующими:

4т „

nmj

СТ =

\2

8m,

\2

Вероятность безотказной работы определим по формуле

Р( Тр < [т]) = 0,5 + Фо

m[x

- mT

1

Сты + Ст

тр

безотказнои работы

Расчет надежности механических узлов и металлоконструкций проводят для наиболее критических сечений, запас прочности которых минимален, а затем надежность изделия рассчитывают как произведение надежностей критических сечений, как при последовательной схеме соединения элементов.

Таким образом, приведенные выше расчетные зависимости имеют общиИ характер для различных видов нагружениИ.

Задачи обеспечения требуемого уровня надежности ракетных двигателеИ в тоИ или иноИ форме всегда стояли перед их создателями. Количественная оценка уровня надежности является одноИ из таких задач, которая основывается на следующих условиях: высоком уровне надежности двигателеИ, сложности конструкции, высокоИ стоимости изготовления и испытаниИ, ограниченности сроков отработки и производства.

Библиографические ссылки

1. Основы теории и расчета надежности ракетных двигателеИ : учеб. пособие для студентов спец. 160302 «Ракетные двигатели» / М. В. Краев, В. П. Назаров, В. Г. Яцуненко ; Сиб. гос. аэрокосмич. ун-т. Красноярск, 2008. 192 с.

2. Кесаев X. В., Трофимов Р. С. Надежность двигателеИ летательных аппаратов. М. : Машиностроение, 1982. 136 с.

3. Испытание и обеспечение надежности : учебник / А. И. Коломенцев, М. В. Краев, В. П. Назаров и др. ; Сиб. гос. аэрокосмич. ун-т ; Моск. авиац. ин-т. Красноярск, 2006. 336 с.

References

1. Fundamentals of the theory and calculation of rocket engine reliability: Proc. allowance for special

ттр =

Решетневс^ие чтения. 2016

students. 160302 "Rocket engines' / M. V. Brinks, V. P. Nazarov, V. G. Yatsunenko ; Sib. state aerokosmich. Univ. Krasnoyarsk, 2008. 192 p.

2. Kesaev H. W., Trofimov R. S. Reliability of aircraft engines. M. : Mechanical engineering, 1982. 136 p.

3. Testing and maintenance of reliability : Textbook / A. I. Kolomentsev, M. V. Krajev, V. P. Nazarov, et al. ; Sib. state. aerokosmich. Univ; Mosk. aviation. Inst. Krasnoyarsk, 2006. 336 р.

© Останина Н. Г., Петров И. М., 2016

УДК 621.454.2

ОПТИМИЗАЦИЯ КОНСТРУКТИВНЫХ СХЕМ КИСЛОРОДНО-ВОДОРОДНЫХ ЖИДКОСТНЫХ РАКЕТНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ РАЗГОННЫХ БЛОКОВ

В. Ю. Пиунов1, В. П. Назаров2, А. А. Зуев2, А. В. Гайнутдинов1

1 Конструкторскою бюро химического машиностроения имени А.С. Исаева Российская Федерация, 141070, Московская обл., г. Королёв, ул. Богомолова, 12 2Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31

E-mail: [email protected]

Рассмотрены принципиальные особенности конструкции кислородно-водородного двигателя КВД1. Представлены варианты оптимизации схемных и конструктивных решений для создания криогенных жидкостных ракетных двигателей (ЖРД) перспективных разгонных блоков.

Ключевые слова: кислородно-водородный двигатель, оптимизация, энергические параметры.

OPTIMIZATION OF STRUCTURAL SCHEMES OF OXYGEN-HYDROGEN ROCKET ENGINE BOOSTERS

V. Yu. Piunov1, V. P. Nazarov 2, A. A. Zuev2, A. V. Gainutdinov1

1Isaev Chemical engineering Design Bureau 12, Bogomolova Str., Koroljov, Moscow region, 141070, Russian Federation

2Reshetnev Siberian State Aerospace University 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: [email protected]

The fundamental design features of oxy-hydrogen engine KVD1 are described. The options for optimizing the circuit and constructive decisions for the creation of cryogenic rocket engine promising boosters are presented.

Keywords: oxygen-hydrogen engine, optimization, dynamic parameters.

Вывод космических аппаратов информационного и навигационного назначения на рабочие орбиты с высокой точностью позиционирования, перевод научно-исследовательских аппаратов с опорных орбит на отлетные траектории для полета в дальний космос и другие сложные задачи освоения космического пространства обеспечиваются ракетными транспортными системами, в состав которых входят специализированные средства выведения, получившие наименование «разгонные блоки».

К маршевым двигателям разгонных блоков предъявляются требования по повышенной энергетической эффективности и надежности, длительному пребыванию в режиме стартовой готовности, продолжительному времени работы и многократному запуску. Поэтому при выборе параметров ЖРД разгонного блока обязательным является согласование его характеристик с параметрами ДУ как на основе прямых зависимостей между ними, так и комплексной оценки под-

систем, входящих в состав ДУ и разгонного блока в целом [1].

Из теории ЖРД известно, что максимальной энергетической эффективностью обладают ракетные двигатели, работающие на криогенной топливной паре «жидкий кислород-жидкий водород» [2]. Первым отечественным кислородно-водородным ЖРД является двигатель 11Д56, разработанный в КБ Химмаш под руководством А. М. Исаева. Двигатель предназначался для использования в составе разгонного блока «Р» ракетно-космического комплекса Н1-ЛЗ («Лунная программа СССР») и по своим характеристикам превосходил зарубежные ЖРД аналогичного класса.

На основе этого двигателя в период с 1991 по 2000 годы по заказу ISRO (Индия) в КБ Химмаш им. А. М. Исаева был спроектирован, освоен в производстве и отработан кислородно-водородный двигатель КВД1 для криогенного разгонного блока 12КРБ, который прошел два летно-конструкторских испытания