Газодинамические процессы в газоходе стартового комплекса малого заглубления для ракет космического назначения легкого класса Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКАЯ ТЕХНИКА

УДК 629.78.085.2; 532.529.5

ГАЗОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ГАЗОХОДЕ СТАРТОВОГО КОМПЛЕКСА МАЛОГО ЗАГЛУБЛЕНИЯ ДЛЯ РАКЕТ КОСМИЧЕСКОГО НАЗНАЧЕНИЯ ЛЕГКОГО

КЛАССА

В. П. Зюзликов, Б. Е. Синильщиков, В. Б. Синильщиков,

М. В. Ракитская

Балтийский государственный технический университет «ВОЕНМЕХ» им. Д. Ф. Устинова,

г. Санкт-Петербург, Российская Федерация

В настоящее время существует потребность в увеличении количества пусков малых и сверхмалых спутников. Для их выведения используются ракеты космического назначения легкого класса. Для старта таких ракет целесообразно создавать специальные малогабаритные пусковые установки. В разработанных авторами методике и программе расчета нестационарных струйных течений при старте с учетом работы систем водоподачи учтены результаты экспериментов на физических моделях и натурных пусков ракет космического назначения. В процессе расчета определяются параметры двухфазного газокапельного течения в осесимметричной постановке, определяются величины силовых и тепловых нагрузок на элементы пусковой установки и ракету. Большой объем проведенных численных исследований показал, что создать для рассматриваемых условий пусковую установку минимальных размеров можно только при использовании одноразовых сменных элементов, устанавливаемых на вершине газоотражателя, который располагается на малом расстоянии от среза сопла, и двух поясов водоподачи. Проведенные расчеты позволили выбрать сочетание основных параметров пусковой установки, обеспечивающих снижение тепловых и силовых нагрузок

до допустимых значений. В статье приводятся результаты расчетов, анализируются физические процессы, происходящие при пуске, в том числе особенности работы двух поясов системы водо-подачи, приводятся данные по силовым и тепловым нагрузкам при старте. Также даны результаты расчетов при варьировании основных размеров и значения нагрузок.

Ключевые слова: ракетный двигатель, струя, газоотражатель, водоподача, пусковой

стол, газоход.

В настоящее время существует потребность в увеличении количества малых и сверхмалых спутников. Для их пуска используются ракеты космического назначения (РКН) легкого класса. В РФ создается семейство РКН «Ангара», в состав которого входит РКН легкого класса «Ангара-1» с од-носопловым ракетным двигателем (РД) РД-191. Для запуска этой ракеты используется универсальный стартовый комплекс (СК), с которого также должны проводиться запуски РКН среднего и тяжелого класса «Ангара-3» и «Ангара-5». К недостаткам такого решения следует отнести ограничение по потенциальной частоте запуска РКН среднего и тяжелого класса, а также то, что при

© Зюзликов В. П., Синильщиков Б. Е., Синильщиков В. Б., Ракитская М. В., 2017 DOI: 10.26732/2225-9449-2017-4-166-174

аварии РКН (даже РКН легкого класса) СК надолго выводится из строя. В настоящее время находится в эксплуатации СК РКН «Наро-1» (KSLV-1 Республика Корея), которая является аналогом РКН «Ангара-1» и в которой также используется РД-191. Этот СК имеет глубину газохода 13,3 м (что составляет 60 % от глубины универсального СК для пуска РКН «Ангара») и сопоставимо высокую стоимость. Поэтому актуальным является обоснование возможности создания СК малого заглубления для РКН легкого класса. Минимально допустимое заглубление СК определяется газодинамическими процессами при старте.

Авторами разработана схема пусковой установки (ПУ) малого заглубления для РКН легкого класса [1] (глубина газохода для РКН типа «Ангара-1» - 2 м). Такую ПУ можно использовать совместно с универсальной ПУ (например, ПУ

для РКН «Ангара») - с общей инфраструктурой. Возможно и автономное использование такой ПУ в составе отдельного СК.

На рис. 1 показана схема ПУ [1] для РКН легкого класса с односопловым РД (на примере РД-191). Вершина 2 газоотражателя (ГО) выполнена из композиционного материала (например стеклопластика) и заменяется после каждого пуска. Проведенные исследования [2] показали, что унос материала с вершины, выполненной из стеклопластика, за один пуск составляет 10-15 мм. Таким образом, для обеспечения прочности сменный элемент должен иметь толщину около 30 мм при наружном диаметре 150-200 мм.

Термостойкость самого ГО 1, выполненного из стали, обеспечивается за счет подачи воды вдоль поверхности ГО, водяные патрубки пояса пристеночной водоподачи 3 располагаются под стеклопластиковой вершиной 2. Другой пояс 4 подает воду на внешнюю границу струи РД при помощи водяных струй, истекающих в направлении оси СК из распылителей, расположенных на пусковом столе (ПС) 5. Подача воды в область внешней границы струи РД также способствует уменьшению излучения шума (а значит и акустического воздействия на РКН) и уменьшает возможное тепловое воздействие на днище РКН при забросе горячих газов, который может произойти в процессе выхода РД на режим. Внутри ПС 5 располагаются приводы опор РКН 8 и системы удержания РКН, а также комплект автоматических стыковочных и заправочных устройств и электрокоммуникаций.

Газоход имеет практически кольцевую форму. Опоры пускового стола 6 отнесены ближе к выходному сечению газохода (в область дозвуковых скоростей) и обеспечивают минимальное

перекрытие сечения газохода. Использование разрушаемой одноразовой вершины позволило увеличить допустимые тепловые нагрузки на вершину и таким образом уменьшить расстояние от среза сопла 7 до вершины ГО. Малый размер ПУ (максимальный радиус ПУ 7-8 м) приводит к тому, что башня обслуживания (если предполагается ее использование) будет располагаться вне ПУ.

Обоснование данной схемы связано в первую очередь с определением газодинамических (силовых и тепловых) нагрузок на РКН и элементы ПУ в процессе старта. Как показано в [3], поскольку процессы при впрыске воды в газовую струю строго не моделируются, единственным способом оценки этих нагрузок является численное решение нестационарных уравнений динамики двухфазных сред (газ+капли). Описание математической модели приведено в [3]. В расчетах учитывается отрывное течение в сопле [4]. Ниже представлены результаты расчетов газокапельных течений в предлагаемой ПУ Целью расчетов является исследование влияния величины зазора между ПС и дном газохода, расстояния от среза сопла до дна газохода и других размеров, а также расхода воды внутреннего (вдоль ГО) и внешнего поясов водоподачи на тепловые и силовые нагрузки, действующие на ПУ. Рассматривается осесимметричное течение. Общее число ячеек в расчетной области - 36 000.

Расчеты проводятся для РД типа РД-191 с диаметром сопла на срезе 1,43 м, числом Маха на срезе М = 3,6, топлива «кислород-керосин». Примем, что РД выходит на режим за 0,6 с, достигая нерасчетности п = 0,8 (принимаем, что давление в камере сгорания РД растет по линейному закону). Отметим, что реальный РД при достижении нерасчетности п ~ 0,55 некоторое время рабо-

167

Рис. 1. Схема ПУ малого заглубления (показана половина ПУ)

Нлу

ж г

КО-

ГРАДА

Том 1

тает с постоянным давлением в камере на предварительной ступени тяги, однако к этому времени нестационарные процессы в рассматриваемой ПУ практически заканчиваются (чему способствуют ее малые размеры). Поэтому выделять этот этап при расчете нет необходимости.

При подъеме РКН на высоту до 20 м с ГО взаимодействует начальный участок струи, поэтому характер течения и действующие силовые и тепловые нагрузки изменяются незначительно. Высоту 20 м РКН достигает на четвертой секунде после запуска РД. Далее тепловые и силовые на-168 грузки на ГО и элементы газохода быстро падают. Поэтому нагрузки при выходе РД на режим фактически являются определяющими и позволяют сделать выводы о приемлемости или неприемлемости рассматриваемого варианта.

На рис. 2-6 приводятся результаты расчетов для базового варианта: расстояние от среза сопла до дна газохода составляет 2,0 м, расстояние от дна газохода до ПС - 0,7 м, высота ГО над дном газохода - 1,4 м, угол верхней части конуса ГО от вертикали - 30°, нижней - 60°, высота нижней части конуса - 0,5 м. Расход воды из-под вершины ГО принят равным 700 кг/с, расход во внешнем поясе - 300 кг/с. При этом суммарный расход воды составляет 1,66 от расхода РД на полной тяге. При проведении расчетов считалось, что подача воды начинается одновременно с запуском РД и сразу с номинальным расходом; скорость водокапельного потока на выходе из распылителей принималась равной 30 м/с.

На рис. 2 для последовательных моментов времени цветом показано поле избыточного статического давления газа (см. уровни сверху рисунка), линиями - изолинии числа Маха. На данном и последующих рисунках показаны следующие изолинии: М = 0,01 - черным цветом; М = 0,05 - зеленым; М = 0,1, 0,2 - черным; М = 0,5 - коричневым; М = 0,7 - черным; М = 1,0 - красным (толстая линяя); М = 1,5 - черным; М = 2,0 - синим; М = 2,5 -черным; М = 3,0 - фиолетовым; М = 3,2 - черным; М = 3,5 - красным; М = 3,6; 3,7; 3,8 и 3,9 - черным. Так как рассматривается осесимметричное течение, то на рисунках показана только половина сечения. Вектора скорости газа показаны стрелками (течение из точки). В области больших скоростей, чтобы не перегружать рисунок, вектора не выводятся. На рис. 3 аналогично приведены поля температуры, а на рис. 4 - плотности капельной фазы. На поверхности РКН установлены два численных датчика давления: датчик 1 - на боковой поверхности, датчик 2 - на днище (см. рис. 2а). На рис. 5 приведены графики давления, «измеренного» этими датчиками, на рис. 6 - график вертикальной газодинамической силы, действующей на ПС (положительное направление силы - вниз).

На рис. 2а показано давление при t = 0,006 с (отсчет времени от запуска РД). Имеет место без-

отрывное истечение из сопла холодного воздуха (первоначально находившегося в сопле). Пусковые волны, распространяющиеся вниз, заходят в зазор между ПС и дном газохода; распространяющиеся вверх движутся по зазору РКН - ПС. На поверхности РКН установлены два численных датчика давления: датчик 1 - на боковой поверхности, датчик 2 - на днище (см. рис. 2а). После того, как весь холодный воздух выходит из сопла (в данном случае это происходит при t = 0,01 с), массовый расход газа, протекающего через срез сопла, резко падает и вслед за волнами сжатия от среза распространяются волны разрежения [4]. Пусковые волны многократно отражаются от ГО стенок и сопла, что и приводит к развитию дополнительных колебаний давления, регистрируемых датчиком 2 (рис. 5).

На рис. 2б-г видны последовательные этапы распространения пусковых волн. Из-за малости зазора между днищем РКН и ПС и отсутствия подпитки интенсивность воздействия на РКН волны, прошедшей этот зазор, незначительна. Более существенно воздействие волны, обошедшей ПС снизу и дифрагировавшей вокруг его верхней поверхности. При t = 0,04 с эта волна, уже достаточно ослабленная, достигает датчика 1. Как видно на рис. 5, соответствующий подъем давления оказывается весьма небольшим (0,01 кг/см2).

На рис. 4а показана плотность капельной фазы при t = 0,04 с. Водяные струи верхнего контура еще не достигли поверхности газовой струи -рис. 4а, а струи, истекающие из-под вершины ГО, достигли середины ГО.

На рис. 3а показано поле температур при t = 0,08 с, а на рис. 4б - поле плотности капельной фазы для этого же момента времени. Из сопла истекает с отрывом струя (М = 2,5), диаметр которой значительно меньше диаметра сопла. Над нижней частью ГО сформировался пусковой вихрь, который постепенно сносится вдоль ГО. В результате горячие газы начинают взаимодействовать с дном ПС. Водяные струи верхнего пояса достигли поверхности газовой струи и начинают взаимодействовать с ней, уменьшая ее температуру. Несмотря на то, что пусковые волны уже затухли, датчик на донном срезе продолжает регистрировать колебания давления. Частота этих колебаний близка к значению, полученному по гипотезе Пауэлла [4, 5]. По мере приближения точки отрыва к срезу сопла и увеличения поступления капельной фазы к границе струи РД амплитуда этих колебаний уменьшается.

На рис. 3б показана температура газа при t = 0,08 с. Вдоль днища ПС распространяется низкоскоростной поток газа с температурой 20002200 К.

На рис. 3в и 4в показаны поля температуры газа и плотности капельной фазы при t = 0,23 с. Продолжается истечение сверхзвуковой струи с от-

рывом, число Маха увеличивается до 3,8. Над дном газохода течение достигает сверхзвуковой скорости. Размер зоны с высокой температурой под ПС быстро уменьшается. Капельная фаза, распространяющаяся вдоль дна газохода, достигает участка подъема.

После t = 0,2 с течение устанавливается и давление в зазоре начинает падать. Это приводит к возникновению значительной вертикальной силы, действующей на ПС. Как видно на рис. 6, к t = 0,28 с величина газодинамической силы достигает 120 т. Следует, впрочем отметить, что к этому моменту тяга РД увеличивается примерно до 100 т, что приводит к соответствующему уменьшению усилия в опорах РКН (п. 8 на рис. 1). Таким образом, суммарная сила, действующая на ПС, увеличивается незначительно. Опасность для конструкции могут представлять низкочастотные пульсации этой силы при 0,26 с < t < 0,37 с. Уменьшить амплитуду пульсаций можно за счет скругления нижнего входного угла ПС и некоторого увеличения зазора ПС - дно газохода.

Одновременно с уменьшением давления в зазоре ПС - дно газохода уменьшается давление в области, расположенной между ПС и ГО. Это приводит к падению давления на донном срезе РКН, как видно по показанию датчика 2, до -0,05 кг/см2 (рис. 5). Такое разрежение можно считать допустимым для полузаглубленных ПУ. Уменьшить разрежение можно за счет увеличения зазора между ПС и РКН.

На рис. 3г и 4г показаны данные по температуре газа и плотности капельной фазы на 0,29 с. Заканчивается истечение сверхзвуковой струи с отрывом. Зона под ПС с высокой температурой исчезла - в дальнейшем температура газа, распространяющегося вдоль дна ПС, не превышает 1200 К. Кратковременное (в течение 0,2 с) повышение температуры газа до 2000-2200 К при относительно малой скорости (М < 0,1) не представляет опасности для ПС.

На рис. 3д и 4д показаны поля температуры газа и плотности капельной фазы для t = 0,40 с. Истечение сверхзвуковой струи - безотрывное. Максимальные скорости струи, растекающейся по дну газоходов, соответствуют числу М = 2,0, а на участке подъема - М = 1,0. После участка подъема струя прилипает к поверхности нулевой отметки (реализуется эффект Коанда [6]). Это приводит к сепарации капель, небольшое количество которых остается в газовом потоке, особенно на первых этапах пуска. Капли по инерции продолжают лететь прямо и, попадая в область малоподвижного воздуха, тормозятся (см. верхний левый угол рис. 4д). Текущая по участку подъема и частично дну газохода струя интенсивно эжектирует окружающий воздух, который, как это видно по стрелкам-векторам, затекает под дно ПС.

На рис. 3е и 4е показаны поля температуры газа и плотности капельной фазы при t = 0,60 с. РД

вышел на режим. В струе, растекающейся по дну газоходов, скорости соответствуют числу М = 2,5, а на участке подъема - М = 1,5.

Рассмотрим изменение температуры торможения по газоходу. Температура торможения характеризует уровни теплового воздействия. Вдоль всей стенки ГО температура торможения не превышает 700 К при значительной плотности капельной фазы, поэтому тепловое воздействие на ГО практически отсутствует. Вдоль дна газохода температура торможения не превышает 800 К, повышаясь перед участком подъема. Вдоль всего дна газохода распространяются капли, однако высота слоя с каплями вдоль дна незна- 1б9 чительна - не более 10 см, а перед участком подъема еще меньше (на рис. 4 слой капельной фазы на дне газохода трудноразличим из-за его малой толщины). Как было отмечено выше, тепловое воздействие на дно ПС также не представляет опасности (вначале оно обтекается горячим, но малоскоростным газом, а в дальнейшем - относительно низкотемпературным). Отметим, что на входе в зазор на некотором расстоянии от дна температура торможения составляет около 2500 К при весьма высокой скорости. Таким образом, использование двухуровневой системы водоподачи позволяет эффективно защитить поверхности ПУ от теплового воздействия.

При натекании на участок подъема газ разворачивается вслед за стенкой. Остатки капельной фазы из внешнего (верхнего) слоя смешения по инерции пересекают газовую струю по направлению к стенке. Это приводит к уменьшению температуры торможения газа над стенкой до 12001300 К и одновременно - к практически полному испарению капель. В результате непосредственно вдоль наклонной стенки максимальная температура газа сначала повышается до 1100 К и далее медленно уменьшается по мере приближения к нулевой отметке. Таким образом, можно сделать вывод, что использование двух систем охлаждения с суммарным расходом 1000 кг/с обеспечивает теплостойкость стенок ПУ с запасом, так как температура торможения газа вдоль стенок ниже температуры плавления стали, используемой для листов металлооблицовки газохода и ПС.

Рассмотрим влияние размеров зазора между ПС и дном газохода на устойчивость течений, силовые и тепловые нагрузки. Расчеты проводились для варианта с двумя системами водоподачи с суммарным расходом 1000 кг/с. Вначале рассмотрим заведомо малый размер зазора 0,3 м. Характер течения до t = 0,3 с по сравнению с рассмотренным выше принципиально не изменяется. При t > 0,3 с по всему зазору ПС - дно газохода течение становится сверхзвуковым. Это приводит к увеличению давления в области между ПС и ГО до +0,25 кг/см2 и падению давления в канале ПС - дно газохода до -0,5 кг/см2. В результате суммарная отрицательная сила, действующая на ПС, увеличивается до 200 т,

Нлу

ж г

ГРАДА Том 1

в г

Рис. 2. Базовый вариант. Давление: а) t = 0,006 с; б) t = 0,012 с; в) t = 0,023 с; г) t = 0,036 с

Рис. 3. Базовый вариант. Температура: а) t = 0,08 с; б) = = 0,173 с; в) - = 0,2 3 с; г) t = 0,2 8 с;

д) е = 0,4 с; е) а = 0 ,6 с

при этом наблюдаются пульсации силы с амплитудой 30 т. Относительно высокое давление в области между ПС и ГО вызвало устойчивое истечение газов из этой области вверх через зазор между РКН и ПС. В это течение вовлекаются как капли, так и горячие газы. За счет их взаимодействия температура горячих газов взаимодействующих с РКН, понижается, но остается достаточно высокой - около 700 К.

При увеличении зазора между ПС и дном газохода до 0,4 м дозвуковое течение в верхней части канала сохранялось до 0,4 с, после чего течение в канале становилось полностью сверхзвуковым. Так как высота зазора больше, чем в предыдущем варианте, максимальная скорость в нем оказывается выше и достигает М = 2,6. Разрежение в нем также выше - оно составляет -0,69 кг/см2. Максимальное значение отрицательной силы увеличивается до 285 т, при этом также наблюдаются пульсации силы с амплитудой 35 т.

При увеличении зазора между ПС и дном газохода до 0,5 м дозвуковое течение в верхней

части канала также сохраняется до 0,4 с, после чего имеет место колебательный процесс, в котором реализуется то дозвуковое, то сверхзвуковое течение. При увеличении размера зазора до 0,6 м сверхзвуковое течение в канале не реализуется, но амплитуда пульсаций вертикальной силы, действующей на ПС, оказывается несколько больше, чем в базовом варианте с зазором 0,7 м.

Увеличение зазора между ПС и дном газоходов до 0,9 м и 1,2 м не приводит к существенному изменению рассматриваемых параметров в сравнении с базовым вариантом. Амплитуда колебаний для канала 1,2 м несколько выше, что, по-видимому, объясняется меньшими диссипативными потерями.

Уменьшение расстояния от среза сопла до дна газохода до 1,75 м при сохранении исходных размеров ГО приводит к тому, что распылители внешней системы водоподачи необходимо также смещать вниз. В результате уменьшается путь смешения водокапельных струй внешней системы водоподачи с газовой струей до ее разворота на

Нлу

ж г

КО-

ГРАДА

Том 1

172

1р,ати

Рис. 5. Избыточноедавление на б оковой поверхности РКН (датчик 1) и днищ е РКН (датчик 2)

Рис. 6. Газодинамическая сила, действующая на ПС

дне газохода. Максимальная температура торможения внутри растекающей строи ув еличивается на 350 К, а вдоль дна газохода - на 100 К.

При уменьшении расстояния среза соплз до дна газохода до 1,6 м происходит дальнейшее повышение температур торможения (температура торможения газа, текущего вдоль дна газ охода, приближается к температуре плавления стали). Кроме того, происходит суще ственное увеличение пульсаций на донном срезе РКН (до ±0,15 кг/см2). Впрочем, для более достоверного определения амплитуды пульсаций необходимы дополнительные исследования.

При увеличении всех внешних радиусов ПС и радиусов участка подъема на 1 м относительно размеров базового варианта характер течения практически не изменился, а вертикальная сила, действующая на ПС, увеличилась пропорциональ-

но увеличению площади ПС. Как было показано выше, под днищем ПС в сечениях, расположенных перед выходом из зазора, снаружи (из области над тчастсом подъема) интенсивно подс азывается воздух, который смешивается т горячими газами, уменьшая их температуру. Увеличение длины днища ПС привело к тому, что воздух: р аспростра-няется в сторону оси ПУ до радиуса г = 2,8 м.

Расчеты показали, что при малых размерах ГО могут возникнуть пульсации давления, аналогичные пульсациям при взаимодействии сверхзвуковой струи с преградой (эффект Гартмана). При высоте ГО 1,0 м и малых давлениях на срезе при взаимодействии газовой струи с вершиной ГО течение с присоединенным скачком перестраивается в течение с отсоединенным скачком и обратно. К реализации пульсационных режимов может

привести и чрезмерный расход воды из-под вершины ГО. Так, при малой протяженности нижнего участка ГО (с углом полураствора конуса 60°) и при большом расходе воды из-под вершины ГО (^ВОд/^рд = 1,6) происходил периодический отрыв газокапельного потока от дна, сопровождавшийся пульсациями давления.

Увеличение расхода воды во внешней системе водоподачи (до СВОд/СРд = 0,9) в сочетании с относительно небольшим радиусом = 0,9 м (см. рис. 1) и с малым зазором между ПС и дном газохода также приводит к пульсационному изменению давления. Вследствие недостаточной эжекци-онной способности газовой струи в области между ПС и ГО образуются циркуляционные зоны с большой плотностью капельной фазы.

Попадание области с большой плотностью на вход в зазор приводит к росту давления в этой области. Далее происходит «продувка» зазора и процесс повторяется.

Описанные выше результаты получены для варианта, у которого значение минимального внутреннего диаметра кольца Л2 (рис. 1) составляет

1,0 м. Расчеты показали, что при таком размере кольца в процессе вертикального подъема РКН тепловое воздействие струи на поверхность этого кольца не представляет опасности. Однако при значительном боковом сносе РКН или при больших углах поворота сопла верхние поверхности ПС подвергнутся значительному тепловому воздействию, которое может привести к оплавлению поверхностей ПС. Увеличение размера Я2 позволяет уменьшить тепловые нагрузки, но увеличивает ударноволновое воздействие и акустические нагрузки на РКН в процессе подъема. В этом случае целесообразно использовать дополнительные распылители водокапельных струй, устанавливаемые на ПС, водяные струи которых взаимодействуют со струей РД при подъеме РКН.

Таким образом, использование одноразовой вершины ГО позволяет приблизить ГО вплотную к срезу сопла и существенно уменьшить габариты ПУ, а использование двух систем водоподачи снижает тепловые и силовые нагрузки до уровня, который не удается обеспечить в современных полузаглубленных СК, предназначенных для запуска РКН «Зенит» и «Ангара».

173

Список литературы

1. Схемные решения СК малого заглубления для запуска РКН легкого класса / В. П. Зюзликов, Б. Е. Синильщиков, В. Б. Синильщиков, М. В. Ракитская // Сб. трудов научно-технической конференции «VII Уткинские чтения». СПб. : БГТУ, 2015.

2. Тепловые и эрозионные процессы в ПУ для запуска РКН легкого класса / В. П. Зюзликов, Б. Е. Синильщиков, В. Б. Синильщиков, В. А. Тенетко // Сб. материалов международной конференции «VI Уткинские чтения». СПб. : БГТУ, 2013.

3. Синильщиков Б. Е., Синильщиков В. Б. Исследование термосилового нагружения газоотражателей стартовых комплексов ракет космического назначения при работе систем водоподачи // Исследования наукограда. 2017. Т. 1, № 2. С. 61-71.

4. Зюзликов В.П., Синильщиков Б.Е., Синильщиков В.Б., Ракитская М.В. Численные исследования нестационарных процессов при запуске ракетного двигателя // Исследования наукограда. 2017. Т. 1, № 3. С. 103-114.

5. Газодинамика стартовых комплексов / Г. П. Бирюков, А. Б. Бут, В. А. Хотулев, А. С. Фадеев. М. : Рестарт, 2012. 364 с.

6. Ра^ Е. К. and Peterson R. Е. Analysis оf а Coande type flow. AJАА J, 1968, vol. 6, no. 1.

История статьи

Поступила в редакцию 29 мая 2017 г. Принята к публикации 18 сентября 2017 г.

GASODYNAMIC PROCESSES IN THE VENT OF THE LAUNCH COMPLEX WITH SMALL DEPTH FOR THE SPACE SMALL-LIFT

ROCKETS

V. P. Zyuzlikov, B. E. Sinilshchikov, V. B. Sinilshchikov,

M. V. Rakitskaya

Baltic State Technical University «VOENMEH» named after D. F. Ustinov,

Saint Petersburg, Russian Federation

At present the consumer interest to the launch of small and very-small satellites rises. For their insertion the space small-lift rockets are used. It is expedient to create special small launchers for the launch of such rockets. The authors have developed a scheme of such a launcher, a technique and a calculation program

Hav

m г

ГРАДА Том 1

for nonstationary jet streams at launch taking into account the work of water supply systems in which the experimental results obtained for physical analogues and full-scale launching of space rockets are taken into consideration. In the process of calculation the parameters of the two-phase gas-droplet flow are determined, the values of force and heat loads on the elements of launcher and the rocket are found. Computationally intensive investigations show that one can create an operating launcher of minimum size with a short distance from the nozzle section to the jet deflector only when using two levels of water supply and nonrecoverable replaceable elements established at the vertex of jet deflector. The calculations performed make it possible to choose a combination of determining (key) parameters (a basic version) of the launcher

that provide the decrease of heat and force loads down to accepted values. The paper presents the computational results for this version, the physical processes, including peculiarities of the work of the two levels of water supply system, that occur at launch are analyzed, the data on the heat and force loads are given. The computational results with variation of the determining parameters are also offered. The processes that lead to increasing loads as the determining parameters vary are analyzed; the values of loads are presented.

174 Keywords: rocket engine, jet, jet deflector, water supply, launching table, flue-gas duct.

References

1. Zyuzlikov V. P., Sinilshchikov B. E., Sinilshchikov V. B., Rakitskaya M. V. Skhemnye resheniya SK malogo zaglubleniya dlya zapuska RKN legkogo klassa [Schematic Circuit Solutions for Launch Complex with Low Penetration for Launching an Light Class Space Rockets]. Sb. trudov nauchno-tekhnicheskoy konferentsii «VII Utkinskiye chteniya». SPb, BGTU, 2015. (In Russian)

2. Zyuzlikov V. P., Sinilshchikov B. E., Sinilshchikov V. B., Tenetko V. A. Teplovye i erozionnye protsessy v PU dlya zapuska RKN legkogo klassa [Thermal and erosion processes in launchers for the launch of space rockets of light class]. Sb. materialov mezhdunarodnoy konferentsii «VI Utkinskiye chteniya». SPb, BGTU, 2013. (In Russian)

3. Sinilshchikov B. E., Sinilshchikov V. B. Issledovanie termosilovogo nagruzheniya gazootrazhatelej startovyh kompleksov raket kosmicheskogo naznacheniya pri rabote sistem vodopodachi [Investigation of force and thermal loading of jet deflectors of launch complexes of space rockets during the work of water supply systems]. The Research of the Science City, 2017, vol. 1, no. 2, pp. 61-71. (In Russian)

4. Zyuzlikov V. P., Sinilshchikov B. E., Sinilshchikov V. B., Rakitskaya M. V. Chislennye issledovniya nestatsionarnykh protsessov pri zapuske raketnogo dvigatelya [Numerical studies of nonstationary processes during the launch of a rocket engine ]. The Research of the Science City, 2017, vol. 1, no. 3, pp. 103-114. (In Russian)

5. Biryukov G. P., But A. B., Khotulev V. A., Fadeev A. S. Gazodinamika startovykh kompleksov [Gasdynamics starting complexes]. Moscow, Restart Publ., 2012, 364 p. (In Russian)

6. Parks E. K. and Peterson R. E. Analysis of a Coande type flow. AJAA J, 1968, vol. 6, no. 1.

Article history

Received 29 May 2017 Accepted 18 September 2017