Научная статья на тему 'Исследование режимов обтекания ступени ракеты при ее спуске в атмосфере'

Исследование режимов обтекания ступени ракеты при ее спуске в атмосфере Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

CC BY
45
10
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
СТУПЕНЬ / РАКЕТА / ГАЗОВЫЙ ПОТОК / STAGE ROCKET / GAS STREAM

Аннотация научной статьи по механике и машиностроению, автор научной работы — Куденцов В.Ю., Трушляков В.И.

Проведено численное моделирование газового потока на внешней поверхности

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по механике и машиностроению , автор научной работы — Куденцов В.Ю., Трушляков В.И.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

RESEARCH FLOW REGIME ROCKET STAGES WHEN ITS DESCENT IN ATMOSPHERE

A numerical simulation of the gas flow on the outer surface of stage space rocket. Defined modes and flow region of the gas stream.

Текст научной работы на тему «Исследование режимов обтекания ступени ракеты при ее спуске в атмосфере»

УДК 629.76

В.Ю. Куденцов, V. Ун. Kudentsov В. И. Трутников, V.l. Tntshhakov

Омский государственный технический уннверснтет, г, Омск. Россия Omsk State Technical University. Omsk. Russia

ИССЛЕДОВАНИЕ РЕЖИМОВ ОБТЕКАНИЯ СТУПЕНИ РАКЕТЫ ПРИ ЕЕ СПУСКЕ В АТМОСФЕРЕ

RESEARCH FLOW REGIME ROCKET STAGES WHEN ITS DESCENT IN ATMOSPHERE

Проведено численное моделирование газового потока на внешней поверхности ступени ракеты космического назначения Определены режимы и области течения газового потока

A numerical simulation of The ga? flow oil the outer surface of stage space rocket. Defined modes and flow region of the gas stream.

Ключевые слова: ступень, ракета, газовый поток

Keywords: stage rocket, the gas sti-eam

Для решения проблемы снижения техногенного воздействия раке1 космического назначения (РКН) на окружающую среду предлагается обеспечивать управляемый спуск отделяющихся частей (ОЧ) ступени РКН с использованием активной бортовой системы увода (АБСУ) [1] Организация работы АБСУ основана на технологии низкотемпературной газификации жидких остатков компонентов ракетного топлива (КРТ) в баках РКН.

Одними нз основных особенностей функционирования АБСУ для решения задачи обеспечения управляемого спуска ОЧ ступени РКН в заданный район является:

- обеспечение манёвра разворота ОЧ ступени РКН в статически устойчивое положение:

- часть участка работы АБСУ будет осуществляться в верхних слоях атмосферы.

Одной из основных научно-технических задач реализации данной технологии является расчет аэродинамического нагрева топливных баков при движении в верхних слоях атмосферы и оценка влияния аэродинамического нагрева на процесс газификации жидких остатков топлива в баках.

С целью определения качественной картины течения газового потока по внешней обечайке ступени, моделирование проведём на примере (34 первой ступени перспективной РКН «Союз*2.1 в».

Для технического моделирования газовых потоков на внешней поверхности обечайки ступени применим метод, базирующийся на основе численного решения уравнений Навье-Стокса. осреднённых по Рейно.тьдсу.

Уравнение неразрывности

до д{риЛ _ — + h ' = 0. (2) dt ÔX;

Уравнение изменения количества движения

à{put) , d(p"ilij)_

et

op с — +

OX,

M

ÔIL

- +

OX,

cx! 3 4 c.T,

+—(3)

где - символ Кронекера (1=у—>£¡=1, Щ-^* ¿1]=0); р, р - соответственно давление и плотность газового потока: х, - декартовы координаты: щ - компоненты скорости: н\н'] - компоненты тензора рейнольдовских напряжений: ц - коэффициент динамической молекулярной

вязкости.

В дополнение к уравнениям (2)-(3) используется двухпараметрнческая к-е модель турбулентности [2]. Уравнения переноса кинетической энергии турбулентности и скорости ее диссипации:

д(рк)

д(рки.)

дг

%Ре) | д{рш])

ох.

<4

М +

Я

дк

ре

щ * дх }

ег

дх

ах.

де

ь;

£ дщ 8

(4)

(5)

где к - турбулентная кинетическая энергия; е - скорость диссипации турбулентной кинетической энергии: & коэффициент турбулентной вязкости.

Компоненты тензора напряжений находятся из соотношения:

сп.

Турбулентная вязкость вычисляется по формуле Колмогорова-Прандгпя ¡.1,=рС^к~/е. В уравнениях (4)-(5) модельные константы €¡^1.44; С?£=1.92; С,,=0.С>9: <7^=1.0: сгЕ=1.3.

Численное моделирование газовых потоков на внешней поверхности обечайки ступени проводилось с использованием программного комплекса «АЫ5У5 СЕХ». Расчётная область сетки состояла из 862 тыс, ячеек, Моделирование проводилось для высот 95: 65: 35 км. Начальные условия атмосферы задавались по параметрам стандартной атмосферы [3] Скорость движения ОЧ первой ступени РКН составляла 2500-^3000 м/с Принималось допущение. что угол атаки движения ОЧ ступени равняется нулю.

На рис. 1 приведена картина линий тока газового потока по внешней обечайке ступени, На рис. 2 представлен график изменения относительной скорости движения газового потока вдоль внешней обечайке ступени при движении на различных высотах атмосферы, На рис. 2 параметр V = 175 /770 - относительная скорость потока на внешней обечайке ступени РКН. где и^ - текущее значение скорости газового потока около границы пограничного слоя: и,о - скорость набегания невозмущенного потока за пределами пограничного слоя. Параметр

/ = х/Ь - относительный размер ОЧ ступени РКН. где .V - текущая координата, отсчитываемая от критической точки: Ьт - длина ОЧ ступени РКН.

уйсез^

щ } Чм> ■ Ж

4 г-,

О СКЮе+ОСЙ^

[гпвМ]

£.аоо_ юдоо <т>

д!

Рнс.1. Картина линий тока газовых потоков по внешней обечайке ступени ракеты

U

0 0.2 0,1 0,(5 0,8 ] I

Рнс.2. График ншенения относительной скорости движения газового потока вдоль внешней обечайке ступени прн движении на различных высотах атмосферы

Анализ моделирования газовых потоков вдоль поверхности ступени применительно для учета влияния аэродинамического нагрева конструкции ОЧ ступени РК"Н при ее движении на высотах от 100 до 30 км. на процесс низкотемпературной газификации жидких остатков КРТ в топливных баках показал:

1. Для топливного бака горючего (/ = 0.15-н 0.41) относительная скорость газового

потока U изменяется oí 0.75 до 0.9. Для расчетов осредненное значение U можно принять равное 0.83.

2. Для топливного бака окислителя (/ = 0.45-=- 0.95) относительная скорость

газового потока U изменяется от 0.91 до 0.98. При этом, за счет увеличения миделя ступени наблюдается небольшое увеличение скоросш натеканнж газового потока. Для расчетов можно принять среднее значение равное 0.95.

3. При спуске ОЧ ступени РКН с высот от 100 до 30 км, реализуются различные режимы обтекания поверхности газовым потоком. Смена ламинарного режима течения турбулентным, согласно [4]. зависит от большого числа факторов и происходит в диапазоне значений чисел Рейнольдса Re = (1.5 -г- 5) ■ 103.

4. Прн движении ОЧ ступени РКН а атмосфере с числами Маха (М=9.2-11) реализуются различные области течения газа около поверхности теплообмена. При числах Кнудсена (Кп=0.3-Ю.01) соответствующих движению в разраженной среде, расчет обтекания ведется для области течения со скольжением, при Кп<0.01 - область коитиниума, в которой действуют законы газовой динамики.

Библиографический список

1. Куденцов. В. К). Разработка бортовой системы снижения техногенного воздействия космических средств выведения на окружающую среду / В. ВО. Куденцов. В. И. Трушляков // Космонавтика и ракетостроение. - 2010. - № 3 (60). - С. 181-188.

2. Launder, В. Е, The numerical computation of turbulent flows / Launder, В, E., Spalding D. B. // Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering. - 1974. — № 2. — P. 269-289.

3. ГОСТ 4401-81. Атмосфера стандартная. Параметры. - Введ. 1982-07-01. - М. : Изд-во стандартов. 1982. - 181 с.

4. Основы теплопередачи в авиационной и ракетно-космической технике . В. С. Ав-дуевский [и др.] : под обш, ред. В, С. Авдуевского. В. К, Кошкина. - М. : Машиностроение. 1992. - 528 с.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.