CC BY
18УДК 621.4
А. М. Ефремов, О. Э. Каширова
ОАО «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнева», Россия, Железногорск
ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ И ПЕРСПЕКТИВНЫЕ РАБОЧИЕ ТЕЛА ДЛЯ ДВИГАТЕЛЬНОЙ УСТАНОВКИ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА
Рассматривается используемые и перспективные рабочие тела для двигательных установок космического аппарат, а также проблемы, связанные с их использованием, и технические характеристики данных рабочих тел.
Для уже выведенных на орбиту или на межпланетную траекторию космических аппаратов нужны двигатели малой мощности (несколько киловатт или даже ватт) способные работать сотни и тысячи часов и многократно включаться и выключаться.
В настоящее время ксенон является типичным рабочим телом для высокоимпульсных ЭРД, таких как холловские и ионные двигатели.
С учетом предполагаемого использования холлов-ских ЭРД для выполнения транспортных операций в космосе (межорбитальные буксиры, тяжелые межпланетные зонды и т. д.) вопрос о поиске альтерна-
тивных рабочих тел становится весьма актуальной задачей.
Такие рабочие тела, как ртуть, а также щелочные металлы - калий, литий, цезий, использованные ранее в разработках ЭРД (1960-1980 гг.), обладают наименьшим потенциалом ионизации, а соответственно, и более высокими тягово-энергетическими характеристиками.
В настоящее время среди альтернативных ксенону рабочих тел для использования в холловских ЭРД рассматриваются криптон, аргон, азот и их смеси с ксеноном.
A. M. Efremov, O. E Kashirova JSC «Academician M. F. Reshetnev «Information Satellite Systems», Russia, Zheleznogorsk
USED AND PERSPECTIVE WORKING BODIES FOR PROPULSION INSTALLATION OF THE SPACE VEHICLE
Used and perspective working bodies for propulsion installation on the space vehicle and the problems of their usage are considered. Technical characteristics of the given working bodies are considered.
© Ефремов А. М., Каширова О. Е., 2010
УДК 62-251-762.89:532.5.013.12
Д. А. Жуйков
Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева, Россия, Красноярск
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ДИСКОВОГО МАЛОРАСХОДНОГО НАГНЕТАТЕЛЯ АВИАЦИОННЫХ И КОСМИЧЕСКИХ СИСТЕМ
На основе программного обеспечения по расчету течения в боковой пазухе центробежного нагнетателя проведены теоретические исследования течения между двумя вращающимися дисками как частный случай течения.
Высокие требования к надежности космических гидравлических систем с длительным временем пребывания в рабочем режиме определяют высокие требования к антикавитационным свойствам насосов [1]. Как правило, долговременные энергетические установки работают по конденсаторному циклу, и давление на входе в насос не может быть большим. При работе насоса не допускается даже локальной кавитации, приводящей при длительной работе к эрозии ко-
леса. Резкого улучшения кавитационных свойств можно достичь только применением дисковых насосов с гладкой поверхностью дисков.
Рабочее колесо дискового насоса представляет собой набор гладких плоских цилиндрических дисков с весьма малым зазором. При течении от центра к периферии в полостях дискового насоса реализуется в основном ламинарный режим, но не исключены случаи появления переходного и турбулентного режимов.
Решетневские чтения
Все диски рабочего колеса дискового насоса вращаются в одном направлении с одной угловой скоростью, но предложенная работах [2; 3] методика позволяет проанализировать течения в зазоре между двумя дисками.
На основе программы расчета течения [2; 3] были проведены теоретические исследования течения вязкой несжимаемой жидкости между двумя плоскими гладкими вращающимися дисками. Программа предназначена для расчета параметров ядра потока жидкости при течении в конических и сферических щелях. В данной программе реализован алгоритм расчета течения в конической щели боковой пазухи центробежного нагнетателя. Алгоритм расчета основывается на теории пространственного пограничного слоя [4; 5], т. е. течение в щели разбивается на течения: на неподвижной стенке, на вращающемся диске и течение в ядре потока. Исходными данными для расчета являются геометрия щели (нормальный зазор, радиус входа и выхода потока, угол наклона (для конической), а также радиус втулки и радиус кривизны (для сферической щели)), режимные параметры (объемный расход, угловая скорость вращения диска и стенки), и свойства рабочей жидкости (плотность и кинематическая вязкость). Начальными условиями являются закрутка жидкости и статическое давление на входе в щель.
Для проведения исследований использовалась схема течения между двумя вращающимися дисками при течении от центра к периферии. Исходные данные: радиус входа 5 мм, радиус выхода 30 мм, закрутка жидкости на входе 100 рад/с и давление на входе 1 МПа.
Как показали исследования, изменение угловой скорости ядра потока по радиусу диска имеет неоднозначный характер. Это вызвано различием влияния сил дискового трения на закрутку ядра потока и расходного течения. Что, соответственно, отражается на изменении статического давления в щели (рис. 1). В целом, изменение статического давления по радиусу щели имеет, хотя простой, но нелинейный характер, который определяется, главным образом, закруткой ядра потока и расходным течением. Чем больше скорость дисков, тем больше окружные напряжения трения, и тем больше закрутка потока. При этом окружная скорость ядра стремиться к окружной скорости дисков, а момент сопротивления трения на поверхности дисков растет намного быстрее (рис. 2).
Исследуемое программное обеспечение имеет интересную особенность: для дискового насоса больший эффект закручивания жидкости появляется при малых расходах, которое обеспечивает значительное повышение давления, что и требуется для насоса, а для обеспечения требуемого расхода рабочей жидкости рабочее колесо насоса выполняется из нескольких дисков.
В целом, проведенные теоретические исследования программного обеспечения [2; 3] математической модели течения в полостях вращения показали уве-
ренную возможность проводить расчет и предварительное проектирование дискового малорасходного нагнетателя авиационных и космических систем.
Р, МПа
1.80
1.60
1.40
Рис. 1. Изменение статического давления потока (Р) по радиусу диска (Д) при течении от центра, где объемный расход 10-5 м3, междисковой зазор 1 мм, а угловая скорость дисков: О - 100 рад/с; □ - 500 рад/с; Д - 1 000 рад/с, V - 2 000 рад/с
Рис. 2. Изменение момента сопротивления трения одной поверхности диска (шф по радиусу диска при течении от центра, где объемный расход 10-5 м3, междисковой зазор 1мм, а угловая скорость дисков: О - 2 000 рад/с; □ - 1 000 рад/с; Д - 500 рад/с; V - 100 рад/с
Библиографические ссылки
1. Овсяников Б. В., Краев М. В., Лукин В. А. Малорасходные насосы авиационных и космических систем. М. : Машиностроение, 1985.
2. Жуйков Д. А., Кишкин А. А., Краев М. В. Программа расчета течения в боковой пазухе ЦБН КА //
Научные направления высшей школы : тез. докл. НТП М-ва. образования РФ. М. : Изд-во МАИ, 2002.
3. Расчет потока в криволинейных полостях вращения (Spherical Slot) : свидетельство об офиц. регистрации прогр. для ЭВМ № 2002611792 от 18.10.2002 г. / Д. А. Жуйков, А. А. Кишкин, М. В. Краев, Д. В. Черненко, М. Г. Мелкозеров. Красноярск, 2002.
4. Кишкин А. А., Краев М. В., Карасев В. П. Оценка момента сопротивления на корпусе малорасходного насоса // Известия вузов. Авиационная техника. 1992. № 3. С. 40-44.
5. Кишкин А. А., Краев М. В., Майдуков А. В. Вращение диска в потоке, закрученном по закону твердого тела // Известия вузов. Авиационная техника. 1996. № 4. С. 42-47.
D. A. Zhuykov
Siberian State Aerospace University named after academician M. F. Reshetnev, Russia, Krasnoyarsk
THEORETICAL RESEARCHES OF A SMALL DISCHARGE DISK PUMP MATHEMATICAL MODEL FOR AVIATION AND SPACE SYSTEMS
Theoretical researches of the flow between two spinning disks as a particular case of the flow have been carried out on the basis of the software for designing the flow in the lateral chamber of the centrifugal pump.
© ^yifeoB fl. A., 2010
УДК 621.45.04.4
В. Ю. Журавлев
Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева, Россия, Красноярск
ОСОБЕННОСТИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ВЫВОРАЧИВАНИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ДИАФРАГМ-РАЗДЕЛИТЕЛЕЙ ТОПЛИВНЫХ БАКОВ БОЛЬШОЙ ПРОТЯЖЕННОСТИ
Рассматривается математическая модель процесса ного бака космического летательного аппарата.
Развитие и совершенствование ракетно-космической техники продолжается для изучения и освоения космического пространства, расширения исследований по применению космических средств при изучении природных ресурсов земли, в метеорологии, навигации, связи и других нужд материального производства. К летательным аппаратам ракетно-космических систем предъявляются особо высокие требования по параметрам, условиям работы и надежности при широком спектре выполняемых программ. Реализация поставленных задач определяет необходимость дальнейшего совершенствования теории процессов, протекающих в системах подач ракетно-космических модулей, что повышает качество проектирования, ускоряет отработку и сдачу более современных систем ракетно-космической техники в эксплуатацию.
Для решения большинства поставленных задач необходимо применение топливных баков увеличенного объема с вытеснительной системой подачи при гарантированном разделении газовой и жидкостной фаз. Такие баки применяются в системах коррекции и стыковки транспортных систем, в системах ориентации и стабилизации ступеней ракеты.
Важнейшим условием нормальной работы агрегатов космического летательного аппарата является непрерывность подачи компонентов. Непрерывность подачи компонентов может быть нарушена при нали-
выворачивания металлического разделителя топлив-
чии газовых пузырей в топливноподающих магистралях, например, при запуске в условиях невесомости или вследствие временного оголения заборного устройства, при маневре летательного аппарата. Для разграничения газовой и жидкостной фаз успешно применяется механические разделители. Механические разделители можно условно разделить на два больших класса: эластичные (неметаллические) и металлические. Неметаллические разделители выполняются из пластических материалов, стойких к компонентам, ассортимент которых ограничен. При кажущейся простоте схемы они достаточно сложны в реальном конструктивном исполнении. При небольшом перепаде давления между газовой подушкой и жидким компонентом положение разделителя, а следовательно, и жидкого компонента, может быть строго определено только при дополнении разделителя специально сконструированными приспособлениями. Дополнительные детали необходимы также для сбора компонента и надежной подачи его к заборной горловине. Форма эластичного разделителя в расправленном состоянии должна соответствовать форме бака, поэтому раскрой материала для последующей сварки оболочки или сшивание чехла может быть сложным даже для простой формы бака. Увеличение размера разделителя может привести к прекращению подачи компонента. Уменьшение размера разделителя приводит к увеличению объема незабранного компонента.
