Задачи устойчивости движения при перераспределении топлива в ракетах-носителях и космических аппаратах Текст научной статьи по специальности «Физика»

Общая и прикладная механика Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского, 2011, № 4 (2), с. 320-321

УДК 532.5

ЗАДАЧИ УСТОЙЧИВОСТИ ДВИЖЕНИЯ ПРИ ПЕРЕРАСПРЕДЕЛЕНИИ ТОПЛИВА В РАКЕТАХ-НОСИТЕЛЯХ И КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТАХ

© 2011 г. М.И. Степанова1, А.Н. Темное2

'Государственный космический научно-производственный центр им. М.В. Хруничева, Москва 2МГТУ им. Н.Э. Баумана, Москва

s_masyanya@mail.ru

Поступила в редакцию 16.05.2011

Перераспределение топлива, то есть передача топлива из одного объема в другой, является решением ряда проблем в авиационной и ракетно-космической технике. Одним из возможных путей улучшения энергетических характеристик современных ракет-носителей тяжелого класса, является повышение весовой эффективности конструкции за счет перераспределения части топлива из баков одной ступени в другую и обеспечения более полной заправки к моменту отделения предшествующей ступени. Новизной рассматриваемых проблем является исследование влияния перераспределения топлива на динамику конструкции разрабатываемой ракеты.

Ключевые слова: ракета-носитель, устойчивость движения системы, гидродинамическая задача, колебания жидкости переменной глубины, потенциал Жуковского.

Прогресс в освоении космоса и постоянно возрастающая коммерческая деятельность требует от конструкторов современной космической индустрии создания более надежных ракет-носителей (РН), разгонных блоков и космических аппаратов (КА), то есть средств выведения (СВ), с максимальными энергомассовыми характеристиками.

Основными задачами, возникающими при решении этой сложной проблемы, являются задачи, связанные с устойчивостью процесса подачи и перераспределения компонентов топлива и задачи устойчивости движения самих СВ.

Рассматриваемые проблемы устойчивости условно могут быть разделены на 2 класса: внешние и внутренние.

Внешние задачи устойчивости связаны с актуальным вопросом создания в космосе длительно эксплуатируемых спутников, созданием заправочных космических аппаратов (КА) и транспортно-космических систем в условиях, близких к условиям невесомости.

К внутренним задачам динамики можно отнести задачи, возникающие при подаче и перераспределении компонентов топлива с целью получения максимальных энегромассовых характеристик, а также задачи, связанные с разработкой КА, требующих многократного включения.

Поскольку жидкие компоненты топлива составляют 85% от всей массы РН, то представляется

интересным рассмотреть влияние перераспределения компонентов топлива на динамику возмущенного движения ракеты. Для этого была прежде всего рассмотрена гидродинамическая задача о движении жидкости, частично заполняющей подвижный бак и вытекающей через заборное устройство. Так как движение жидкости предполагается безвихревым, задача о возмущенном движении жидкости в полости подвижного твердого тела сводится к нахождению потенциала скоростей.

Задача о колебаниях топлива рассмотрена в линейной постановке и сводится к квазиста-ционарной задаче о колебаниях жидкости ограниченного объема с дополнительным динамическим граничным условием.

Рассматриваемая задача отличается от предыдущих [1-3] тем, что имеется наличие обобщенной координаты ^„(0, которая учитывает возмущение жидкости на поверхности слива. Под поверхностью слива понимается условная поверхность, через которую происходит забор компонента.

Получены решения спектральных задач о ко -лебаниях жидкости переменной глубины и задачи о вынужденных движениях жидкости; определены потенциалы Жуковского и гидродинамические коэффициенты уравнения.

Расчеты выполнены для полостей различных форм (цилиндрической, конической, сферической).

Построены области устойчивости в параметрах, характеризующих невозмущенное движение жидкости, и в плоскости параметров твердого тела.

В результате решения краевых задач с использованием уравнения количества движения и уравнения моментов для системы «твердое тело + жидкость», отбрасывая члены высших порядков малости, можно получить уравнения возмущенного движения РН в векторном виде и уравнения, описывающие колебания жидкости в движущейся полости. При этом s„(t) и ^„(0 являются обобщенными координатами, характеризующими движение жидкости на свободной поверхности и на поверхности слива.

Данная система уравнений полностью определяет возмущенное движение твердого тела с полостью, содержащей идеальную жидкость, и учитывает перетекание ее из одной емкости в другую.

Список литературы

1. Моисеев Н.Н., Петров А. А. Численные метода расчета собственных частот колебаний ограниченного объема жидкости. М.: ВЦ АН ССР. 1966. 269 с.

2. Рабинович Б.И. Введение в динамику ракет и космических аппаратов. М.: Машиностроение, 1975. 416 с.

3. Колесников К.С. Динамика ракет. М.: Машиностроение, 2003. 460 с.

THE PROBLEMS OF STABILITY OF MOTION OF LAUNCH VEHICLES AND SPACECRAFTS

WITH FUEL REDISTRIBUTION

M.I. Stepanova, A.N. Temnov

Fuel redistribution, in other words the transfer of fuel from one tank to another, is the solution of some problems in the aviation, rocket and space engineering. One of the ways to improve the power budget of modern heavy-class launch vehicle is to increase the weight efficiency due to the transfer of fuel from one rocket stage tank to another and provide a more complete filling at the separation moment. The novelty of the research is to study the influence of the fuel redistribution on the dynamics of the developed rocket design.

Keywords: launch vehicle, stability of the motion of the system, the hydrodynamic problem, sloshing of a variable-depth fluid, Zhykovski potential.