CC BY
12Проектирование и производство летательных аппаратов, космические исследования и проекты
УДК 532.5
М. И. Дьяченко
Государственный космический научно-производственный центр имени М. В. Хруничева, Россия, Москва
А. Н. Темнов
Московский государственный технический университет имени Н. Э. Баумана, Россия, Москва
ЗАДАЧИ УСТОЙЧИВОСТИ ДВИЖЕНИЯ ПРИ ПЕРЕРАСПРЕДЕЛЕНИИ ТОПЛИВА В РАКЕТАХ-НОСИТЕЛЯХ И КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТАХ
Перераспределение топлива, т. е. передача топлива из одного объема в другой, позволит решить ряд 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.
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 в докладе проблемы устойчивости условно могут быть разделены на два класса: внешние и внутренние.
Внешние задачи связаны с актуальным вопросом создания в космосе длительно эксплуатируемых спутников, заправочных космических аппаратов и транспортно-космических систем в условиях, близких к условиям невесомости.
К внутренним можно отнести задачи, возникающие при подаче и перераспределении компонентов топлива с целью получения максимальных энергомассовых 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.
Данная задача о колебаниях топлива рассмотрена в линейной постановке и сводится к квазистационарной задаче о колебаниях жидкости ограниченного
объема с дополнительным динамическим граничным условием.
Рассматриваемая задача отличается от предыдущих [1-3] тем, что имеется обобщенная координата Хи(0, которая учитывает возмущение жидкости на поверхности слива. Под поверхностью слива понимается условная поверхность, через которую происходит забор компонента.
Получены решения спектральных задач о колебаниях 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, используя уравнения количества движения и уравнения моментов для системы «твердое тело + жидкость», отбрасывая члены высших порядков малости, получены следующие уравнения возмущенного движения в векторном виде и уравнения, описывающие колебания жидкости в движущейся полости:
к кг оо
Ми + МьЧГ; + ^ 10,и + ^ ^ Ь^+
к со
к оо
¿=1 ™=1 к к
¿=1«=1
. ч ч \ к
+)1++X +
й ¡С _ к сс _
¿=1т1=1 &-1-П— 1
к
- Ч&ЧёГ) + /У = М-
Решетневскце чтения
_(тп) /■■
in = 1,2 ..., и = 1,2,3 ..., где
™ -КК^Щ'
гтпа ^'mt.
При этом 5Я(0 и 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 ее перетекание из одной емкости в другую.
Библиографические ссылки
1. Моисеев Н. Н., Петров А. А. Численные методы расчета собственных частот колебаний ограниченного объема жидкости / ВЦ АН ССР. М., 1966.
2. Рабинович Б. И. Введение в динамику ракет и космических аппаратов. М. : Машиностроение, 1975.
3. Колесников К. С. Динамика ракет. М. : Машиностроение, 2003.
M. I. Dyachenko
Khrunichev State Research and Production Space Center, Russia, Moscow
A. N. Temnov
Bauman Moscow State Technical University, Russia, Moscow
THE PROBLEMS OF MOTION STABILITY IN THE PROCESS OF FUEL REDISTRIBUTION IN LAUNCH VEHICLES AND SPACECRAFTS
Fuel redistribution, or the transfer of fuel from one tank to another, is the solution for some problems in 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 impact offuel redistribution on the dynamics of the developed rocket design.
© Дьяченко М. И., Темнов А. Н., 2012
УДК 629.78
М. Д. Евтифьев, А. А. Раскин
Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева, Россия, Красноярск
ИССЛЕДОВАНИЕ ТАКТИКО-ТЕХНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК СОВРЕМЕННЫХ РАКЕТ-НОСИТЕЛЕЙ ЛЕГКОГО КЛАССА
На материале из открытых источников делается анализ тактико-технических характеристик современных ракет-носителей легкого класса, а также производится их сравнение.
Развитие космонавтики на настоящем этапе потребовало запуска космических аппаратов (КА) малых размеров и массы, которые выполняют работу в области связи, телекоммуникации, навигации, дистанционного зондирования Земли. Для выведения подобных КА применяются в основном ракеты-носители (РН) легкого класса. В связи с большой потребностью многих стран в таких КА на современном этапе, этот класс РН стал активно использоваться, что привело к разработке и созданию новейших РН легкого класса.
Развитие РН легкого класса берет свое начало с 1960-х гг. когда, в частности, в СССР выводились на низкие орбиты КА серии «Космос». До настоящего времени Россия использует для выведения малых КА ракеты-носители, созданные на базе межконтинентальных баллистических ракет (МБР) «Рокот», «Днепр», «Стрела», «Штиль-2», «Волна», «Старт», «Старт-1» [1].
На современном этапе разрабатываются РН легкого класса специально для выведения малых КА «Ангара», «Союз 2-1 в» («Союз-1»).
В США имеется большой ряд РН легкого класса, созданных специально для выведения КА «Дельта-2», «Дельта-4», «Атлас-5», «Пегас-ХЬ», «Таурус-ХЬ», «Фалкон-1» а также создается «Таурус-2» («Антарес»). На базе МБР в США создана серия РН легкого класса «Минотавр» [2].
В Китае исторически сложилось, что в основном РН легкого класса являются ракеты-носители, созданные на базе МБР. Однако в настоящее время в КНР разрабатывается серия РН «С2-5» специально для выведения КА, куда входят и РН легкого класса.
Индия использует в качестве РН легкого класса серию ракет «PSLV», созданных специально для выведения малых КА.
