Определение параметров движения границы раздела сред "газ – жидкость" в топливных баках космических ступеней ракет-носителей на пассивных участках полета

Abstract

В настоящей работе разработана методика для теоретического определения параметров движения границы раздела сред «газ –жидкость» в полостях топливных баков современных космических ступеней жидкостных РН в условиях микрогравитации (в период между запуском и остановом их маршевых двигателей) с учетом конструктивных особенностей внутрибаковых устройств обеспечения сплошности жидких компонентов топлива. Методика основана на использовании метода конечных элементов, метода объема жидкости и современных компьютерных средств конечно-элементного анализа (САЕ–систем). Она позволяет определять на пассивном участке полета космической РН параметры движения и формы свободной поверхности жидкости в баке, параметры формирующихся свободных газовых включений, эффективность внутрибаковых средств обеспечения сплошности компонентов топлива при «штатном» функционировании двигательной установки космической ступени.

У даній роботі розроблено методику для теоретичного визначення параметрів руху границі розділу середовищ «газ – рідина» у порожнинах паливних баків сучасних космічних ступенів рідинних РН в умовах мікрогравітації (в період між запуском і зупинкою їх маршових двигунів) із урахуванням конструктивних особливостей внутрішньобакових засобів забезпечення суцільності рідких компонентів палива. Методику засновано на використанні методу скінченних елементів, методу об'єму рідини і сучасних комп'ютерних засобів скінченноелементного аналізу (САЕ-систем). Методика дозволяє визначати на пасивній частині польоту космічної РН параметри руху і форми вільної поверхні рідини в баках, параметри вільних газових включень, що сформувались в рідині, ефективність внутрішньобакових засобів забезпечення суцільності компонентів палива при «штатному» функціонуванні двигунної установки космічного ступеня.

This paper presents a technique for the calculation of the parameters of motion of the gas–liquid interface in the propellant tanks of modern liquid-propellant launch vehicle space stages in microgravity conditions (between a start and a shutdown of their propulsion engines) taking into account the design features of in-tank propellant management devices. The technique is based on the use of the finite-element method, the volume-of-fluid method, and modern finite-element CAE systems. It allows one to determine the parameters of motion and the shape of the free liquid surface in the tank, the parameters of free gas inclusions formed in the liquid, and the efficiency of the in-tank propellant management devices in the passive portion of the launch vehicle flight for the normal operation of the propulsion system.