Определение параметров колебаний топлива в баках космических ступеней ракет-носителей перед повторными запусками маршевого двигателя при малых уровнях заполнения

Abstract

Предложен подход к численному моделированию пространственных колебаний жидкого топлива в топливных баках космической ступени ракеты-носителя перед повторными запусками маршевого двигателя ступени, учитывающий взаимодействие жидкости с упругими стенками баков в условиях микрогравитации при малых уровнях заполнения баков и возмущающих ускорениях от работы исполнительных органов систем управления ориентацией и стабилизацией. Подход использует метод конечных элементов и средства компьютерного проектирования и анализа – CAD/CAE-системы. На основе математического моделирования колебаний верхней ступени могут быть определены следующие параметры: частоты, формы и обобщенные массы собственных колебаний компонентов топлива в баках ступени; амплитуды колебаний свободной поверхности компонентов топлива под действием возмущений от управляющих органов системы управления, а также оценено влияние колебаний конструкции ступени на работоспособность внутрибаковых устройств при многократных запусках маршевого двигателя.

Запропоновано підхід до чисельного моделювання просторових коливань рідкого палива в паливних баках космічного ступеня ракети-носія перед повторними запусками маршового двигуна ступеню, що враховує взаємодію рідини з пружними стінками баків в умовах мікрогравітації при малих рівнях заповнення баків і збурюючих прискореннях від роботи виконавчих органів систем керування орієнтацією і стабілізацією. Підхід використовує метод скінченних елементів і засоби комп'ютерного проектування та аналізу – CAD/CAE-системи. На основі математичного моделювання коливань верхнього ступеня можуть бути визначені такі параметри: частоти, форми і узагальнені маси власних коливань компонентів палива в баках ступеня; амплітуди коливань вільної поверхні компонентів палива під дією збурень від керуючих органів системи управління, а також оцінено вплив коливань конструкції ступеня на працездатність внутрібакових пристроїв при багаторазових запусках маршового двигуна.

An approach to a numerical simulation of 3D oscillations of a liquid propellant into space stage tanks of the launch vehicle before restarting of the stage cruise engine, taking into account the interaction between the fluid and elastic walls of the tanks under microgravitation conditions with small levels of tanks filling and disturbing accelerations from attitude control systems, is offered. The approach uses the finite element method and means of the computer-aided design and analysis (CAD/CAE systems). Based on a mathematical simulation of oscillations of the upper stage, the following parameters can be determined: frequencies, forms and generalized masses of natural oscillations of the propellant components into the stage tanks; amplitudes of oscillation of a free surface of the propellant components by the action of disturbances from the control system. The effects of oscillations of the stage design on the serviceability of intratank devices in restarting the cruise engine are also estimated by this approach.