Особенности моделирования продольных колебаний верхних ступеней ракет-носителей со сложной конфигурацией топливных баков

Abstract

Рассмотрены методические аспекты построения математической модели продольных колебаний со-временных верхних ступеней жидкостных ракет-носителей, имеющих топливные баки сложной конфигурации. Определены особенности колебательного движения жидкого топлива и ряда элементов конструкции верхних ступеней исследуемого типа, которые необходимо учитывать при моделировании замкнутой динамической системы “жидкостная ракетная двигательная установка – конструкция верхней ступени”. Выполнено математическое моделирование динамического взаимодействия жидкостной ракетной двигательной установки и конструкции верхней ступени, имеющей топливный отсек сфероконической конфигурации, при этом характеристики собственных колебаний конструкции ступени в продольном направлении определялись на основе моделирования свободных пространственных колебаний конструкции ступени с использованием метода конечных элементов и современных CAD/CAE средств компьютерного проектирования. Исследованы возможности потери устойчивости верхней ступени с КА по отношению к продольным колебаниям при работе ее маршевой ЖРДУ.

Розглянуто методичні аспекти побудови математичної моделі поздовжніх коливань сучасних верхніх ступенів рідинних ракет-носіїв, які мають паливні баки складної конфігурації. Визначено особливості коливального руху рідкого палива та ряду елементів конструкції верхніх ступенів досліджуваного типу, які необхідно враховувати при моделюванні замкнутої динамічної системи “рідинна ракетна двигунна устано-вка – конструкція верхнього ступеня”. Виконано математичне моделювання динамічної взаємодії рідинної ракетної двигунної установки та конструкції верхнього ступеня, який має паливний відсік сфероконічої конфігурації, при цьому характеристики власних коливань конструкції ступеня в поздовжньому напрямку визначалися на основі моделювання вільних просторових коливань конструкції ступеня з використанням методу скінченних елементів і сучасних CAD/CAE засобів комп'ютерного проектування. Досліджено можливості втрати стійкості верхнього ступеня з КА стосовно поздовжніх коливань при роботі її маршової РРДУ.

Methodic aspects of building a mathematical model of the POGO for the modern upper stages of liquid rockets with complicated-configuration propellant tanks are considered. The oscillation special features of liquid fuel and some structure elements of the upper stages under consideration are determinated for modeling a closed dynamic system of the liquid propellant rocket engine and the upper stage structure. Mathematical modeling of the dynamic interaction of liquid-propellant rocket engine and the upper stage structure with the spheroconical fuel tanks having a complex spatial configuration is made. In so doing the stage structure natural oscillations character-istics in a longitudinal direction were computed by FEM and modern CAD/CAE systems on the basis of the mathematical model of the stage structure free spatial oscillations. Potential instability relative to the longitudinal oscillation of the rocket upper stage with spacecraft during the action of its main engine is studied.