Детонаційний двигун для відведення відокремленого ступеня ракети з космічної орбіти

Рубрика: 
Космічні енергетика і двигуни
Золотько, ОЄ, Золотько, ОВ, Сосновська, ОВ, Аксьонов, ОС, Савченко, ІС
Косм. наука технол. 2021, 27 ;(4):32-41
https://doi.org/10.15407/knit2021.04.032
Мова публікації: Українська
Анотація: 
Розглянуто можливі шляхи розв’язання проблеми зниження засміченості космічних орбіт відокремленими ступенями ракет космічного призначення. Основними способами відведення ступені ракети з космічної орбіти є такі: застосування гальмівної детонаційної двигунної установки; газифікація залишків палива та використання газореактивної системи для створення імпульсу гальмування; продовження роботи основної двигунної установки після розділення ступенів; використання гарпуну для захвату ступені та парусу для подальшого її гальмування; використання антиракет чи бойових лазерів для руйнування ступені на орбіті з подальшим спаленням фрагментів ступені в атмосфері Землі. Для вибору оптимального способу вилучення з орбіти відпрацьованих верхніх ступенів ракет та розгінних блоків застосовано метод арифметичної прогресії, який має певні переваги порівняно з класичним методом аналізу ієрархій та вільний від притаманних цьому методу недоліків. Отримано ранжирований ряд варіантів розв’язання проблеми за п’ятьма найбільш значущими критеріями ефективності та доведено його стійкість.
       Запропоновано нову принципову схему гальмівної детонаційної двигунної установки. Спалення залишків компонентів ракетного палива у детонаційному режимі дозволяє з максимально можливою ефективністю створювати імпульс тяги, необхідний для відведення відокремленої ступені ракети з космічної орбіти. Проаналізовано характер залежності гальмівного імпульсу швидкості, швидкості входження відокремленої ступені ракети-носія до атмосфери Землі, потрібного значення величини питомого імпульсу тяги гальмівної двигунної установки (на прикладі другої ступені ракети-носія «Зеніт») від величини кута входження до атмосфери.
       Отримано нову аналітичну залежність, яка пов’язує величину тяги та питомого імпульсу тяги детонаційного двигуна з визначальними параметрами процесу детонації. Проведено обчислювальний експеримент та здійснено порівняння отриманих результатів з результатами розрахунку величини питомого імпульсу тяги за допомогою нової формули для паливних композицій на основі кисню, а також з відомими експериментальними даними та даними чисельного моделювання інших авторів. Використання результатів дослідження дозволяє здійснювати оперативну оцінку проектних параметрів детонаційного двигуна на етапі розгляду технічних пропозицій.
Ключові слова: гальмівна детонаційна двигунна установка, принципова схема детонаційного двигуна
Повний текст (PDF)
References: 
1. Zolotko A. E., Kovalenko N. D., Moroz Yu. I. (2012). Modeling the detonation process in the rocket engine chamber with a cylindrical nozzle attachment. Problems of high-temperature technology: Sat. scientific works. Dnepropetrovsk: Porogi Publishing House [in Russian].
2. Zolotko A. E., Kovalenko N. D., Moroz Yu. I. (2010). On the possibility of increasing the specific impulse of the detonation chamber thrust. Technical mechanics, No 1, 25—32 [in Russian].
3. Zolotko A. E., Kovalenko N. D., Strelnikov G. A., Moroz Yu., Andrievsky Yu. V. (2013). Modeling of the detonation process in a rocket engine chamber with a divergent nozzle. Problems of high-temperature technology: Sat. scientific labor. Dnepropetrovsk: Publishing House “Porogi”, 85—96 [in Russian]
4. Zolotko O. Ye., Zolotko O. V., Moroz Yu. I., Sosnovska O. V. (2018). The model of turbulent mixing of the burned gas with external environment in the pulse detonation engine chamber. Space Science and Technology, 24, No 6, 16—23.
5. Kovalenko N. D., Strelnikov G. A., Zolotko A. E., Kovalenko G. M. (2005). Achieved level and some directions of creation of rocket and space engines. Technical mechanics, No 2, 38—49 [in Russian].
6. Postnikov V. M., Spiridonov S. B. (2015). Choice of weighting coefficients of local criteria based on the principle of arithmetic progression. Science and education, No 9, 237—249.
7. Postnikov V. M., Spiridonov S. B. (2015). Multicriteria choice of a solution option based on additive convolution of indicators that are members of arithmetic progressions. Science and education, No 11, 443—464.
8. Sikharulidze Yu. G. (1982). Ballistics of aircraft. The main edition of the physical and mathematical literature. Moscow: Nauka [in Russian].
9. Yahyaev G. E. (2010). Fuzzy sets and neural networks: a tutorial. Moscow: Internet University of Information Technology. BINOMIAL [in Russian].
10. Chapman D. L. (1899). On the rate of explosion in gases. Philos. Mag. 47, 90—104.
11. Daniau D., Zitoun R., Couguet C., Desbordes D. (2001). Effects of Nozzles of Different Length and Shape on the Propulsion Performance of Pulsed Detonation Engines. High Speed Deflagration and Detonation, Fundamentals and Control. Eds. G. Roy, S. Frolov, D. Netzer, A. Borisov. Moscow: ELEX-KM Publishers, 251—262.
12. Döring W. (1943). On detonation processes in gases. Ann. Phys., 43, 421—436.
13. Endo T., Fujiwara T. (2002). A simplified analysis on a pulse detonation engine. Trans. Japan Soc. Aero. Space Sci., 44, No 146, 217—222.
14. Falempin F., Bouchaud D., Forrat B., Desbordes D., Daniau E. (July 2001). Pulsed Detonation Engine: Possible Application to Low Cost Tactical Missile and to Space Launcher. AIAA Paper 2001-3815.
15. Hinkey J. B., Bussing T. R. A., Kaye L. (1995). Shock tube experiments for the development of a hydrogen-fuelled pulse detonation engine. AIAA Paper. No. 95-2578.
16. Jouguet E. (1905). On the propagation of chemical reactions in gases. J. Mathématiques Pures et Appliquées. 1, 347.
17. Landau L. D., Lifshitz E. M. (1987). Fluid Mechanics -2nd ed. Butterworth-Heinemann, Oxford. Sec. 129.
18. Lee J. H. S. (2008). The Detonation Phenomenon. Cambridge Univ. Press, 388. www.cambridge.org/9780521897235.
19. Roy G. D. (2006). Combustion Processes in Propulsion: control, noise and pulse detonation. Elsevier Inc., 439.
20. von Neumann J. (1942). Collected Works Theory of detonation waves. O.S.R.D. Rept. 549, Vol. 6. Editions A. J. Taub. New York: Macmillan.
21. Wintenberger E., Austin J. M., Cooper M., Jackson S., Shepherd J. E. (2003). An analytical model for the impulse of a single-cycle pulse detonation tube. J. Propulsion and Power, 19, 22—38.
22. Wintenberger E., Austin J. M., Cooper M., Jackson S., Shepherd J. E. (2002). Impulse of a single-pulse detonation tube. Technical report, Graduate Aeronautical Laboratories. California Institute of Technology. Report FM00-8.
23. Zel’dovich Y. B. (1940). On the theory of the propagation of detonations in gaseous systems. J. Exp. and Theor. Phys., 10, 542—568. Available in translation as NACA TM 1261 (1950).