Математичне моделювання запуску багатодвигунної РРДУ і ступеня ракети-носія «ЦИКЛОН-4М» з демпферами поздовжніх коливань

1Пилипенко, ОВ, Прокопчук, ОO, Долгополов, СI, Нiколаєв, ОД, Хоряк, НВ, Писаренко, ВЮ, Башлiй, ІД, Польских, СВ
1Інститут технічної механіки Національної академії наук України та Державного космічного агентства України, Дніпропетровськ
Косм. наука технол. 2021, 27 ;(6):003-015
https://doi.org/10.15407/knit2021.06.003
Мова публікації: Англійська
Анотація: 
Маршові рідинні ракетні двигунні установки (РРДУ) перших ступенів космічних ракет-носіїв (РН) середнього, важкого і надважкого класу зазвичай включають демпфера повздовжніх коливань, які є одним з поширених способів усунення поздовжніх коливань рідинних РН (POGO-коливань). Однак до теперішнього часу теоретичні дослідження і аналіз впливу встановлення демпферів поздовжніх коливань в живлячих магістралях маршових рідинних ракетних двигунів (РРД) на перехідні процеси в системах при запусках РРД не проводилися через складність проведення такого аналізу і відсутність у дослідників, перш за все, достовірних нелінійних моделей кавітаційних явищ в насосах.
         Розроблено математичну модель запуску багатодвигунної РРДУ I ступеня ракети-носія «Циклон-4М», що включає чотири маршових РРД РД-870, з урахуванням встановлення демпферів поздовжніх коливань і неодночасного запуску РРД. Представлена нелінійна математична модель низькочастотних динамічних процесів в демпферах поздовжніх коливань з сильфонним розподілом рідкої і газової середовищ. Показано суттєвий вплив кавітації в насосах двигунів і демпферів поздовжніх коливань на частотні характеристики системи живлення окислювачем РРДУ. На основі розробленої математичної моделі запуску РРДУ були проведені дослідження динамічних процесів при запуску багатодвигунної РРДУ I ступеня РН «Циклон-4М» з урахуванням неодночасного вступу в роботу РРД і встановлення демпферів поздовжніх коливань як у відгалуженнях на РРД РД-870 біля колектора (штатне розміщення) , так і на вході в двигуни. Аналіз перехідних процесів в системі живлення окислювачем розглянутої РРДУ, залежностей витрати і тиску на вході в двигун від часу показав наступне. По-перше, при одночасному запуску двигунів встановлення демпферів поздовжніх коливань біля колектора дозволяє усунути майже всі закидання тиску на вході в двигун, які існують в РРДУ при відсутності демпферів поздовжніх коливань. При встановленні демпферів на вході в двигуни закидання тиску на вході в двигун практично відсутні. По-друге, неодночасність вступу в роботу РРД РД-870 негативно відбивається на залежностях від часу витрати і тиску на вході в двигун при розташуванні демпферов біля колектора. Так, в інтервалі часу 0,95с - 1,35 с для деяких варіантів зміщення моментів початку запуску двигунів спостерігається аномально велике падіння витрати окислювача на вході в двигуни і закидання тиску на вході в двигуни. Неодночасність запуску двигунів РД-870 при встановленні демпферів на вході в двигуни істотно не змінює перехідні процеси при запуску РРДУ в порівнянні з одночасним запуском двигунів. По-третє, таким чином, показано, що встановлення демпферів поздовжніх коливань як на вході в двигуни, так і в відгалуженнях на РРД РД-870 біля колектора, має суттєвий позитивний вплив на якість перехідних процесів при запуску РРДУ I ступеня РН «Циклон-4М ». Розміщення демпферів поздовжніх коливань на вході в двигуни не є штатним і розглядається без прив'язки до компонування РРДУ. Тим щонайменше демпфери, встановлені на вході в двигуни, є дієвим засобом щодо усунення закидання і провалів параметрів РРДУ, в тому числі в умовах неодночасного запуску РРД в складі багатодвигунної установки.
           Отримані результати можуть бути використані при математичному моделюванні запуску маршової РРДУ ракети-носія пакетної схеми або багатодвигунної РРДУ, що містять демпфери повздовжніх коливань.
Ключові слова: демпфер поздовжніх коливань, запуск, кавітація в насосах, неодночасність запуску, низькочастотні динамічні процеси, рідинний ракетний двигун, система живлення