Беляев Е.Н. и др. - Математическое моделирование рабочего процесса жидкостных ракетных двигателей

МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И НРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ мОскОВский ГОсудАРстненный АВиАциОнный институт (технический униВВРситет) Е.Н. БЕЛЯЕВ В.К. ЧВАНОВ В.В. ЧЕРВАКОВ МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА ЖИДКОСТНЫХ РАКЕТНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ Под редакцией проф. В.К. Чванова Рекомендовано Министерством общего и профессионального образованна Российской Федерации в качестве учебника дая студентов высших учебных заведений, обучающихся по направленюо "Авиа- и ракетостроение" и специальности "Ракетные двигатели" Москва Издательство МАИ 1999 ББК 39.62 Б 43 УДК 629.13.02.62-52 001.2 Рецензенты: кафедра "Конструкции и двигателей ракет" ВИКА им.

А.Ф. Можайского; академик РАН К.С. Колесников 18ВМ 5-7035-2221-8 Обобщены теоретические н экспериментальные работы в области математического моделирования рабочего процесса жидкостных ракетных двигателей. Изложен современный метод математического моделирования полного цикла эксплуатационных режимов рабаты ЖРД.

Книга предназначена для студентов, аслирангов и преподавателей технических вузов и университетов. Она также может быль полезна для специалистов по ракетной и авиационной технике. Б 2705140400 — 346 ББК 39.62 094(02) — 99 ! ЗВМ 5-7035-2221-8 © Е.Н. Беляев, В.К. Чванов, В.В. Черевков 1999 Беляев Е.Н., Чванов В.К., Черваков В.В. Б 43 Математическое моделирование рабочего процесса жидкостных ракетных двигателей: Учебник.! Под ред. В.К. Чванова.- Мз Изд-во МАИ, 1999.- 228 сз ил.

ПРЕДИСЛОВИЕ В настоящее время в России накоплен огромный опыт в области математического моделирования применительно к жидкостным ракетным двигателям (ЖРД). Развитие математического моделирования идет по двум взаимосвязанным направлениям: создание систем автоматизированного проектирования и производства и математическое моделирование рабочего процесса. Несмотря на зто, учебников, отражающих современный уровень математического моделирования рабочего процесса ЖРД, нет как в нашей стране, так и за рубежом.

В данной книге изложена основанная на опыте НПО «Энергомаш» полная нелинейная математическая модель, описывающая рабочий процесс ЖРД на всех режимах его работы. При написании учебника были использованы публикации ведущих специалистов НИИТП, ЦИАМ, ЦНИИМАШ и МАИ. Раздел «Введение» написан В.К. Чвановым, гл. 1 - Е.Н. Беляевым при участии В.К. Чванова и В.В. Червакова, гл. 2 - В.В. Черваковым при участии Е.Н. Беляева, гл.

3, 4, 5, 7, 8 - Е.Н. Беляевым, гл. 6- В.В. Черваковым. Авторы выражают искреннюю признательность академику РАН К.С. Колесникову и сотрудникам кафедры "Конструкции и двигателей ракет" ВИКА им. А.Ф. Можайского за ценные замечания, сделанные ими при рецензировании книги. ВВЕДЕНИЕ Сегодня трудно представить цивилизованный мир без ракетнокосмической техники. На повестке дня - создание мелдуиародного обитаемого космического комплекса, развертывание которого начинается в 1998 году. Производятся и будут продолжаться полеты к дальним планетам Солнечной системы. Обсуждается вопрос о создании на Луне постоянных исследовательских баз и заводов. Реализуются программы по выводу иа различные орбиты сотен спутников с целью всемирной информатизшцш (телефонизации, мониторинга, обмена информацией, обучения, проведения банковских операций, слежения за транспортом, быстрого обнаружения чрезвычайных ситуаций и решения большого количества других задач).

Все эти виды полезных нагрузок должны выводится в космос дешевыми и надежными ракетами-носителями, оснащенными высокоэффективными, высоконадежными, дешевыми и зкологически чистыми двигателями. Этим требованиям соответствуют ракеты и ракетные двигатели, работающие на жидких компонентах топлива. Наибольшее распространение получили ракеты, у которых двигатели работают на жидком кислороде и углеводородном горючем на первых ступенях и жидком кислороде и жидком водороде на верхних ступенях. Надежносп, эффективность и стоимость современных жидкостных ракетных двигателей определяется, в первую очередь, знанием и умением управлять динамическими процессами, происходящими в агрегатах двигателя при его функционировании.

С развитием вычислительной техники стало возможным математическое моделирование динамических процессов в двигателе, уменьшающее риск и затраты при отработке ЖРД. Математическая модель переходных процессов, предлагаемая авторами книги, описывает основные динамические режимы работы ЖРД: запуск, переходные процессы с номинального режима на повышенный (форсирование) илн понюкенный (дросселирование) и останов двигателя. Модель обобщает почти сорокалетний опыт работы специалистов НПО «Энергомаш» им. академика В.П. Глушко, полученный в процессе создания 53 мощных ЖРД и выполнения нескольких десятков проектов ЖРД с разными схемами, на различных компонентах топлива: жидкий кислород с углеводородными горючими, азотный тегроксид или азотная кислота с несимметричным димстилгилразином, жидкий фтор с жидким аммиаком, перекись водорода с углеводородными горючими.

По мере развнпш схем ЖРД уело»шялись физическая схематизация процессов в агрегата8 двигателя и их математическое описание. Возникла необходимость учета больпюго количества дополнительных процессов, происходшцих параллельно с основным функционированием агрегатов ЖРД: процессов кипения криогенных компонентов топлива; процессов перетекания жидкости или газа через различные лабиринтные и другие уплотнения, в том числе через концевые уплотнения между турбиной и насосом; процессов, происходжцих в теплообменниках; процессов заполнения и опорожнения полостей смеснтельных головок газогенераторов и камер сгорания; влияния газов, подаваемых на переходных режимах в смесительные головки с защитной целью или с целью эмульсирования компонентов топлива на переходных режимах и т.

л. Безусловно, совершенствование физической и математической моделей велось совместно со специалистами других конструкторских бюро, научно-исследовательских и учебных институтов. При совершенствовании математической н физической моделей процессов в ЖРД большое внимание уделялось идентификации расчетных и экспериментальных данных. В настоящее время в России и за рубежом нет учебников, посвященных математическому моделированию рабочего процесса ЖРД, которые соответствовали бы современному уровню в области ракетного двигателестроения. Авторы книги, обобщая опыт, накопленный в России ' при создании ракетных двигателей, стремились восполнить этот пробел и внести свою скромную лепту в математическое моделирование работы ЖРД. Предлагаемая математическая модель впервые дает единое описание работы ЖРД при запуске, на маршевом режиме и прн останове.

Авторы учебника искренне стремились к тому, чтобы разработанная ими математическая модель принесла максимально возможную пользу при создании новых ЖРД и познании процессов, происходящих в уже имеющихся двигателях. Желаем всем заинтересованным специалистам испытать удовлетворение от оживших на экранах компьютерных мониторов параметров ракетных двигателей. Г./?АВА 1. ЖРД КАК ОЪЕКТ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ 1.1.

ЗАДАЧИ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ЖРД представляет собой сложную техническую систему, содержащую множество агрегатов с болылнм количеством прямых и обратных связей. Поэтому при создании новых ЖРД наряду с традиционным экспериментальным подходом широкое применение получили методы математического моделирования.

К современным ЖРД предъявляют требования: - высокой надежности и экономичности их работы в условиях минимально возможных входных давлений компонентов топлива и широкого диапазона изменения их температур; - минимальных отклонений от заданных законов изменения давления в камере сгорания р„н коэффициента соотношения компонентов топлива Кш в течение всего времени работы двигателя, включая переходные режимы (запуск, переход с режима на режим, останов); - многоразовости запуска и многократности использования Процессы, происходящие в агрегатах ЖРД, столь сложны, что описать их строго с помощью математических зависимостей практически ие удается. Однако теоретический анализ процессов и имеющиеся экспериментальные данные позволяют выделить главные факторы, которые определяют те или иные внутридвигательные процессы.

Используя упрощенные физические представления (физические модели) о процессах в элементах и агрегатах ЖРД, их можно описать в виде математических зависимостей. Такое описание процессов в элементах и агрегатах ЖРД приюгго называть математической моделью элемента, агрегата. Совокупность математических моделей элементов и агрегатов ЖРД составляет математическую модель двигателя. Для одного и того же двигателя можно разработать модели различной степени подробности, а значит, и разной сложности, с различными пределами применимости модели по глубине изменения параметров, частотному диапазону и т.

и. Математическую модель можно считать удовлетворительной, если ее адекватность процессам, происходящим в двигателе, подтверждается экспериментом. Математическое моделирование сопровождает весь «жизненный цикл» двигателя и позволяет существенно сократить сроки и стоимость разработки ЖРД за счет рационального сочетания экспериментальных и расчетных методов исследования, используемых на всех этапах создания двигателя. На этапе технического предложешш и эскизного проектирования; - оцениваются и выбираются схемные решения ЖРД с точки зрения оптимизации его параметров; - выбираются основные характеристики пусковых н регулирующих устройств двигателя, обеспечивающих его запуск, останов и требуемые диапазоны регулирования; - выбирается циклограмма срабатывания пуско-отсечных клапанов и регулирующих органов ЖРД при его запуске, регулировании и останове (циклограмма - это последовательность подачи команд на клапаны и регулирующие органы); - определяются амплитудно-фазовые частотные характеристики двигателя ло каналам внешних воздействий с целью последующего исследования продольной устойчивости корпуса ракеты-носителя; - исследуются вопросы внугридиигательной устойчивости процессов; - оценивается совместная работа двигателя с ракетными и сгендовыми системами и исследуется ряд других вопросов.