Якутин А.В. Математическое моделирование и численный анализ рабочих процессов в микро-ЖРД на базе МЭМС-технологий (Математическое моделирование и численный анализ рабочих процессов в микро-ЖРД на базе МЭМС-технологий)

На правах рукописиУДК 629.7.036.5-543Якутин Александр ВладимировичМАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ И ЧИСЛЕННЫЙ АНАЛИЗРАБОЧИХ ПРОЦЕССОВ В МИКРО-ЖРД НА БАЗЕ МЭМСТЕХНОЛОГИЙСпециальность: 05.07.05«Тепловые, электроракетные двигатели и энергоустановки летательныхаппаратов»АВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата технических наукМосква – 2010Работа выполнена на кафедре «Ракетные двигатели» Московскогоавиационного института (государственного технического университета) МАИ,г. Москва.Научный руководитель:кандидат технических наук, доцент,Коломенцев Александр ИвановичОфициальные оппоненты:доктор физико-математических наук,профессор Стернин Леонид Евгеньевичкандидат технических наук,Реш Георгий ФридриховичВедущая организация:Федеральное государственное унитарноепредприятие «Центральный институтавиационного моторостроения им. П.И.Баранова»Защита состоится «13» 12 2010 г.

на заседании диссертационного советаД212.125.08 Московского авиационного института (государственноготехническогоуниверситета)поадресу:125993,г.Москва,А-80, ГСП-3, Волоколамское шоссе, д.4.С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Московскогоавиационного института (государственного технического университета).Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенный гербовой печатьюорганизации, просьба направлять по указанному адресу института.Автореферат разослан « 9 » 11 2010 г.Ученый секретарьдиссертационного советад.т.н., профессорЮ.В.Зуев2ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность темы. Концепция применения малых и микрокосмическихаппаратов (микро-КА) в настоящее время стала особенно актуальной из-застремления минимизировать стоимость жизненного цикла спутников дляразличных космических миссий путём уменьшения массы и размеров этихаппаратов. Использование современных технологий и материалов, новыхконструктивных решений позволяет существенно уменьшить габаритыэлектронной аппаратуры спутников, снизить потребляемую ею энергию иуменьшить в целом массу космических аппаратов (КА).

Это дает основание дляреализации ряда амбициозных космических программ за счет применениямикро-КА нового поколения.Некоторые задачи, выполняемые микро-КА, требуют коррекции орбиты иположения аппарата в космическом пространстве. Для управления такимиаппаратами и удовлетворения требований к точности управления положениемКА ключевой проблемой является создание ракетных микродвигателей (с тягой1 – 100 мН).Основнымиобластямиприменениякосмическихаппаратовсмикродвигателямиявляются:управлениекосмическимтелескопом,телекоммуникация, навигация, мониторинг ближайшего космическогопространства и различных ресурсов Земли, выполнение научных миссий наоколоземных орбитах, межпланетные полеты, зондирование космических тел,например, астероидов, инспектирование КА, формационные полеты, например,формирование сетки антенны для космического телескопа и многое другое.Высокие требования к точности управления положением микро-КА иодновременно малая масса двигательной установки (ДУ) не могут бытьобеспечены известными жидкостными ракетными двигательными установкамималой тяги.

В этой связи создание жидкостных ракетных микродвигателей(микро-ЖРД), обеспечивающих уровень тяги порядка 1 мН, включаяимпульсный режим работы, и одновременно имеющих очень малую массу,является актуальной задачей современного ракетного двигателестроения.Современные технологии, использующие микро-электромеханические системы(МЭМС), позволяют уменьшить размеры камер ракетных двигателей и снизитьмассу до величин, позволяющих их применение на наноспутниках (массой 1-10кг). Конструкция микродвигателей предполагает интеграцию микромодулейкомпонентов микросистем, таких как клапаны, магистрали, емкости длятоплива, тракты, сопла и т.д.

При разработке таких микродвигателейнеобходимо решение ряда проблем. Одной из них является отсутствие сведенийо рабочих процессах в микротрактах двигателя. Это, в свою очередь,обуславливает создание математических моделей процессов преобразованиятоплива и течения горячих продуктов в трактах, имеющих проходные сечения вдесятки микрометров. Другой проблемой является разработка новыхперспективных технологий, предусматривающих создание микротрактов,использование новых материалов, покрытий и т.д.3Данная работа посвящена исследованию рабочих процессов в микро-ЖРДна однокомпонентном топливе (гидразине) и проводилась в рамкахмеждународного проекта.Практическая отработка экспериментальных образцов создаваемых микроЖРД сопряжена с высокой стоимостью этих работ.

Высокая эффективностьрабочего процесса микродвигателей может быть обеспечена за счет созданиядостоверных математических моделей рабочих процессов в его камере, а такжеоптимизацией протекания этих процессов.Цель работы. Целью настоящей работы является созданиематематической модели внутрикамерных рабочих процессов микро-ЖРД наоднокомпонентном топливе применительно к трактам в несколько десятковмикрометров и разработка рекомендаций по геометрии камеры двигателя и попараметрам рабочих процессов для данного типа микро-ЖРД.Для достижения поставленной цели необходимо решить следующиезадачи:• разработкаматематическихмоделейтепловыхпроцессоввкаталитическоммикрореактореприразложениимонотоплива(гидразина);• разработка математических моделей гидро- и газодинамическихпроцессов течения в распределительном блоке, каталитическом реактореи сопле;• разработка математических моделей процессов теплообмена в ЧИПемикродвигателя (с учетом теплоотвода в его стенки);• разработкаметодикиматематическогомоделированиякамерымикродвигателя в целом и алгоритма решения этой модели;• определение тяги и удельного импульса микро-ЖРД в зависимости отконструктивных параметров камеры двигателя и параметров рабочихпроцессов;• проведение расчётов для конкретных элементов микро-ЖРД с цельюапробирования и верификации моделей и методов расчёта.Методы исследования.

Решению поставленных задач предшествовалпоиск и систематизация информации по:- типам ракетных микродвигателей;- существующим методам описания процессов термо-газодинамики (соспецификой микромасштабов);- химической кинетики (со спецификой разложения гидразина);- данным по теплофизическим свойствам компонентов газовой смеси.В основу метода исследования положены уравнения Навье-Стокса,уравнение сохранения энергии и уравнения химической кинетики.При проведении расчётов одним из основных методов был метод конечныхэлементов. Использовались вновь разработанные программы и комплекспрограмм computational fluid dynamics (CFD).

Для решения жестких системобыкновенныхдифференциальныхуравненийхимическойкинетикииспользовался метод «прогноза-коррекции», дополненный процедурой выборапеременногошагаинтегрированиявзависимостиотвеличиныподынтегральной функции.4Научная новизна. Впервые разработана математическая модельпроцессов преобразования монотоплива в конечные газовые продукты втрактах каталитического реактора, имеющего поперечные размеры в несколькодесятков микрометров.Разработана методика математического моделирования и комплекспрограмм для расчета течения газовых смесей в микроканале,распределительном блоке, каталитическом реакторе и микросопле Лаваля.Проведенычисленныеисследованиязависимостивыходныххарактеристик модели микро-ЖРД от основных параметров конструкции ирабочих процессов.Достоверность результатов диссертационной работы обеспечиваетсястрогостью постановки задач, использованием современных математическихметодов и программных продуктов для решений прикладных задач тепло- имассообмена в элементах микро-ЖРД, хорошим соответствием полученныхчисленных результатов опубликованным расчетным и экспериментальнымданным.Практическая ценность.

Разработанные математические модели,алгоритмы и комплекс программ могут быть использованы:- в научно-исследовательских и проектно-расчетных работах по изучениювнутрикамерных рабочих процессов в элементах микродвигателя;- в качестве инструмента для оптимизации выходных характеристик присоздании опытного образца микро-ЖРД и для снижения затрат на отработкумикродвигателей;- как лабораторный практикум к учебным курсам физической газовойдинамики, программным комплексам для решения задач тепломассообмена идинамики жидкости и газа.Автор защищает следующие основные положения работы:- математическую модель рабочих процессов микро-ЖРД на унитарномтопливе (гидразине);- математические методы и комплекс программ для расчета уравнениймодели;- алгоритм и программу аппроксимации теплофизических свойствкомпонент газовой смеси и аппроксимации эквивалентного тепловыделенияпри реакции разложения монотоплива, как функции двух переменных;- зависимости выходных характеристик микро-ЖРД от основныхконструкционных параметров элементов микро-ЖРД и параметров процессов,происходящих в них;- рекомендации по конструктивным и эксплуатационным параметраммикро-ЖРД.Апробация работы.

Основные результаты диссертационной работыдокладывались и обсуждались на следующих международных и всероссийскихконференциях:1) Российско-Китайская международная конференция по проектированиюаэрокосмической техники. (Москва, 24-28 сентября, 2007).2) XII International symposium on space propulsion. (Beijing, China, 8 – 12October, 2007).53) Всероссийскаяконференция молодых ученых и студентов«Информационные технологии в авиационной технике -2008». (Москва,21-24 апреля, 2008).4) XVIII научно-техническая конференция молодых ученых испециалистов. (Королев, 24- 28 ноября, 2008).5) Всероссийская конференция молодых ученых и специалистов «Будущеемашиностроения России».

(Москва, 25 – 27 ноября, 2008).6) XXXIII академические чтения по космонавтике «Актуальные проблемыРоссийской космонавтики». (Москва, 26 – 30 января, 2009).7) XXII Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция.(Казань, 17 – 19 мая, 2010).8) Всероссийская научно-техническая конференция «Аэрокосмическиетехнологии-2010» (Реутов, 28 сентября 2010).Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 работ, в том числе 4статьи в изданиях из перечня, рекомендованного ВАК, и 8 тезисов докладов нанаучно-технических конференциях.Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, пяти глав,заключения, списка литературы из 57 наименований. Объем диссертациисодержит 120 страниц текста.СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫВо введении дано обоснование актуальности темы диссертационнойработы и ее научной новизны. Приводится список конференций, на которыхдокладывались основные результаты работы, дается описание структуры исодержания диссертации. Представлены положения, выносимые на защиту.В первой главе рассмотрены преимущества разработки и внедрениямикрокосмических аппаратов, делается краткий обзор различных типовракетных микродвигателей и работ по математическому моделированиюрабочих процессов в элементах микро-ЖРД, описывается объект исследования.Работы, посвященные различным типам ракетных микродвигателей имоделированию процессов течения в микротрактах, появились в конце 90-ыхгодов.