Якутин А.В. Математическое моделирование и численный анализ рабочих процессов в микро-ЖРД на базе МЭМС-технологий (1015833)
Текст из файла
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.
Характеристики
Тип файла PDF
PDF-формат наиболее широко используется для просмотра любого типа файлов на любом устройстве. В него можно сохранить документ, таблицы, презентацию, текст, чертежи, вычисления, графики и всё остальное, что можно показать на экране любого устройства. Именно его лучше всего использовать для печати.
Например, если Вам нужно распечатать чертёж из автокада, Вы сохраните чертёж на флешку, но будет ли автокад в пункте печати? А если будет, то нужная версия с нужными библиотеками? Именно для этого и нужен формат PDF - в нём точно будет показано верно вне зависимости от того, в какой программе создали PDF-файл и есть ли нужная программа для его просмотра.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
