Моделирование процессов тепломассопереноса термокаталитического жидкостного ракетного двигателя малой тяги


Авторы

Лаптев И. В.1*, Цырендоржиев Э. С.2**

1. Исследовательский центр имени М.В. Келдыша, ГНЦ Центр Келдыша, Онежская ул., 8, Москва, 125438, Россия
2. Московский физико-технический институт (государственный университет), ул. Керченская, 1А, Москва, 117303, Россия

*e-mail: laptev@kerc.msk.ru
**e-mail: tsyrendorzhiev.es@gmail.com

Аннотация

Термокаталитические жидкостные ракетные двигатели малой тяги широко используются в качестве двигателей коррекции. Несмотря на все преимущества двигателя, связанные с его эффективностью, двигатель обладает рядом особенностей, которые осложняют его разработку и эксплуатацию. Одной из этих особенностей является отсутствие контура охлаждения, который бы позволил отводить тепло, быстро накапливающееся в конструкции двигателя при некоторых режимах его работы.
Ещё одной особенностью является непосредственно явление фильтрационного горения жидких монотоплив, используемое для формирования рабочего тела в сверхзвуковом сопле. Обеспечение стационарного фронта разложения или фронта, движущейся с низкой скоростью, камере сгорания является нетривиальной задачей и требует комплексной экспериментальной отработки. Проведение такого рода исследований осложняются оптической непроницаемостью пористой среды. К тому же при работе на стендовых установка следует учитывать, что некоторые штатные компоненты, используемые для данных типов двигателей, являются токсичными соединениями.
Вышеперечисленные причины и современный тренд на создание цифровых двойников изделий обуславливают необходимость в создании компьютерной модели, позволяющей облегчить и ускорить этап проектирования изделия.
В данной работе описана компьютерная модель теплового состояния термокаталитического ракетного двигателя малой тяги на жидком монотопливе на базе пакета программ «ЛОГОС». Предложенная модель учитывает кондуктивный перенос тепла по конструкции двигателя, фильтрационное горение жидкого монотоплива в камере сгорания, а также конвективный теплообмен между продуктами разложения монотоплива и элементами конструкции двигателя. Используемая модель фильтрационного горения на основе двухуровневых полунеявных разностных схем реализована в виде авторского модуля. Предложены способы ускорения вычислений за счёт использования одномерных моделей и эмпирических методик для отдельных процессов.
Проведено сравнение данных, полученных по результатам компьютерного моделирования, с результатами натурных испытаний двигателя.

Ключевые слова:

жидкостной ракетный двигатель малой тяги, модель теплового режима, фильтрационное горение, компьютерное моделирование, сопряженный теплообмен

Библиографический список

  1. Leverone F., Cervone A., Gill E. Cost analysis of solar thermal propulsion systems for microsatellite applications // Acta Astronautica, 2019, no.155, pp. 90-110. DOI: 10.1016/j.actaastro.2018.11.025
  2. Улыбышев С.Ю. Математическое моделирование и сравнительный анализ схем применения аппарата-буксироващика для решения задачи увода объектов космического мусора на орбиту захоронения. Часть 1. // Труды МАИ. 2019. № 106. URL: https://trudymai.ru/published.php?ID=105746
  3. Wucherer E.J., et al. Hydrazine Catalyst Production-Sustaining S-405 Technology // 39th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference and Exhibit, 2003, pp. 5079. DOI: 10.2514/6.2003-5079
  4. Lee K.H. et al. Firing Performance Measurement of Monopropellant Decomposition Catalyst and Domestic Development Status // Journal Korean Society of Propulsion Engineers, 2006, vol. 3, no. 10, pp. 109-117.
  5. McRight P. et al. Confidence Testing of Shell 405 and S-405 Catalysts in a Monopropellant Hydrazine Thruster // 41st AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference & Exhibit, 2005. DOI: 10.2514/6.2005-3952
  6. Коватева Ю.С., Богачева Д.Ю. Оценка теплового состояния камеры сгорания жидкостных ракетных двигателей малой тяги, работающего на экологически чистых компонентах // Труды МАИ. 2013. № 65. URL: https://trudymai.ru/published.php?ID=40191
  7. Формалёв В.Ф., Колесник С.А. Методика, алгоритм и программный комплекс по определению теплового состояния охлаждаемых микроракетных двигателей // Труды МАИ. 2014. № 78. URL: https://trudymai.ru/published.php?ID=53710
  8. Митрофанова Ю.А., Загитов Р.А., Трусов П.В. Оценка влияния учёта сопряжённого теплообмена между частями камеры сгорания и реагирующим потоком на результаты моделирования эмиссии оксидов азота // Труды МАИ. 2023. № 132. URL: https://trudymai.ru/published.php?ID=176856
  9. Sarazov A.V., Kozelkov A.S., Strelets D. Yu., Zhuchkov R. N., Modeling Object Motion on Arbitrary Unstructured Grids Using an Invariant Principle of Computational Domain Topology: Key Features // Symmetry, 2023, vol. 15 (11), pp. 2081. DOI: 10.3390/sym15112081
  10. Kozelkov A.S., Galanov N.G., Semenov I.V., Zhuchkov R.N., Strelets D.Yu. Computational Investigation of the Water Droplet Effects on Shapes of Ice on Airfoils // Aerospace, 2023, vol. 10, pp. 906. DOI: 10.3390/aerospace10100906
  11. Бабкин В.С., Лаевский Ю.М. Фильтрационное горение газов // Физика горения и взрыва. 1987. Т. 23. № 5. C. 27-44.
  12. Kesten A.S. Analytical study of catalytic reactors for hydrazine decomposition. Quarterly progress report. 1966. URL: https://archive.org/details/NASA_NTRS_Archive_19680001165/mode/1up
  13. Бабкин В.С., Дробышевич В.И., Лаевский Ю.М., Потытняков С.И. Фильтрационное горение газов // Физика горения и взрыва. 1983. T. 19. № 2. C. 17-26.
  14. Бабкин В.С., Дробышевич В.И., Лаевский Ю.М., Потытняков С.И. О механизме распространения волн горения в пористой среде при фильтрации газа // Доклады АН СССР. 1983. № 2. С. 1157–1161.
  15. Кандрюкова Т.А., Лаевский Ю.М. О некоторых подходах к моделированию фильтрационного горения газа // Сибирский журнал индустриальной математики. 2015. T. 18. № 4. C. 49-60.
  16. Рычков А.Д., Шокина Н.Ю. Математические модели фильтрационного горения и их приложения // Вычислительные технологии. 2003. Т. 8. C. 124-144.
  17. Лаевский Ю.М., Яушева Л.В. Моделирование процессов фильтрационного горения газа в неоднородных пористых средах // Сибирский журнал вычислительной математики. 2009. Т. 12. № 2. С. 171-187.
  18. Лаевский Ю.М., Попов П.Е., Калинкин А.А. Моделирование фильтрации двухфазной жидкости смешанным методом конечных элементов // Математическое моделирование. 2010. Т. 22. № 3. C. 74-90.
  19. Кутателадзе С.С., Леонтьев А.И. Тепломассообмен и трение в турбулентном пограничном слое. – М.: Энергоамтомиздат, 1985. – 320 с.
  20. Крайнов А.Ю., Миньков Л.Л. Численные методы решения задач тепло- и массопереноса. – Томск: STT, 2016. - 92 с.
  21. Авдуевский В.С., Галицейский Б.М., Глебов Г.А. и др. Основы теплопередачи в авиационной и ракетно-космической технике. – М.: Машиностроение, 1992. – 518 с.


Скачать статью

mai.ru — информационный портал Московского авиационного института

© МАИ, 2000—2024

 Вход