Усовершенствование пневмосистемы запуска ракетных двигателей путём стабилизации давления рабочего тела и улучшения её динамических характеристик

Abstract

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.05.17 – гидравлические машины и гидропневмоагрегаты. – Национальный технический университет "Харьковский политехнический институт". – Харьков, 2017. Диссертация посвящена исследованию усовершенствованной пневмосистемы многократного запуска маршевого жидкостного ракетного двигателя верхней ступени ракеты-носителя с насосной подачей компонентов топлива в камеру сгорания. Система запуска, в состав которой входит часть пневмоблока двигателя, осуществляет раскрутку турбонасосного агрегата за счет подачи сжатого гелия из шаробаллона на турбину. Особенностью системы является использование регулятора давления гелия с пневмоуправлением. Исследованная система обеспечивает пять включений двигателя РД861К при идентичных импульсах давления подачи газа, имеющих прямоугольную вершину и предельно крутые фронты. Разработан и использован в практике проектирования новый комплекс дискретно-континуальных математических моделей для газодинамического расчета этой пневмосистемы, а также анализа сил трения и утечек газа во фторопластовых манжетных уплотнениях регуляторов. В моделях учтены новые эффекты: теплообмен газа со стенками полостей и трубопроводов; инерционность газа при его выпуске из баллона; фактор сжимаемости гелия; нагрев гелия при дросселировании; проникновение уплотняемого давления в зазор между манжетой и стенкой, и ряд других. После чего отклонение расчетных значений давления газа от результатов огневых испытаний составило менее 1% Создана и реализована расчетная методика исследования пневмосистемы на динамическую устойчивость и автоколебания. В методике использованы уточненные результаты гармонической линеаризации для колебаний расхода газа через дроссель и силы трения в манжете, а также новый метод расчета импеданса разветвленной системы трубопроводов. Выведено трансцендентное уравнение для частот и амплитуд свободных нелинейных колебаний системы и предложены методы его решения. Точность определения частот автоколебаний составила 2%. Получены аналитические соотношения для параметров пневмосистемы, обеспечивающие динамическую устойчивость или автоколебания малой амплитуды. Исследованы газодинамические характеристики металлорукава, используемого в дренажной системе лабораторного стенда для исследования и настройки системы. Разработана новая концепция и внедрена конструкция стенда, позволяющая экономить гелий при доводочных испытаниях системы. Выполнено расчетно-экспериментальное исследование системы, а его рекомендации по изменению параметров регулятора, снижающие колебательность и улучшающие другие динамические характеристики, внедрены на двигателе.

The thesis for the scientific degree of the Candidate of Technical Sciences by specialty 05.05.17 – hydraulic machines and hydropneumatic units. – National Technical University "Kharkiv Polytechnic Institute", Kharkiv, 2017. The dissertation describes research of perfected pneumatic starting system of a main restartable liquid-propellant rocket engine destined for a launch vehicle upper stage. The starting system, which structure includes a part of the engine pneumatic unit, performs turbopump spin-up by supplying compressed helium to its turbine. A feature of the system is application of a pneumatically controlled helium pressure regulator. New complex of discrete-continual mathematical models is developed and implemented in the designing practice for the gas-dynamic analysis of this pneumatic system and analysis of friction forces and gas leaks through fluoroplastic lip-type seals of regulators. New computational method is proposed for the developed system’s dynamic stability research. The gas-dynamic characteristics of a metal hose are researched. New concept of the laboratory stand is developed and implemented to enable helium saving at development tests. Experimental-computational research of the pneumatic system is performed, recommendations of which are introduced into the engine in relation to the regulator parameters reducing oscillations and improving other dynamic characteristics.