Аэродинамика и процессы теплообмена летательных аппаратов. Рубрика в журнале - Космическая техника и технологии
Статья научная
В представленной статье приведены результаты обработки экспериментальных данных, полученных при испытаниях аксиальных тепловых труб в составе теплопередающих элементов в условиях микрогравитации при проведении космического эксперимента «Фазопереход» и при сопровождении космического эксперимента в стендовых условиях. Описаны объекты исследования и экспериментальные установки для проведения испытаний. Рассмотрены типовые графики изменения теплопередающей способности и термического сопротивления тепловых труб при различных условиях подвода тепла к испарительной зоне и отвода от конденсационной зоны. В процессе сравнения результатов обработки наземных и лётных испытаний определено влияние микрогравитации на тепловые и эксплуатационные характеристики тепловых труб. Рассмотрены методики обработки полученных материалов космического эксперимента и методики исключения потерь тепла через теплоизоляцию теплопередающего элемента при проведении стендовых испытаний, даны предложения по дальнейшему использованию полученных научных результатов космического эксперимента.
Бесплатно
Статья научная
Для обеспечения безопасности экипажей пилотируемых транспортных кораблей на участке выведения в случае аварии ракеты-носителя используются реактивные блоки аварийного спасения, задачей которых является экстренное отделение возвращаемого аппарата с космонавтами от ракеты-носителя и увод его на безопасное расстояние. Одновременно ракетный блок аварийного спасения формирует необходимые условия для безударного отделения возвращаемого аппарата и его штатной посадки на земную или водную поверхности. Срабатывание ракетного блока аварийного спасения осуществляется по команде «авария», вырабатываемой системой управления ракеты-носителя в любой точке траектории выведения, начиная с момента старта. Для выбора энергетических характеристик ракетного блока, обеспечения устойчивости и управляемости отделяемого головного блока, включающего в себя ракетный блок аварийного спасения, переходный отсек и возвращаемый аппарат, в автономном полете с работающими и неработающими основными двигательными установками необходимо знание его аэродинамических характеристик в полетном диапазоне значений чисел Маха М∞, углов атаки αп и углов аэродинамического крена φn. При этом наибольшую сложность представляет определение влияния струй двигательных установок ракетного блока на аэродинамические характеристики отделяемого головного блока и газодинамического воздействия струй на поверхность возвращаемого аппарата. Исследование аэродинамических характеристик отделяемого головного блока системы аварийного спасения с работающими двигательными установками представляет собой весьма сложную задачу как в расчетном, так и в экспериментальном плане. В статье представлены результаты численных исследований аэродинамических характеристик отделяемого головного блока системы аварийного спасения создаваемого в России пилотируемого транспортного корабля нового поколения, а также валидации результатов расчетных исследований с использованием экспериментальных данных, полученных на масштабной модели в аэродинамических трубах. Исследования выполнены в диапазоне дозвуковых-гиперзвуковых скоростей полета и переменных значений нерасчетности струй.
Бесплатно
Статья научная
Одной из актуальных проблем космической отрасли является обеспечение мягкой посадки на Землю космических возвращаемых аппаратов и ступеней ракет-носителей с целью их повторного использования. Для решения этой проблемы может быть рассмотрен вариант использования парашютной системы с упругим звеном и тандемным разделением груза на две части, соединенные между собой тросом. Статья посвящена определению вязкоупругих свойств текстильного троса экспериментальной установки данной парашютной системы и построению математической модели его деформации при нестационарном механическом нагружении. В эксперименте получен коэффициент вязкого трения для погонной длины шнура, в то время как в литературе исследуются демпфирующие характеристики для образцов определенной длины. Математическая модель разработана в допущении упруговязкой модели Кельвина-Фойгта. Волновые эффекты при ударном воздействии не моделируются. Проведено математическое моделирование процесса опускания груза с параметрами стендового эксперимента. Результаты расчетов с применением экспериментально полученных коэффициентов удовлетворительно согласуются с экспериментом в части значений деформаций и максимальной перегрузки.
Бесплатно
Статья научная
Практика отработки изделий ракетно-космической техники последних лет показала монотонное возрастание удельной доли изделий с сильно нелинейными аэродинамическими характеристиками и тенденцию отхода от геометрических форм, которые можно свести к модельным осесимметричным задачам. Именно это определило создание и внедрение в практику экспериментальных исследований в ЦНИИмаш новых методов и технологий визуализации сложных трехмерных картин отрывных течений, возникающих в окрестности органов управления и надстроек. Самостоятельный интерес представляет исследование особенностей возникновения развитых отрывных зон, пульсаций давления, формирования вихревых образований, конденсации отдельных компонентов газовых потоков и других нестационарных процессов, которые необходимо учитывать в процессе аэродинамической отработки современных летательных аппаратов и сложных технических систем. В настоящей работе приведены результаты экспериментальных исследований структуры пространственного сверхзвукового течения потока газа перед плоскими препятствиями, расположенными на пластине. Теневым методом получена картина отрывного обтекания препятствия в плоскости симметрии течения, перпендикулярной к модели. Основной целью исследования была одновременная регистрация полей давления на поверхности пластины методом люминесцентных преобразователей давления. На основе полученных распределений давления рассчитаны аэродинамические нагрузки на поверхность модели и проведен анализ структуры потока в отрывной области перед препятствием.
Бесплатно
Статья научная
В работе кратко описаны цели и задачи планируемого космического эксперимента «Солнце-Терагерц» на борту Российского сегмента Международной космической станции. В частности, эксперимент направлен на изучение излучения Солнца в неисследованном терагерцевом диапазоне на частотах 1012…1013 Гц, получение новых данных о терагерцевом излучении Солнца, солнечных активных областях и солнечных вспышках. Представлены краткие описания тестовых стендов и методик проведения испытаний оптического тракта научной аппаратуры «Солнце-Терагерц». Также проведена оценка влияния внешних температурных условий на работу аппаратуры и стабильность получаемых результатов.
Бесплатно
Статья научная
Для обеспечения мягкой посадки возвращаемого аппарата проектируемого РКК «Энергия» пилотируемого транспортного корабля нового поколения планируется использование парашютно-реактивной системы посадки. Посадочная твердотопливная двигательная установка срабатывает непосредственно у земли на высоте 5-10 м. Струи двигательной установки оказывают влияние на аэродинамические характеристики возвращаемого аппарата на этом участке движения и воздействуют на посадочную поверхность. Сопла посадочной твердотопливной двигательной установки имеют нетрадиционную форму - прямоугольное критическое сечение переменной площади со сложной формой входного участка и косой срез выходного сечения. Течение в таких соплах мало изучено и требует проведения специальных исследований. Для определения влияния струй посадочной твердотопливной двигательной установки на аэродинамические характеристики возвращаемого аппарата и их воздействия на посадочную поверхность в рамках компьютерного моделирования планируется использование программного пакета FloEFD. В соответствии с принятой РКК «Энергия» практикой компьютерного моделирования, промышленным расчетам предшествует проведение тестовых расчетов, подтверждающих целесообразность использования пакета для решения данной задачи. Для тестирования пакета FloEFD на предмет возможности его использования для исследования течения в соплах посадочной твердотопливной двигательной установки выбрана задача расчета истечения затопленной холодной сверхзвуковой струи воздуха из осесимметричного конического сопла. В статье приводятся результаты расчетов и их сравнение с данными экспериментальных исследований.
Бесплатно
Статья научная
На основе консервативного метода потоков осуществлено численное моделирование потока вязкого теплопроводного газа внутри диффузорной части пространственного сопла. Расчеты проведены в широком диапазоне изменения параметров, влияющих на характер и структуру потока, в частности, на отрыв потока внутри сопла. Рассматривалось критическое сечение сопла прямоугольной формы, величина которого может меняться за счет изменения размера одной стороны. Плоскость среза сопла сильно наклонена по отношению к его продольной оси. Проведены исследования влияния величины площади критического сечения и давления в конфузорной части на параметры потока в диффузорной части сопла, положение отрыва потока, а также на поперечные силы, действующие на внутреннюю часть сопла. Приводятся распределения параметров течения внутри сопла. Осуществляется визуализация структуры потока внутри и вне сопла. Расчеты выполнены на основе параллельных алгоритмов, реализованных на многопроцессорном вычислительном комплексе кластерной архитектуры с использованием до 1 000 вычислительных узлов.
Бесплатно
Статья научная
Возвращаемый аппарат, входящий в состав разрабатываемого РКК «Энергия» пилотируемого корабля «Федерация», в штатной ситуации совершает посадку на специально подготовленные грунтовые площадки с использованием парашютно-реактивной системы. В нештатных ситуациях возвращаемый аппарат имеет возможность совершать посадку на воду. В этом случае для корректного учета нагрузок и проведения прочностных расчетов необходимо знание уровней гидродинамических воздействий на корпус аппарата и динамики его поведения в водной среде с учетом всех возможных погодных условий в районе посадки и всех возможных режимов работы парашютно-реактивной системы в нештатных ситуациях. В данной публикации представлены результаты численного моделирования посадки возвращаемого аппарата, входящего в состав пилотируемого транспортного корабля «Федерация», в условиях морского волнения. Рассмотрены случаи посадки как с работающей, так и с выключенной двигательной установкой. Приведены данные по изменению кинематических характеристик возвращаемого аппарата, действующих на него сил и моментов, а также по испытываемым им перегрузкам. Полученные данные требуются для дальнейшего анализа нагружения и прочностных расчетов конструкции корпуса аппарата.
Бесплатно
Оптимизация многослойного теплозащитного экрана солнечного зонда
Статья научная
Рассматривается задача оптимального выбора толщин слоев многослойного теплозащитного покрытия минимальной массы с учетом ограничений на допустимые температуры на границах слоев. Для решения оптимизационной задачи используется вычислительная схема, объединяющая метод спроектированного лагранжиана с квадратичной подзадачей и метод штрафной функции. Метод штрафной функции, характеризуемый большой областью сходимости, обеспечивает поиск хорошего начального приближения для метода спроектированного лагранжиана, обладающего отличными свойствами локальной сходимости. В качестве примера использования разработанного алгоритма и соответствующего программного обеспечения рассматривается задача выбора оптимальных толщин слоев теплозащитного экрана солнечного зонда, подвергающегося в процессе эксплуатации высокоинтенсивным радиационным тепловым нагрузкам. Приведены основные характеристики высокотемпературных материалов, представляющих интерес для использования в конструкции экрана солнечного зонда, и результаты расчета толщин двухслойного экрана с учетом зависимости теплофизических свойств материалов слоев от температуры и излучения с нагретой поверхности экрана.
Бесплатно
Особенности аэродинамики тонкостенных конструкций
Статья научная
В данной работе представлены результаты численных исследований обтекания модели типовой створки головного обтекателя цилиндро-конической формы в диапазоне пространственных углов атаки 0...360° при различных скоростях набегающего потока с использованием апробированных программных комплексов AeroShape-3D и FlowVision. Получены структуры течений вблизи поверхности тела, вычислены аэродинамические характеристики створок, проведено сравнение расчетных значений с данными экспериментальных исследований, проведенных ЦНИИмаш. Установлен сложный характер обтекания тонкостенных конфигураций с многочисленными зонами отрыва потока и скачками уплотнения в поле течения. Результаты, полученные в различных пакетах программ, отличаются незначительно и с приемлемой точностью совпадают с имеющимися экспериментальными данными. Таким образом, подтверждена возможность успешного использования математического моделирования для прогнозирования аэродинамических характеристик тонкостенных элементов конструкции для определения зон их падения. Задача надежного определения и уменьшения размеров зон отчуждения для отделяемых элементов конструкции ракет-носителей является актуальной в связи с интенсивным освоением территорий, используемых в качестве районов падения. Успешное решение этой задачи в значительной мере зависит от возможности исследования аэродинамических характеристик отделяемых элементов конструкции при пространственном обтекании в полетном диапазоне скоростей.
Бесплатно
Статья научная
Возвращаемый аппарат разрабатываемого в РКК «Энергия» пилотируемого транспортного корабля нового поколения в штатной ситуации совершает посадку на грунт с использованием парашютно-реактивной системы. В состав системы входит посадочная двигательная установка, предназначенная для снижения скорости движения аппарата на парашютах перед касанием поверхности посадки. Для определения требований к режиму работы двигательной установки необходимо знание величины вклада газодинамических воздействий струй двигателей на поверхность посадки и на сам возвращаемый аппарат. В данной публикации представлены результаты расчёта процесса посадки возвращаемого аппарата с работающей посадочной двигательной установкой на грунт. Приведены данные по распределению давления по грунту в районе посадки и по поверхности аппарата. Получаемые данные необходимы для уточнения конфигурации и режима работы двигательной установки.
Бесплатно
Программно-методический подход к моделированию динамики посадки лунного взлётно-посадочного корабля
Статья научная
В статье предлагается подход к реализации системы моделирования и анализа динамики посадки лунного взлетно-посадочного корабля на прикладном программном обеспечении Adams MSC Software и кодовой базе на языке программирования Python. Данный подход обусловлен потребностью автоматизации создания модели, ускорения процесса разработки и минимизации ошибок, так как совместное использование ряда технологий позволяет исключить ошибки, обусловленные человеческим фактором при выполнении рутинных операций. В процессе решения сложных инженерных задач, таких как посадка корабля на поверхность Луны, применяется принцип разбиения задачи на ряд более простых и мелких и, следовательно, используется ряд соответствующих технологий. Однако часто отсутствуют готовые решения под оригинальные задачи, поэтому возникает необходимость формализации процесса разбиения задачи разработки соответствующего инструмента для их решения.
Бесплатно
Статья научная
Возвращаемый аппарат разрабатываемого РКК «Энергия» пилотируемого транспортного корабля в штатном случае осуществляет мягкую посадку на земную поверхность с использованием парашютно-реактивной системы и посадочных устройств. В нештатных ситуациях возможна посадка возвращаемого аппарата на водную поверхность. В этом случае возникает необходимость определения гидродинамических воздействий на возвращаемый аппарат при касании водной поверхности и в процессе погружения в водную среду, а также исследования динамики поведения аппарата в последующие моменты времени. В данной публикации представлены результаты предварительных численных исследований гидродинамических воздействий на аппарат сегментально-конической формы при приводнении, выполненных с использованием программного комплекса FlowVision специалистами компании ТЕСИС и РКК «Энергия». Рассмотрен случай посадки на водную поверхность с неработающей твердотопливной двигательной установкой в условиях штиля и при отсутствии взаимодействия струй двигателей с водной поверхностью. Представлены данные по распределению давления по поверхности экрана агрегатного отсека в процессе погружения аппарата в водную среду и динамике поведения аппарата после приводнения. Приведены диаграммы структуры течения около возвращаемого аппарата в различные моменты времени, а также изменения по времени интегральных сил и моментов, действующих на аппарат. Данная информация необходима для детального анализа особенностей взаимодействий при приводнении.
Бесплатно
Статья научная
В статье исследуется влияние ветра на аэродинамические характеристики отделяемого головного блока (ОГБ) при аварии ракеты-носителя. Рассматривается случай аварии ракеты-носителя на старте - один из наиболее сложных для осуществления манёвра увода аппарата от аварийной ракеты. Решается модельная задача соосного разделения для конфигурации ОГБ с верхним расположением двигательной установки системы аварийного спасения и варианта работы основного ракетного двигателя без включённого двигателя разделения. В статье приводятся данные по суммарным аэродинамическим характеристикам ОГБ и его лобового теплозащитного экрана, структуре и параметрам поля течения около блока и в зазоре между отделяемыми частями, дающие представление об особенностях аэродинамики ОГБ при увеличении значений скорости и изменении направления ветра, а также в условиях интерференции. Показано существенное влияние на аэродинамические характеристики одновременного воздействия ветра и струй работающей двигательной установки системы аварийного спасения. Расчёты выполнены с помощью программного комплекса Flow Vision в квази-статической постановке.
Бесплатно
Статья научная
Рассматриваются особенности теплового режима негерметичного приборного отсека космического аппарата «Интергелиозонд», разрабатываемого НПО Лавочкина по заданию Госкорпорации «Роскосмос». Дается краткое описание космического аппарата, приводятся необходимые библиографические ссылки. В рамках программы «Интергелиозонд» создаются два одинаковых космических аппарата, которые будут производить физические исследования Солнца с близких расстояний, функционируя на гелиоцентрических внеэклиптических орбитах. Принимая во внимание условия применения космического аппарата, характеризуемые значительным изменением плотности падающего солнечного излучения, в его состав предлагается ввести сегмент на базе гидроконтура в дополнение к уже имеющейся основной системе обеспечения терморегулирования, построенной на базе тепловых труб и сотопанелей. Гидроконтур выполняет роль универсальной системы, которая обеспечивает температурный режим на этапах наземной отработки, а в период летной эксплуатации способна осуществлять теплоснабжение или дополнительное охлаждение приборного отсека. Представлен многовариантный, отличающийся более высоким уровнем сложности, процесс внедрения гидроконтура в состав системы обеспечения терморегулирования приборного отсека космического аппарата.
Бесплатно
Статья научная
Для разрабатываемого РКК «Энергия» многоразового пилотируемого корабля «Федерация» планируется использование парашютно-реактивной системы посадки, задачей которой является обеспечение близкой к нулю скорости движения возвращаемого аппарата на момент касания посадочной поверхности. В штатных ситуациях посадка аппарата осуществляется на подготовленные грунтовые площадки. В нештатных ситуациях аппарат сможет совершать посадку в том числе и на воду. В этом случае для проектных исследований необходимо знание уровней гидродинамических воздействий на корпус аппарата и динамики его поведения в водной среде. Ввиду большого разнообразия возможных режимов посадки на воду поиск требуемых характеристик традиционным экспериментальным путем, использовавшимся при создании кораблей Apollo и «Союз», не рационален прежде всего из-за большого потребного объема испытаний и их ограниченной информативности. Поэтому целесообразно применение компьютерного моделирования процесса посадки в современных программных комплексах с предварительной их валидацией. В данной работе представлены результаты тестирования программного комплекса FlowVision разработки ООО «ТЕСИС» с использованием экспериментальных данных, полученных при модельных испытаниях командного модуля корабля Apollo. Представлены данные по изменению давления на поверхности аппарата в процессе погружения и динамике его поведения в водной среде. Продемонстрирована целесообразность использования данного комплекса для исследований процесса посадки возвращаемого аппарата корабля «Федерация».
Бесплатно
Статья научная
При создании пилотируемых транспортных кораблей важнейшей задачей является обеспечение безопасности экипажа в случае аварии ракеты-носителя на участке выведения. С целью спасения экипажа в нештатных ситуациях создаются системы аварийного спасения, которые предназначены для отделения и увода корабля от аварийного носителя на безопасное расстояние в любой момент времени, начиная от старта и до окончания выведения. Для решения этой задачи в составе ракеты-носителя формируется отделяемый головной блок, включающий ракетный блок аварийного спасения с набором двигательных установок, пилотируемый транспортный корабль и переходной отсек между ракетным блоком аварийного спасения и пилотируемым транспортным кораблем. По такой схеме выполнены отделяемый головной блок системы аварийного спасения кораблей «Союз», «Аполлон», «Орион» и др. Основной отличительной особенностью нового ракетного блока аварийного спасения пилотируемого транспортного корабля по сравнению с существующими является его двухступенчатая конструкция, которая позволяет обеспечить спасение экипажа практически на любом участке траектории выведения. Важным этапом при разработке отделяемого головного блока системы аварийного спасения и выборе его параметров являются исследования аэродинамических характеристик с работающими и неработающими двигателями управления в автономном полете после отделения от аварийной ракеты-носителя. В последние годы для исследования аэрогазодинамики проектируемых изделий все шире применяется компьютерное моделирование, обладающее целым рядом преимуществ по сравнению с физическим моделированием, особенно на ранних стадиях проектирования. Промышленное использование компьютерного моделирования для исследований аэрогазодинамики предполагает определенную технологию, включающую этап предварительного тестирования программного обеспечения, планируемого к применению, с использованием экспериментальных данных по аналогичным изделиям. В данной публикации рассматривается один из примеров реализации такого подхода к исследованию аэродинамики отделяемого головного блока системы аварийного спасения пилотируемого транспортного корабля нового поколения, разрабатываемого РКК «Энергия». Представлены результаты расчетных исследований характеристик с использованием двух различных программных комплексов, выполненных РКК «Энергия» и ЦНИИмаш, и их сравнение с результатами испытаний модели в аэродинамических трубах ЦНИИмаш.
Бесплатно
Статья научная
Рассматриваются результаты численного моделирования течения струй посадочной много- сопловой двигательной установки возвращаемого аппарата сегментально-конического типа при взаимодействии с посадочной поверхностью. Рассчитываются как течение растекающихся по поверхности струй, так и индуцированное ими течение вблизи аппарата. Исследования проведены для нескольких расстояний между посадочной поверхностью и возвращаемым аппаратом. Для каждого случая рассчитывалось установившееся решение. Определены время установления течения и величины возмущающих аэродинамических сил, вызванных потоком окружающего воздуха, индуцированным струйным течением. Получена монотонная зависимость этих величин от расстояния до посадочной поверхности. В рассмотренной конфигурации расположения сопел двигательной установки на всех поверхностях возвращаемого аппарата имеется разрежение, и создается сила, уменьшающая тягу двигательной установки в вертикальном направлении. При этом формируется поток газа от струй, направленный в сторону лобовой части аппарата. Проведен расчет при отклонении продольной оси аппарата от вертикали. Получена структура течения, и оценено влияние на аэродинамические характеристики. Проведено исследование влияния уменьшения тяги двигателей на исследуемые параметры как за счет уменьшения давления в потоке струй, так и за счет уменьшения их поперечного сечения. Проводится визуализация пространственно-нестационарной структуры потока. Численное моделирование основано на консервативном конечно-разностном методе потоков. Расчеты осуществляются с использованием параллельных алгоритмов, реализованных на суперкомпьютере кластерной архитектуры.
Бесплатно
Статья научная
В статье представлены результаты численного моделирования ударно-волновых процессов, сопровождающих запуск твердотопливных двигателей системы аварийного спасения нового пилотируемого транспортного корабля (ПТК) при аварии ракеты-носителя на участке выведения корабля. Приведены данные по адаптации программного комплекса FlowVision для решения этого класса задач и верификации программного комплекса по результатам численного моделирования испытаний газодинамической модели масштаба М1:10 отделяемого головного блока системы аварийного спасения ПТК. В процессе исследования получены оценки амплитуд ударно-волновых воздействий на возвращаемый аппарат ПТК при различных режимах срабатывания двигателей ракетного блока аварийного спасения на различных участках полета ракеты космического назначения с ПТК. Анализ результатов расчетов показал, что максимальные значения ударно-волнового давления на возвращаемый аппарат реализуются при срабатывании системы аварийного спасения ПТК на начальном участке полета ракеты-носителя.
Бесплатно
Статья научная
Представлены результаты модельных экспериментальных исследований акустического воздействия струй сопел вертикального и горизонтального торможения посадочной твердотопливной двигательной установки возвращаемого аппарата перспективной пилотируемой транспортной системы на поверхность возвращаемого аппарата. Экспериментальные исследования выполнены в акустически заглушенном боксе соплового дифференциального стенда ГНЦ ФГУП «Центр Келдыша» при полном давлении рабочего тела перед соплами 60...120 кгс/см2 на высокотемпературных продуктах сгорания воздушно-этанолового топлива и на холодном воздухе. Исследования проводились с имитатором посадочной поверхности на модели масштаба 1:7 возвращаемого аппарата со всеми соплами посадочной двигательной установки, а также на модели масштаба 1:1,5 одиночного сопла вертикального торможения с регулируемым критическим сечением и макетом фрагмента кормовой части возвращаемого аппарата. Выполнен пересчет на натурные условия полученных экспериментальных данных, что необходимо для определения параметров акустической среды в обитаемом отсеке возвращаемого аппарата, и порождаемых внешним акустическим полем вибраций, действующих на оборудование и элементы электронной аппаратуры возвращаемого аппарата.
Бесплатно
