Методы моделирования и результаты анализа отделения крышки узлов подвески парашютного контейнера от возвращаемого аппарата с использованием современных программных комплексов

ХОМЯКОВ М.К.

ОВСЯННИКОВА Н.Ю.   СЛОБОДЯНЮК Д.М.     БОРЗЫХ С.В.         ЦЕЛИН А.Р.

KHOMYAKOV Mikhail Kimovich — Candidate of Science (Engineering),

Head of Subdepartment at RSC Energia,

SLOBODYANYUK Dmitriy Mikhailovich — Candidate of Science (Engineering),

Engineer-mathematician 1st category at RSC Energia,

BORZYKH Sergey Vasilievich — Doctor of Science (Engineering), Professor,

Deputy Head of STC — Head of Department at RSC Energia,

Обеспечение безопасности возвращения экипажа является важнейшим требованием при проектировании и эксплуатации пилотируемых космических кораблей [1, 2]. Приземление возвращаемого аппарата (ВА) пилотируемого транспортного корабля (ПТК) нового поколения при штатном возвращении на Землю и в случае аварии носителя осуществляется при помощи парашютной системы (ПС).

Ввод ПС ПТК (рис. 1) подразумевает последовательную работу вытяжного, тормозного и основного парашютов.

парашютного контейнера

Крышка узлов подвески

5. Снижение на основном парашюте

Возвращаемый аппарат

1. Отделение крышки

2. Отделение крышки узлов подвески

Введение вытяжного парашюта

^^ 4. Снижение на тормозном парашюте

Крышка парашютного контейнера

Рис. 1. Этапы введения парашютной системы пилотируемого транспортного корабля и конструкция возвращаемого аппарата (рисунок — результат работы авторов )

Аналогичная схема ввода ПС используется на спускаемом аппарате (СА) корабля «Союз». При этом пиротолкателями [3] производится отстрел крышки парашютного контейнера (КПК), которая с помощью уздечки (трос длиной ~1,5 м) вытягивает из контейнера вытяжной блок (ВБ) с вытяжным парашютом (ВП). Скорость КПК после отстрела ~10 м/с.

При вводе ПС ПТК сначала отделяется КПК, затем с помощью пружинных толкателей отделяется крышка узлов подвески (КУП) (рис. 2), которая за уздечку вводит в действие ВБ (рис. 3). Толкатели сообщают КУП относительную скорость не более 5 м/с, которой может не хватить для успешного ввода ВБ. В связи с этим предлагается увеличение длины уздечки для того, чтобы КУП к моменту взаимодействия с ВБ набрала относительную скорость за счёт аэродинамического воздействия [4].

Рис. 2. Крышка узлов подвески и связанная с ней система координат (рисунок — результат работы авторов)

а)

б)

Рис. 3. Вытяжной блок (ВБ): а — фотография ВБ (данные АО «НИИ парашютостроения»); б — схема ввода ВБ (рисунок — результат работы авторов)

При разработке ПС СА корабля «Союз» был проведён большой объём экспериментальной отработки [5]. Современные возможности компьютерной техники и наличие проблемно ориентированных прикладных пакетов программ позволяют провести имитационное моделирование динамических процессов при работе составных элементов ПС, что в значительной мере снижает затраты на экспериментальную отработку, которая в этом случае необходима только для подтверждения достоверности расчётов.

В данной статье представлены особенности моделирования движения КУП и анализа результатов расчётов, а также рекомендации по возможным доработкам её конструкции, направленным на уменьшение раскрутки КУП.

Задача отделения КУП предполагает исследование движения крышки от начала работы толкателей до вытяжения строп ВП (до достижения относительного расстояния между КУП и возвращаемым аппаратом 30 м) с учётом взаимодействия КУП и ВБ и процесса вытяжения строп ВП в широком диапазоне начальных условий:

• •    скоростной напор q ₀ = 1…10 кН/м²;

• •    угол атаки а 0 = 9...22 ° ;

• •    пространственный угол крена Ф п0 = ±³⁰ ° ;

• •    высота H = 1…5 км;

• •    число Маха M = 0,1…0,7.

В общем случае эта задача требует исследования движения пяти тел (КУП, ВА, ВБ и двух тросов — уздечки и стропы тормозного парашюта, причём три последние нельзя представить в виде абсолютно твёрдых тел) в условиях влияния аэродинамического воздействия на каждое, что даже с учётом современных возможностей компьютерной техники является крайне трудоёмкой задачей.

В исследовании приняты следующие допущения: не учитывается динамика движения уздечки и строп, ВБ представляется абсолютно твёрдым телом, а его упругость вместе с упругостью уздечки учитывается в модели взаимодействия КУП и ВБ. Отдельно можно выделить случаи, когда взаимодействие КУП с ВБ может не оказывать существенного влияния на вращение крышки вокруг её центра масс (ЦМ). Это имеет место, когда при вытягивании ВБ из контейнера уздечка не ложится на кромку КУП с созданием момента, а впоследствии ускорение ВБ от аэродинамического воздействия больше, чем у КУП, что приведёт к их постепенному сближению без взаимодействия через уздечку. Это возможно в случае, если ВБ после попадания в поток сразу встаёт поперек него и получает максимальное аэродинамическое воздействие.

В связи с этим моделирование движения разбивается на два этапа:

• •    автономное движение КУП (исследуется вопрос её вращения с потенциальной возможностью намотки на неё уздечки);

• •    совместное движение ВА, КУП и ВБ с учётом их взаимодействия через уздечку и звено, соединяющее ВБ и ВА.

Второй этап более трудоёмкий, требует больших затрат времени на расчёт каждого варианта отделения, при этом является более точным.

В данной статье рассматривается первый этап, в котором помимо анализа безударности процесса отделения КУП оценивается вероятность наматывания ВБ на КУП.

Для проведения исследования используется следующий инструментарий.

Начальный участок движения КУП в возмущённой возвращаемым аппаратом аэродинамической среде, где влияние аэродинамической интерференции является определяющим, моделируется в программном комплексе FlowVision . Данный комплекс позволяет проводить численное моделирование движения с расчётом на каждом шаге интегрирования аэродинамического воздействия на КУП и ВА методом конечных объёмов с применением динамической сетки, где моделируется течение вязкого сжимаемого газа с использованием осред-нённых по Рейнольдсу уравнений Навье – Стокса и модели турбулентности k - е [6-10].

Полученные в результате расчёта в программном комплексе FlowVision кинематические параметры КУП и ВА при выходе КУП из зоны аэродинамической интерференции используются далее для расчёта динамики движения КУП и ВА с помощью программного комплекса Euler , который предназначен для численного моделирования динамики многокомпонентных механических систем в трёхмерном пространстве с учётом больших перемещений в нелинейной постановке. Пакет программ Euler даёт возможность автоматически генерировать математические модели исследуемых систем по их инженерному описанию [11].

Для работы аэродинамического расчётного модуля в пакете программ Euler используются автономные аэродинамические характеристики отделяемых тел, полученные в программном комплексе AeroShape-3D [12].

Расчёты показали, что в рассматриваемых диапазонах начальных параметров наблюдается стабильный набор как относительной линейной скорости КУП, так и угловой скорости в канале тангажа отz. На рис. 4 представлен типовой вариант отделения КУП при начальных условиях M = 0,23; q0 = 3 000 Н/м2.

Анализ движения КУП в потоке показал, что при увеличении модуля угловой скорости от z до значений свыше 400 ° /с наблюдается увеличение аэродинамического воздействия на КУП. Для приведённого выше варианта на рис. 5 проведено сравнение зависимостей аэродинамических коэффициентов КУП, полученных в квази-стационарной постановке с помощью пакета AeroShape-3D и при расчёте динамики движения КУП в пакете FlowVision в связанной с КУП системе координат (рис. 2).

а)

б)

Рис. 4. Отделение крышки узлов подвески (КУП) при номинальном положении её центра масс: а — кинограмма отделения крышки; б — зависимость угловой скорости КУП от в каналах крена от x ( ^— — — ), рыскания от y ( ^— • — ) и тангажа от z ( ^— ) и относительного расстояния !_о (”” ) от времени t (рисунок — результат исследований авторов)

а)

б)

в)

Рис. 5. Зависимости аэродинамических коэффициентов крышки узлов подвески (КУП) с_х, с_у, m_z от угла атаки а : ^^ — аэродинамические характеристики, полученные во FlowVision при раскрутке КУП до 1600 °/с; ■ и ■ — квазистационарные аэродинамические характеристики, полученные в AeroShape-3D при значениях пространственного угла крена ф п = 0° (красный) и ф п = 180° (зелёный) (рисунок — результат исследований авторов)

Этот эффект существенно затрудняет использование при моделировании квази-стационарных аэродинамических характеристик и предполагает использование программного комплекса FlowVision для моделирования движения на всём участке относительного движения, что существенно увеличивает время расчётов.

В рассмотренных вариантах КУП под действием аэродинамического потока набирает угловую скорость в канале тангажа более 1 400 ° /с. При увеличении напора угловая скорость может увеличиться до 2 000 ° /с. Движение крышки с такими угловыми скоростями создаёт риск наматывания на неё уздечки и вытяжного блока с вытяжным парашютом, что не позволит успешно ввести ПС.

С целью уменьшения интенсивности вращения КУП в канале тангажа была проведена оценка эффективности минимальных доработок конструкции крышки, которые могли бы повлиять на угловую скорость вращения.

Прорабатывалась гипотеза, что создание возмущений в каналах рыскания и крена может снизить скорость вращения КУП в канале тангажа. Рассматривались два конструкционных решения: смещение положения ЦМ КУП из плоскости Oxy при помощи балансировочных грузов и установка дополнительных аэродинамических поверхностей (рис. 6), форма и размеры которых определялись возможностью их размещения в пространстве под КУП.

Значение максимального смещения положения ЦМ КУП (3 см) выбиралось из условия, что необходимые для этого балансировочные грузы увеличат массу КУП не более чем на 15%.

Анализ полученных для этих вариантов аэродинамических характеристик КУП (рис. 7) показал, что использование дополнительных аэродинамических поверхностей не создаст условий для гарантированной закрутки крышки в канале крена или рыскания, так как значения аэродинамических моментных характеристик m_x и m_y в разы меньше m_z , и эта разница усиливается с учётом соотношения моментов инерции КУП. Кроме того, использование аэродинамических щитков сопряжено с необходимостью проектирования механизма их раскрытия и выполнения прочностного анализа.

Рис. 6. Варианты размещения дополнительных аэродинамических поверхностей на крышке узлов подвески (рисунок — результат работы авторов)

Рис. 7. Зависимости аэродинамических характеристик крышки узлов подвески с_x, m_x, c_y, m_y от угла атаки α для вариантов доработки конструкции:         — без доработок;        — 1-й вариант;        — 2-й вариант;

— 3-й вариант;        —смещение центра масс по оси Oz на +3 см (рисунок — результат исследований авторов)

Окончание рис. 7 на стр. ???

Рис. 7. Окончание рисунка. Зависимости аэродинамических характеристик крышки узлов подвески c_z, m_z от угла атаки а для вариантов доработки конструкции: ^^ — без доработок; ^— — — — 1-й вариант; ^»^ — 2-й вариант;

•••• — 3-й вариант; ^—^— —смещение центра масс по оси Oz на +3 см (рисунок — результат исследований авторов)

Из рис. 7 также видно, что смещение положения ЦМ КУП по оси Оz на +3 см намного эффективнее введения щитков и позволяет приблизить значения m_x к m_z . Однако расчёты динамики движения КУП (рис. 8) показали, что этого недостаточно для уменьшения скорости её вращения в канале тангажа. При смещении ЦМ на +3 см наблюдается интенсивное вращение КУП в каналах крена и рыскания, однако угловая скорость в тангаже по-прежнему близка к варианту с номинальным положением ЦМ (см. рис. 4).

Таким образом, вариант создания возмущений в каналах крена и рыскания не даёт удовлетворительных результатов по уменьшению интенсивности вращения КУП в канале тангажа.

В качестве альтернативного решения рассматривался вариант смещения положения ЦМ КУП по оси + Оx , что позволяет уменьшить интеграл аэродинамического момента в канале тангажа на полном обороте КУП (рис. 9).

Смещение положения ЦМ КУП на +3 см по оси Оx приводит к закрутке КУП с положительной угловой скоростью ω _z от толкателей. Это практически исключает дальнейшую раскрутку крышки в канале тангажа, однако приводит к появлению вариантов с попаданием КУП в спутный след (рис. 10). Учитывая то, что попадание в спутный след создаёт проблемы с наполнением купола парашюта и, соответственно, ставит под вопрос введение ПС, эти варианты необходимо исключить. Также стоит отметить, что в этом случае траектория относительного движения КУП проходит в опасной близости с ВА.

а)

б)

Рис. 8. Отделение крышки узлов подвески (КУП) при смещении положения её центра масс по оси Oz на +3 см: а — кинограмма отделения; б — зависимость угловой скорости КУП ш в каналах в каналах крена ш x (^"), рыскания ш y (^"), тангажа ш z (^") и относительного расстояния 1_отн ( •••• ) от времени t (рисунок — результат исследований авторов)

а)

б)

Рис. 9. Зависимости коэффициентов аэродинамического момента крышки узлов подвески m_x, m_y, m_z от угла атаки α при смещении положения ЦМ по оси Ox:

— при номинальном положении ЦМ; — xЦМ + 1 см;

— xЦМ + 2 см; — xЦМ + 3 см (рисунок — результат исследований авторов)

Рис. 10. Отделение крышки узлов подвески (КУП) при смещении положения её центра масс на +3 см по оси Оx: а — кинограмма отделения; б — зависимость угловой скорости КУП ш в каналах рыскания ш x ( — — — ), крена ш y ( — • — ), тангажа ш z ( ^— ) и относительного расстояния 1_отн ( •••• ) от времени t (рисунок — результат исследований авторов)

Выводы

В статье рассмотрена одна из важнейших операций ввода ПС ПТК — процесс отделения КУП. Создан гибкий подход к моделированию динамики отделения, основанный на рациональном использовании современных программных комплексов (FlowVision, Euler, AeroShape-3D) на отдельных участках траектории отделения КУП и позволяющий учитывать влияние эффекта аэродинамической интерференции. Выявлены критические эффекты (раскрутка КУП, вероятность намотки уздечки на КУП), которые могут повлиять на надёжность ввода ПС. Проанализированы варианты доработки конструкции КУП, не требующие её значительных изменений. Показана необходимость комплексных системных проработок проблемы надёжного безопасного отделения КУП.

Дальнейшее развитие подхода предполагает доработку математической модели совместного движения ВА, КУП и ВБ с учётом их взаимодействия через уздечку и стропу, соединяющую ВБ и ВА, учёт которого, возможно, позволит компенсировать раскрутку КУП. Однако для такой доработки необходимы надёжные экспериментальные данные о силовом взаимодействии элементов парашютной системы.