Научная электронная библиотека ULRICH'S Periodicals Directory

Сибирский государственный университет
науки и технологий имени академика М.Ф. Решетнева

Сибирский аэрокосмический журнал
ISSN 2712-8970 (Print) ISSN 2782-5760 (on-line)

Сведения об образовательной организации

UDK 629.7.036.54 Doi: 10.31772/2712-8970-2021-22-2-316-327
Проектирование системы охлаждения многоразового жидкостного ракетного двигателя на трёхкомпонентном топливе
Беляков В. А., Василевский Д. О., Ермашкевич А. А., Коломенцев А. И., Фаризанов И. Р.
Федеральное казенное предприятие «Научно-испытательный центр ракетно-космической промышленности»; Российская Федерация, 141320, Московская область, г. Пересвет, ул. Бабушкина, 9. Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет); Российская Федерация, 125993, г. Москва, А-80, ГСП-3, Волоколамское шоссе, 4. 3АО «Уральский завод гражданской авиации»; Российская Федерация, 123308, г. Москва, просп. Маршала Жукова, 1, стр. 1.
В настоящее время в области двигателестроения весьма перспективной задачей является раз-работка трехкомпонентных двигательных установок (ДУ). Особый интерес представляют жид-костные ракетные двигатели (ЖРД), работающие на начальном участке выведения ракеты-носителя (РН) на паре топлива жидкий кислород + керосин и на высотных участках выведения с использованием криогенного топлива (жидкий кислород + жидкий водород). ЖРД, использующие трехкомпонентное топливо, имеют высокий уровень давлений в камере сгорания (КС) (до 30 МПа) и температур (до 4000 К). В связи с этим возникают вопросы, связанные с надежным охлаждением таких двигателей, а также обеспечение минимальных гидравлических потерь жидкости в тракте охлаждения в целях дальнейшего использования хладагента в качестве рабочего тела для привода турбины бустерного турбонасосного агрегата (БТНА). Объектом исследования является двухрежимный однокамерный трехкомпонентный ЖРД, выполненный по закрытой схеме с дожиганием генераторного газа. Окислитель – жидкий кислород, горючее – керосин марки РГ-1 и жидкий водород. Охлаждение камеры – комбинированное, состоит из регенеративного проточного и внутреннего. Тракт регенеративного охлаждения образован с помощью продольных фрезерованных ребер. В качестве охладителя двигателя используется сверхкритический водород. Внутреннее охлаждение включает в себя танталовое покрытие, нанесенное на огневую стенку камеры в районе критического сечения. В данной статье исследуются проблемы организации системы охлаждения (СО) и реализация эффективного теплосъема с огневой стенки трехкомпонентного ЖРД. На основании существующих систем охлаждения ЖРД в работе предложены оптимальные схемные решения и мероприятия, позволяющие снять тепловую нагрузку в наиболее напряженных местах. Разработана математическая модель для расчета СО трехкомпонентного ЖРД. Приведены результаты проектного расчета охлаждения по нескольким расчетным методикам.
Ключевые слова: ЖРД на трёхкомпонентном топливе, теплозащита корпуса двигателя, математическая модель ЖРД, тепломассообмен трехкомпонентных продуктов сгорания (ПС), система охлаждения.
References

1.  Атлас конструкций ЖРД. Ч. 1 / Г. Г. Гахун, И. Г. Алексеев, Е. Л. Березанская и др. М. : МАИ, 1969. 286 с.

2.  Моделирование рабочих процессов и конструкция элементов камеры ЖРД / Р. А. Бережинский, С.А. Соколов, С. Р. Гудкова и др. Воронеж : ВГТУ, 2002. 169 с.

3.  Добровольский М. В. Жидкостные ракетные двигатели, Основы проектирования. М. : МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2016. 461 с.

4.  Расчет комплексной теплопередачи в жидкостном контуре системы терморегулирования космического аппарата по реальной топологии и теплофизическим свойствам / Ю. Н. Шевченко, А. А. Кишкин, Ф. В. Танасиенко и др. // Сибирский журнал науки и технологий. 2019. Т. 20, № 3. С. 375–382. Doi: 10.31772/2587-6066-2019-20-3-375-382.

5.  Серяков А. В. Исследование течений в паровом канале коротких линейных тепловых труб // Сибирский журнал науки и технологий. 2017. Т. 18, № 3. С. 592–603.

6.  Ponomarenko A. RPA: Tool for Rocket Propulsion Analysis [Электронный ресурс]. URL: http://propulsion-analysis.com (дата обращения: 10.10.2020).

7.  Иевлев В. М. Турбулентное движение высокотемпературных сплошных сред. М. : Наука, 1975. 255 с.

8.  Ponomarenko A. RPA: Tool for Rocket Propulsion Analysis, Thermal Analysis of Thrust Chambers [Электронный ресурс]. URL: http://propulsion‑analysis.com/downloads/2/docs/RPA_ ThermalAnalysis.pdf (дата обращения: 10.10.2020).

9.  Основы теории и расчёта жидкостных ракетных двигателей / В. М. Кудрявцев, А. П. Васильев и др. М. : Высш. шк., 1975. 656 с.

10.  Салахутдинов Г. М. Развитие методов теплозащиты в жидкостных ракетных двигателях. М. : Наука, 1984. 256 с.

11.  Elliot D. G., Bartz D. R., Silver S. Culculation of turbulent boundary-layer grouth and heat transfer in axi-symmetric nozzles // Tech. Rep. JPL. 1963. No. 32-387. 45 p.

12.  Dewey M. S. A comparison of experimental heat-transfer coefficients in a nozzle with analytical predictions from Bartz’s methods for various combustion chamber pressures in a solid propellant rocket motor // A thesis submitted to the Graduate Faculty of North Carolina State University Raleigh in partial fulfillment of the requirements for the Degree DEPARTMENT OF Master of Science: Department of mechanical and aerospace engineering. Releigh, 1970. 99 p.

13.  Хоблер Т. Теплопередача и теплообменники. Л. : Госхимиздат, 1961. 821 с.

14.  Определяющие тепловые сопротивления в модели жидкостного контура системы терморегулирования космического аппарата / Ю. Н. Шевченко, А. А. Кишкин, Ф. В. Танасиенко и др. // Сибирский журнал науки и технологий. 2019. Т. 20, № 3. С. 366–374. Doi: 10.31772/2587-6066-2019-20-3-366-374.

15.  Зимин А. Ю. Разработка стенда огневых испытаний жидкостного ракетного двигателя на топливе жидкий кислород и жидкий водород тягой 100 кН : диплом специалиста. М. : МАИ, 2017. 106 c.

16.  Рабочие процессы в жидкостном ракетном двигателе и их моделирование / Е. В. Лебединский и др. М. : Машиностроение, 2008. 512 с.



Беляков Владислав Альбертович – аспирант, инженер кафедры 202 «Ракетные двигатели»; Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет). E-mail: titflavii@rambler.ru.

Василевский Дмитрий Олегович – аспирант, инженер кафедры 202 «Ракетные двигатели», Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет); инженер 1 категории, Федеральное казенное предприятие «Научно-испытательный центр ракетно-космической промышленности». E-mail: zudwa_dwesti_dwa@rambler.ru.

Ермашкевич Алексей Александрович – аспирант кафедры 202 «Ракетные двигатели»; Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет). E-mail: alex.ermashkevich@yandex.ru.

Коломенцев Александр Иванович – кандидат технических наук, профессор, профессор кафедры 202
«Ракетные двигатели», Московский авиационный институт (Национальный исследовательский университет). E-mail: a.i.kolomentsev@yandex.ru.

Фаризанов Ильнур Равинатович – инженер-конструктор 1 категории; АО «Уральский завод гражданской авиации». E-mail: chelsea.physic@gmail.com.
  Проектирование системы охлаждения многоразового жидкостного ракетного двигателя на трёхкомпонентном топливе