Применение циклической симметрии и метода подконструкций в термопрочностном расчете камеры сгорания ЖРД с кислородным охлаждением

Рассмотрена задача анализа напряженно-деформированного состояния камеры сгорания и сопловой части маршевого жидкостного ракетного двигателя (ЖРД) с кислородным охлаждением. Предложена комплексная конечно-элементная методика математического моделирования конструкции, позволяющая существенно снизить трудоемкость решения задачи на этапах расчета и проектирования. Методика основана на использовании циклической симметрии и сведена к анализу критических зон изделия методом подконструкций, что позволило значительно снизить размерность задачи. Законы изменения температуры и давления для трех характерных режимов работы во времени считались известными. Моделирование циклического нагружения конструкции в физически нелинейной постановке выполнено в среде программного комплекса ANSYS. По результатам расчета дана оценка напряженно-деформированного состояния конструкции и выявлены зоны возможного разрушения, возникающие вследствие эффекта малоцикловой усталости. Предложенная методика показала свою практическую ценность и может быть рекомендована для внедрения для сокращения числа дорогостоящих огневых испытаний.

Литература

[1] Sutton G.P., Biblarz O. Rocket Propulsion Elements. New York, John Wiley&Sons, 2001. 751 p.

[2] Смоленцев А.А., Стриженко П.П. Анализ огневых испытаний экспериментальных камер сгорания ЖРД для РБ типа ДМ с кислородным охлаждением. Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета им. академика С.П. Королёва (национального исследовательского университета), 2011, № 3(27), с. 191–198.

[3] Armstrong E.S., Schlumberger J.A. Cooling of Rocket Thrust Chambers with Liquid Oxygen. AIAA/SAE/ASME/ASE, 26th Joint Propulsion Conference, Orlando, Florida, 1990, 90–2120, 10 p.

[4] Hempsell M., Bond A., Bond R., Varvill R. Progress on the SKYLON and SABRE Development Programme. 62nd International Astronautical Congress, 2011, vol. 9, pp. 7519–7525.

[5] Hempsell M. Progress on the SKYLON and SABRE. Proceedings of the International Astronautical Congress, 2013, vol. 11, pp. 8427–8440.

[6] Лупяк Д.С., Лакеев В.Н. Исследования по созданию разгонного блока с повышенными энергомассовыми характеристиками. Вестник ФГУП НПО им. С.А. Лавочкина, 2011, № 5, с. 26–29.

[7] Калмыков Г.П., Лебединский Е.В., Тарарышкин В.И. Анализ возможных направлений совершенствования кислороднокеросиновых ЖРД. Москва, ФГУП «Исследовательский Центр им. М.В. Келдыша», 2002. 14 с.

[8] Аверин И.Н., Егоров А.М., Тупицын Н.Н. Особенности построения, экспериментальной обработки и эксплуатации двигательной установки разгонного блока ДМ-SL комплекса «Морской Старт» и пути ее дальнейшего совершенствования. Космическая техника и технологии, 2014, № 2(5), с. 62–73.

[9] Короткая О.В. Термопрочностной расчет сопловой части ЖРД с использованием метода подконструкций. Междунар. конкурс научн. работ по приоритетным направлениям развития науки, технологий и техники в Российской Федерации. Сб. тр., Москва, НИИ электроники и лазерной техники, 2012, c. 263–269.

[10] Гаврюшин С.С., Красновский Е.Е., Короткая О.В., Стриженко П.П., Катков Р.Э. Использование метода подконструкций для термопрочностного расчета камеры жидкостного ракетного двигателя. Инженерный журнал: наука и инновации, 2013, вып. 4. URL: http://engjournal.ru/catalog/machin/rocket/705.html.

[11] Короткая О.В., Гаврюшин С.С. Расчет камеры сгорания перспективного ЖРД на основе метода подконструкций. Мат. XX Междунар. симпозиума «Динамические и технологические проблемы механики конструкций и сплошных сред» им. А.Г. Горшкова. Т. 1. Москва, ООО «ГР-принт», 2014, c. 50–52.

[12] Короткая О.В., Гаврюшин С.С. Расчет камеры сгорания ЖРД с кислородным охлаждением на основе метода подконструкций. Материалы XXI Международного симпозиума «Динамические и технологические проблемы механики конструкций и сплошных сред» им. А.Г. Горшкова. Т. 1. Москва, ООО «ГР-принт», 2015, c. 50–52.

[13] Гаврюшин С.С., Короткая О.В., Ягодников Д.А., Полянский А.Р. Расчет и проектирование камеры сгорания перспективного ЖРД на основе метода подконструкций. Ракетные двигатели и энергетические установки. Мат. докл. Всерос. науч.-техн. конф., посвященной 70-летию основания кафедры ракетных двигателей Казанского авиационного института (КАИ) (г. Казань, 21–22 мая 2015 г.), Казань, Изд-во Казан. ун-та, 2015, c. 149–152.

[14] Короткая О.В., Гаврюшин С.С. Термопрочностной расчет сопловой части камеры сгорания перспективного жидкостного ракетного двигателя с кислородным охлаждением с использованием метода подмоделей для оптимизации финансирования при создании новых ЖРД. Сб. матер. Всерос. науч.-техн. конф. «Ракетно-космические двигательные установки», посвященной 90-летию со дня рождения заслуженных деятелей науки и техники РФ, лауреатов Государственной премии СССР, д-ров техн. наук, профессоров В.М. Кудрявцева и В.М. Поляева и 185-летию Московского государственного технического университета им. Н.Э. Баумана, Москва, ИИУ МГОУ, 2015, с. 65–67.

[15] Korotkaya O.V. Substructure Method for Thermal-Stress Analysis of Liquid-Propellant Rocket Engine Combustion Chamber. World Academy of Science, Engineering and Technology, International Science Index 88, International Journal of Mechanical, Aerospace, Industrial and Mechatronics Engineering, 2014, no. 8(4), pp. 738–741.

[16] Bathe K.–J. Finite element procedures in engineering analysis. New Jersey, Prentice–Hall, 1982. 735 p.

[17] Гаврюшин С.С., Барышникова О.О., Борискин О.Ф. Численные методы в динамике и прочности машин. Москва, Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2012. 492 с.

[18] Ягодников Д.А., Антонов Ю.В., Новиков А.В., Стриженко П.П., Быков Н.И. Исследование процесса течения кислорода в рубашке охлаждения камеры ЖРД. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Машиностроение, 2014, № 6, с. 3–16.

[19] Каплун А.Б., Морозов Е.М., Олферьева М.А. ANSYS в руках инженера: Практическое руководство. Москва, Едиториал УРСС, 2003. 272 с.

[20] Морозов Е.М., Музеймек А.Ю., Шадский А.С. ANSYS в руках инженера: Механика разрушения. Москва, ЛЕНАНД, 2010. 456 с.

[21] Бидерман В.Л. Механика тонкостенных конструкций. Москва, Машиностроение, 1977. 488 с.

[22] Пономарев С.Д., Андреева Л.Е. Расчет упругих элементов машин и приборов. Москва, Машиностроение, 1980. 327 с.

[23] Феодосьев В.И. Прочность камеры жидкостного ракетного двигателя. Москва, Оборонгиз, 1963. 212 с.

[24] Малинин Н.Н. Прикладная теория пластичности и ползучести. Москва, Машиностроение, 1975. 400 с.

[25] Пестриков В.М., Морозов Е.М. Механика разрушения твердых тел. Москва, Профессия, 2002. 320 с.