Расчетно-экспериментальное исследование напряженно-деформированного состояния соплового блока ракетного двигателя твердого топлива в процессе «холодной» раздвижки

Язык труда и переводы:
УДК:
629.7.021.6
Дата публикации:
22 января 2022, 23:24
Категория:
Секция 02. Летательные аппараты. Проектирование и конструкция
Авторы
Аннотация:
Разработаны математическая модель и автоматизированный вычислительный алгоритм исследования динамического поведения сопловой конструкции при вибродинамическом нагружении контактной зоны раструба при «холодной» раздвижке сопла. На основе анализа реальных конструкций элементной базы раздвижных сопел выбран диапазон начальных и граничных условий для процесса математического моделирования динамического поведения подвижных элементов раздвижного сопла. С учетом изменения динамики поведения элементной базы сопла промоделированы и определены ударно-импульсные нагрузки узлов конструкции перспективного ракетного двигателя твердого топлива (РДТТ) при раздвижке телескопического насадка с использованием дискретно-массового подхода. Математическая модель верифицирована по результатам экспериментальных исследований, что позволило уточнить параметры напряженно-деформированного состояния (НДС) раздвижного сопла при прямом и обратном ударно-импульсном воздействии. Проведен анализ уровня динамического поведения по характеру НДС прямого и обратного импульсного воздействия. В рамках численного эксперимента построена динамика поведения элементной базы и получены оценки по распределению коэффициента запаса прочности сопла и его конструктивных элементов. Разработанная математическая модель позволяет адекватно определить разнообразные условия динамических взаимодействий в существующих и вновь разрабатываемых сопловых блоках современных РДТТ с оценкой НДС в любых зонах силового взаимодействия его элементной базы. Данный алгоритм может применяться не только к углерод-углеродным композиционным материалам, но и к другим материалам, которые используются в конструкциях ракетных двигателей. Алгоритм решения задачи позволяет определить не только параметры НДС соплового блока, но и выявить опасные зоны, а следовательно, позволяет сформировать алгоритм оптимизации конструктивных параметров элементной базы сопла с точки зрения веса и прочности.
Ключевые слова:
сопловой блок, раздвижка, ракетный двигатель, напряженно-деформированное состояние, эксперимент, исследование, насадок, алгоритм
Основной текст труда

В данной работе исследуются вибродинамические процессы раздвижного, поворотно-управляющего сопла (ПУС). Удержание поворотной части сопла в «нулевом положении» осуществляется тремя фиксаторами, входящими в состав корпуса силового. Отклонение поворотной части на максимальный угол производится двумя рулевыми машинами. Направляющее сдвиговое устройство (НСУ) состоит из толкателя, основания и двух направляющих элементов из шпангоутов, цилиндра внутреннего, цилиндра наружного. С помощью направляющих, в конструкции которых предусмотрены тяговые и упорные лепестки, и замковых колец НСУ соединяется с внутренним и наружным выдвижными насадками (ВВН и НВН). НСУ удерживается на корпусе с помощью бандажа, установленного на направляющем элементе ВВН. Необходимое натяжение бандажной ленты обеспечивается стяжным замком, совмещенным с приводом замка. В приводе стяжного замка установлено специальное устройство для расфиксации сложенного положения ПУС. Опорная база НСУ по мере выдвижения насадков увеличивается, обеспечивая при этом бесперекосное выдвижение насадков. В выдвинутом положении насадки фиксируются цангами, при этом герметизация разъемов профиля обеспечивается амортизаторами. «Холодная» раздвижка насадков происходит под действием давления воздуха на поперечное сечение толкателя. Сначала в выдвинутом положении фиксируется ВВН и при срабатывании замкового кольца внутреннего насадка НСУ с НВН отсоединяется от ВВН. Далее выдвижение НВН совместно с НСУ осуществляется до момента фиксации НВН в выдвинутом положении, после чего НСУ отсоединяется от ПУС и направленно удаляется из внутренней полости сопла.

При раздвижки сопла на его элементную базу действуют ударные нагрузки при фиксации внутреннего и наружного телескопических насадков. Для определения динамических нагрузок в качестве расчетной схемы принята дискретно-массовая модель соплового блока. В рамках данной модели элементы конструкции рассматриваются как дискретные твердые массы, соединенные между собой упруго-демпферными связями. Структурная модель представляет совокупность отдельных конструктивных элементов, массы которых определены по проектным чертежам. Жесткостные и демпфирующие характеристики связей модели приняты с учетом изделий-прототипов. Использование дискретно-массовой модели определяется достаточной полнотой описания колебательного процесса и отображения конструкции на элементы, мобильностью учета изменения и особенностей конструкции при моделировании процесса. Для решения контактной упругой граничной задачи использовался метод конечных элементов [1]. При ударно-импульсном воздействии в процессе раздвижки сопла генерируются нелинейные упругие волны в продольном направлении [2]. Нелинейная динамика отклика материалов конструкции соплового блока РДТТ [2] объясняется также наличием контактных пар и стыков конструкционных материалов с существенно различными физико-механическими характеристиками [3]. Анализ экспериментальных данных по исследованию параметров НДС «холодной» раздвижки сопла установил хорошую согласованность с результатами численного моделирования [4].

Разработан алгоритм и математическая модель динамического поведения сопловой конструкции при ударно-импульсной нагрузке контактной зоны раструба при «холодной» раздвижке сопла. Разработанная математическая модель позволяет адекватно определить разнообразные условия динамических взаимодействий в существующих и вновь разрабатываемых сопловых блоках современных РДТТ с оценкой НДС в любых зонах силового взаимодействия его элементной базы. Данный алгоритм может применяться не только к углерод-углеродным композиционным материалам, но и к другим материалам, которые используются в конструкциях ракетных двигателей.

Алгоритм решения задачи позволяет определить не только параметры НДС соплового блока, но и определить опасные зоны, а, следовательно, позволяет сформировать алгоритм оптимизации конструктивных параметров элементной базы сопла с точки зрения веса и прочности. Экспериментально проведена отработка механизма «холодной» раздвижки сопла, позволяющая значительным образом увеличить прирост удельной тяги РДТТ.

Литература
  1. Липанов А.М., Алиев А.В. Проектирование ракетных двигателей твердого топлива. М.: Машиностроение, 1995. 400 с.
  2. Мормуль Р.В., Сальников А.Ф., Павлов Д.А. Математическое моделирование напряженно-деформированного состояния раздвижного сопла в процессе ударно-импульсного нагружения // Химическая физика и мезоскопия. 2016. Т. 18, № 3. С. 381–389.
  3. Соколкин Ю.В., Вотинов А.М., Ташкинов А.А., Постных А.М., Чекалкин А.А. Технология и проектирование углерод-углеродных композитов и конструкций. М.: Наука. ФИЗМАТЛИТ, 1996. 240 с.
  4. Волков Н.Н., Волкова Л.И., Гурина И.Г., Козаев А.Ш. Экспериментальная установка и методика исследования характеристик выхлопного диффузора с центральным телом для отработки ракетных двигателей // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Машиностроение. 2012. № 4. С. 51–60.
Ваш браузер устарел и не обеспечивает полноценную и безопасную работу с сайтом.
Установите актуальную версию вашего браузера или одну из современных альтернатив.