Preview

Аэрокосмический научный журнал

Расширенный поиск
Том 2, № 6 (2016)

АВИАЦИОННАЯ И РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКАЯ ТЕХНИКА

1-14 300
Аннотация

В статье рассмотрены вопросы, связанные с очисткой околоземного космического пространства от фрагментов космического мусора (КМ) техногенного происхождения. КМ подразделяются на наблюдаемый (характерный размер более 100 мм) и не наблюдаемый. При встрече с наблюдаемым космическим мусором работающий космический аппарат совершает уклонение, переходя на другую высоту. Этот маневр неоднократно совершала Международная космическая орбитальная станция. От не наблюдаемого космического мусора космические аппараты защищаются с помощью панелей. Космический мусор возник в результате оставления на орбите отработавших свой срок космических аппаратов, ступеней ракет носителей и разгонных блоков, а также в результате разрушений этих объектов при взрывах и столкновениях. В последнее время разрабатывается большое количество проектов очистки околоземного космического пространства как от наблюдаемых, так и не наблюдаемых фрагментов КМ. Предлагают удалять КМ с помощью: захватов, сетей, гарпунов и др. Все средства борьбы с мусором размещаются на космических аппаратах (КА) и выводятся на орбиту, при этом на орбите остаются ступени ракет-носителей и разгонных блоков. В России существует ГОСТ в котором оговорены меры по борьбе с КМ. В нем рекомендуется на этапе проектирования КА выбирать способ его захоронения и закладывать массу топлива, необходимого для увода в зону захоронения. Выбор зоны захоронения зависит от высоты полета фрагмента КМ. Для высоких орбит зона захоронения выбирается по формулам, приведенным в ГОСТ. С низких орбит фрагменты следует уводить в атмосферу Земли, где они должны сгорать. Расчеты, приведенные в статье, показывают, что при правильном выборе зоны захоронения масса топлива, необходимая для выполнения маневра составит 10-..15% . Однако, учитывая высокую стоимость КА и их выведения на орбиту целесообразно снимать их с орбиты с помощью много разовых транспортных космических кораблей (МТКК), аналогичных «Бурану» и «Спейс Шаттл». Подобные работы проводились с использованием МТКК «Спейс Шаттл». Это позволит избежать засорения околоземного космического пространства последними ступенями ракет-носителей и разгонных блоков, а главное доставленный на Землю КА после модернизации и ремонта может быть снова выведен в космос с помощью МТКК. Мелкий, не наблюдаемый космический мусор тормозится специальными устройствами, которые переводят их на низкие орбиты, а затем в атмосферу Земли.

15-25 245
Аннотация

В подъемно-установочных агрегатах космических стартовых комплексов применяются исключительно гидравлические механизмы подъема (ГМП), выполняющие операцию перевода ракеты космического назначения (РКН) из горизонтального положения в вертикальное. Существующие конструкции механизмов подъема многообразны, но все они в своей основе содержат базовый механизм, содержащий один гидроцилиндр. С ростом размеров и массы РКН становится актуальной задача разработки более сложных механизмов подъема, содержащих дополнительные кинематические звенья и использующих несколько гидроцилиндров.

В статье приводится детальный анализ базовых схем ГМП и определяются особенности их компоновки в составе подъемно-установочного агрегата. Даются основные расчетные соотношения, позволяющие определить конструктивные параметры механизмов для стационарных и транспортных агрегатов. На примерах существующих установочных агрегатов показано конструктивное исполнение механизмов подъема с использованием базовых схем.

Показаны пути разработки схем ГМП для подъема РКН больших габаритов и массы. Приводится описание двух вариантов таких ГМП с двумя гидроцилиндрами. Обе схемы основаны на разделении цикла подъема на две части, в каждой из которых работает только один из цилиндров. Первый вариант содержит дополнительную, промежуточную стрелу, относительно которой осуществляется подъем основной стрелы. Цилиндры в таком механизме включаются в работу последовательно: сначала одним из цилиндров поднимается промежуточная стрела, затем другим цилиндром – основная. Второй вариант ГМП содержит одну несущую стрелу с поворотным рычагом, который позволяет повернуть стрелу с помощью одного из гидроцилиндров, работающих также последовательно, на определенный угол, меньший 90о. Доводка стрелы до вертикального положения осуществляется вторым гидроцилиндром. Такие схемы позволяют уменьшить длину рабочего хода используемых гидроцилиндров, являющихся самыми дорогими устройствами механизма подъема.

Результаты выполненного анализа представляют интерес для конструкторов установочного оборудования космических стартовых комплексов.

26-48 265
Аннотация

Обоснована эффективность применения газовых смесей с малым значением числа Прандтля Pr в качестве рабочих тел в замкнутых газотурбинных установках (ЗГТУ) космического назначения и в устройстве газодинамической температурной стратификации (трубе Леонтьева).

Показано, что для ЗГТУ минимальное значение Pr при оптимальных молекулярных массах m бинарных смесей газов на основе гелия He соответствует наиболее благоприятному сочетанию массовых, транспортных и теплофизических свойств этих смесей. При этом, уменьшение коэффициента динамической вязкости μ смеси приводит к уменьшению гидравлических потерь в тракте, увеличение коэффициента теплопроводности λ обеспечивает повышение коэффициентов теплоотдачи в теплообменных аппаратах и уменьшение потребных площадей их поверхностей, а увеличение m снижает аэродинамическую нагрузку на лопаточные машины, позволяя выполнить узлы турбомашин компактными. Так, при применении смеси He-Xe при m = 40 г/моль при значении Pr = 0,21…0,22  достигается десятикратное снижение аэродинамической нагрузки по сравнению с чистым He при сохранении коэффициентов теплоотдачи и семикратном увеличении гидравлических потерь в тракте.

Для трубы Леонтьева на базе упрощенного уравнения энергии для пограничного слоя безградиентного стационарного потока выполнен качественный анализ влияния транспортных и теплофизических свойств рабочей смеси на температуру теплоизолированной плоской непроницаемой стенки, омываемой сжимаемым потоком такой смеси, а также на коэффициент восстановления температуры r. С использованием уравнения Бернулли для описанного случая показано, что характерное распределение температуры торможения потока T* по толщине пограничного слоя с уменьшением ее значения ближе к стенке ниже среднерасходной для данного сечения T*ср имеет место тогда, когда толщина теплового пограничного слоя δт больше толщины динамического δд. При этом чем больше разница между δт и δд, тем меньше T* на стенке, тем меньше r, а равенство δт = δд имеет место при Pr = 1. С уменьшением μ смеси уменьшается δд, а с увеличением λ увеличивается δт, то есть с уменьшением Pr уменьшается значение T* на стенке и r. Чем меньше T* на стенке и r, тем больше располагаемый температурный перепад между сжимаемым сверхзвуковым потоком и несжимаемым дозвуковым, тем больше плотности тепловых потоков и тем меньше потребные площади теплообмена для срабатывания одной и той же тепловой мощности с единицы расхода.

Проведен анализ влияния различных факторов на r. Показано, что при любых Pr величина r увеличивается с ростом числа Рейнольдса Rex и уменьшается с ростом числа Маха M. Для развитого турбулентного течения при Rex > 107 для Pr ≥ 0,7 r практически не зависит от Rex и M, а для того же интервала Rex с уменьшением Pr от 0,7 до 0,1 зависимость r от Rex и M усиливается, а само значение r падает. Кроме того, величина r уменьшается с увеличением интенсивности вдува j в пограничный слой сжимаемого потока газа через проницаемую стенку, а для некоторых значений M на воздухе можно достичь более чем 30 % снижения по сравнению со случаем без вдува. При обтекании сверхзвуковым потоком газа облуненной поверхности значение r может упасть на 3 – 4 % по сравнению со случаем обтекания гладкой поверхности. Наиболее перспективными способами снижения r является использование смесей с малыми значениями Pr, организация вдува в пограничный слой сверхзвукового потока через проницаемую стенку или покрытие этой стенки регулярным рельефом.

Рассмотрены известные соотношения и методики, доступные в материалах открытой печати, для расчета r в зависимости от Pr, Rex и M на непроницаемой плоской стенке. В число проанализированных вошли: для ламинарного потока соотношение Польгаузена одной второй; для турбулентного потока соотношения Аккермана, Себана, Широкова-Джонсона-Рубезина, Сквайра, Такера-Мазлена, Ротта; универсальная методика численного расчета, основанная на решении уравнений неразрывности, количества движения и энергии с использованием трехпараметрической модели турбулентности и соотношения турбулентного переноса теплоты с учетом переменности транспортных и теплофизических свойств газа и турбулентного числа Прандтля по толщине пограничного слоя. По приведенным соотношениям выполнен расчет r в интервале Pr от 0,1 до 1, Rex от 105 до 109 и M до 4 и сделан вывод, что практически все представленные соотношения и методики для воздуха при Pr ≈ 0,7 дают удовлетворительное сходство значений r в рассматриваемом интервале Rex и M с экспериментальными. Однако при уменьшении Pr получаемые расчетные результаты значительно отличаются друг от друга. Так, при Pr ≈ 0,2 расхождения для методик, корректно предсказывающих r для воздуха, достигают 35 – 40 %. На основе полученных результатов, а также с учетом отсутствия экмпериментальных данных по r в открытой печати для малых Pr рекомендовано проведение экспериментальных исследований по выявлению действительных значений r при обтекании плоской непроницаемой стенки сжимаемым потоком газа для таких смесей как He-Ar, He-Kr, He-Xe, He-N2, He-CO2 для верификации рассмотренных расчетных методик.

49-68 157
Аннотация

В работе рассматривается проблема динамического воздействия на поднимаемый груз подъемных механизмов на основе многоступенчатых гидроцилиндров. Гидроцилиндры отличаются высокими удельными характеристиками, однако обладают и недостатками. Один из них – воздействие на поднимаемый груз в начале, в конце подъема и при переключении ступеней, причем при переключении ступеней воздействие при определенных условиях может носить характер удара с высоким ударным импульсом. В данной работе исследуются воздействия в начале подъема и при переключении ступеней.

В качестве метода исследования принято численное моделирование. В число взятых в рассмотрение при построении математической  модели факторов включены геометрические параметры гидроцилиндра, сжимаемость жидкости, трение между элементами. Упругость грунта, упругость штока, упругость стенок цилиндра не приняты во внимание.

В результате моделирования выявлена природа удара при переключении ступеней, предложена формула для оценки величины ударного импульса, выявлено влияние трения на величину ударного импульса, предложено использовать камеру противодавления для исключения ударного воздействия при переключении ступеней, приведено выражение для оптимальной величины противодавления.

Полученные результаты могут найти применение при проектировании новых и модернизации существующих подъемных механизмов на основе многоступенчатых гидроцилиндров при задаче увеличения скорости подъема при одновременном устранении ударных воздействий на поднимаемый объект.

В сравнении с подобными работами в данном исследовании ставилась задача выявить именно гидравлическую природу удара при переключении ступеней, без учета динамики и упругости иных, кроме гидроцилиндра, элементов подъемного механизма.

Полученные результаты находят подтверждение в сравнении с результатами числового и натурного моделирования, опубликованными другими авторами.

69-93 232
Аннотация

В дневное время поверхность Луны, планеты Меркурий и астероидов во внутренней части Солнечной системы значительно нагревается и инфракрасное излучение местного грунта становится существенным. В это же время прямое и отраженное от поверхности солнечное излучение также достигает максимума. Эти радиационные потоки могут существенно снизить эффективность радиационных теплообменников космических аппаратов в дневное время. Особенно сильным этот эффект является на поверхности Меркурия, где прямое солнечное излучение в 10 раз интенсивнее, чем солнечное излучение у Земли. В результате, обычные низкотемпературные радиационные теплообменники на дневной поверхности Меркурия становятся полностью неработоспособными.

Статья посвящена разработке специальных экранированных радиационных теплообменников космических аппаратов, предназначенных для использования в условиях дневного времени на Меркурии и других безатмосферных телах внутренней части Солнечной системы. Для решения этой задачи используются зеркальные экраны (бленды). Форма этих экранов разрабатывается такой, чтобы за счёт рациональной схемы отражения излучения улучшить условия работы радиационного теплообменника космического аппарата. Задача рассмотрена в двумерном и пространственном случаях. Предложена новая конструкция экранированных радиационных теплообменников космических аппаратов и определены рациональные соотношения размеров таких радиационных теплообменников. С помощью зонального метода при учете частичного зеркального отражения получена оценка работоспособности предложенных радиационных теплообменников в условиях Меркурия и Луны. Вычисления показали, что разработанные экранированные радиационные теплообменники космических аппаратов способны работать на поверхности Меркурия в качестве низкотемпературных радиаторов даже в дневное время. Новые радиационные теплообменники обеспечивают минимальную допустимую рабочую температуру 241К (-32°С), в то время как минимальная рабочая температура радиаторов традиционной конструкции составляет 479К (206°С). Использование таких радиаторов на Луне даст возможность увеличить эффективность радиационных теплообменников и уменьшить их минимальную рабочую температуру с 270К (-3°С) до 137К (-136°С).



Creative Commons License
Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.


ISSN 2413-0982 (Online)