Методика оцінки впливу коливань рідкого палива на динамічні властивості авіаційно–космічної системи з урахуванням характеристик демпферів коливань

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНИЙ АВІАЦІЙНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

УДК 629.78:629.7.02

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

МЕТОДИКА ОЦІНКИ ВПЛИВУ КОЛИВАНЬ РІДКОГО ПАЛИВА НА ДИНАМІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ АВІАЦІЙНО-КОСМІЧНОЇ СИСТЕМИ З УРАХУВАННЯМ ХАРАКТЕРИСТИК ДЕМПФЕРІВ КОЛИВАНЬ

Сокульський Олег Євгенович

05.07.09 - Динаміка, балістика і керування рухом літальних апаратів

Київ - 2005

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі аеродинаміки Національного авіаційного університету.

Науковий керівник - доктор технічних наук, професор

Машков Олег Альбертович

ВАК України, заступник начальника відділу

Офіційні опоненти:

1. Доктор технічних наук, старший науковий співробітник Лімарченко Олег Степанович, завідувач відділом інформаційних технологій Міжнародного математичного центру НАН України.

2. Доктор технічних наук, доцент Миронович Валерій Михайлович, головний науковий співробітник Національного науково-дослідного центру оборонних технологій і військової безпеки України.

Провідна організація - Інститут космічних досліджень НАН і НКА України, м. Київ.

Захист відбудеться 07.07.2005 р. о 15 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.062.05 у Національному авіаційному університеті (03058, Київ-58, проспект Космонавта Комарова, 1).

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Національного авіаційного університету (03058, Київ-58, проспект Космонавта Комарова, 1).

Автореферат розіслано 03.06. 2005 року.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради

Д 26.062.05, к.т.н. В.В. Кабанячий

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Постійне ускладнення умов експлуатації ракетно-космічних об'єктів і підвищення вимог до якості виконання ними своїх функцій висувають завдання створення ефективних засобів відпрацювання перспективних варіантів виробів і режимів їх експлуатації на стадії проектно-конструкторських робіт.

Прийнята в Україні Загальнодержавна (Національна) космічна програма на 2003-2007 роки передбачає пріоритетний розвиток багаторазових авіаційно-космічних систем (АКС). Це обумовлено перевагою виведення корисного вантажу на орбіту за допомогою АКС порівняно з традиційною схемою. Багаторазові АКС мають меншу вартість кілограма корисного вантажу, що виводиться на орбіту, для їх старту не потрібні космодром і відчужені землі для падіння відпрацьованих ступенів.

Однією з серйозних проблем при створенні багаторазових АКС є проблема обліку й усунення негативних ефектів, пов'язаних з рухливістю рідкого палива в паливних баках (ПБ), відносна маса якого може складати до 90 відсотків. Як показують численні теоретичні й експериментальні оцінки, вплив рухливості рідини з вільною поверхнею є домінуючим серед інших динамічних явищ, що впливають на керованість АКС при реалізації програмного руху.

Актуальність теми. Основні результати з дослідження задач динаміки сумісного руху конструкцій з рідиною були отримані в роботах К.А. Абгаряна, К.С. Колеснікова, І.О. Луковського, Г.Н. Мікішева, Г.С. Наріманова, Б.І. Рабіновіча, І.М. Рапопорта, Г. Бауера, О. Фальтінзена, Дж. Майлса та інших авторів.

Існуючі моделі дослідження динаміки тіл, що мають порожнини з рідиною, з ряду характеристик не достатньо задовольняють вимогам, що висуваються до математичних методів дослідження поведінки системи “рідке паливо - суха ракета” на етапі проектно-конструкторських робіт. Зокрема, має місце актуальна потреба у розробці науково-методичного апарату оцінки впливу рідкого палива на динаміку польоту АКС з урахуванням характеристик демпферів коливань рідкого палива, яка максимально враховує основні процеси, що відбуваються у результаті взаємодії рідкого палива зі стінками бака, і допускає відносно просту реалізацію на ЕОМ.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана за планом науково-дослідних робіт кафедри кібернетики Київського інституту Військово-повітряних сил (КІ ВПС) в рамках НДР “Діадема” (інв.№72927) Загальнодержавної (Національної) космічної програми України на 1998 - 2002 роки “Створення транспортних космічних засобів”.

Мета і задачі дослідження. Мета дослідження полягає у підвищенні достовірності результатів математичного моделювання фізичних процесів, пов'язаних з коливанням рідкого палива в ПБ АКС за рахунок обліку впливу демпферів коливань і їх характеристик.

Для досягнення мети у роботі вирішені такі задачі:

модифікована (враховано виток рідини, її інтегральні характеристики в'язкості і наявність демпферів у резервуарі) нелінійна математична модель коливання рідкого заповнювача в жорстких резервуарах у вигляді співвісних циліндрів;

здійснений синтез математичної моделі динаміки руху ракети-носія (РН) АКС з урахуванням коливань рідкого палива, його витоку, інтегральних характеристик в'язкості і наявності демпферів коливань;

система диференціальних рівнянь одержаної моделі приведена до нормальної форми Коші в середовищі математичної системи комп'ютерної алгебри Maple V;

розроблена програма на ЕОМ мовою програмування Turbo C 2.0, що реалізовує і досліджує згадану вище модель;

розроблена методика визначення характеристик демпфуючих пристроїв у ПБ АКС;

здійснено нелінійне моделювання польоту I і II ступенів авіаційно-космічного ракетного комплексу “Світязь-1” на просторовій траєкторії руху;

проведена оцінка достовірності й ефективності одержаної математичної моделі і результатів її застосування.

Об'єкт дослідження. Динаміка польоту АКС з порожнинами, що наповнені рідким паливом.

Предмет дослідження. Коливання рідкого палива в ПБ АКС.

Методи дослідження.

- Варіаційний метод дослідження нелінійної динаміки твердих тіл з порожнинами, що містять рідину (метод І. О. Луковського).

- Методика визначення коефіцієнтів демпфування для демпферів з жорсткими елементами (методика Г. Н. Мікішева).

- Метод загальної і аналітичної теорії диференціальних рівнянь (метод оберненої матриці).

- Метод чисельної інтеграції системи нелінійних диференціальних рівнянь (метод Рунге-Кута четвертого порядку).

Наукова новизна одержаних результатів.

Вперше розроблена модифікована нелінійна математична модель динаміки руху твердого тіла, що має порожнини з рідиною, з урахуванням її рухливості, витоку, інтегральних характеристик в'язкості обумовленої наявністю демпфуючих пристроїв.

Вперше розроблена математична модель динаміки руху ракети-носія авіаційно-космічної системи з урахуванням коливань рідкого палива, його витоку, інтегральних характеристик в'язкості і наявності демпферів коливань.

Практичне значення отриманих результатів. Основні результати дисертації можуть бути використані при розробці різних видів АКС, у тому числі й перспективного АКРК “Світязь”. Результати дослідження:

· розроблена методика визначення характеристик демпфуючих пристроїв в ПБ на основі застосування нелінійної математичної моделі динаміки руху АКС з урахуванням рухливості рідкого палива, його витоку, інтегральних характеристик в'язкості і наявності демпфуючих елементів;

· отримані результати чисельного моделювання взаємодії системи “рідке паливо - суха ракета”.

У вигляді вимог, методик, алгоритмів і програм вони були використані при виконанні науково-дослідних і дослідницько-конструкторських робіт у рамках Загальнодержавної (Національної) космічної програми України на 1998-2002 роки в НДР “Діадема” (инв.№72927).

Апробація результатів дисертації. Результати досліджень доповідалися на:

- науково-технічних семінарах кафедри кібернетики КІ ВПС (1997 - 2000 рр.);

- науково-технічних семінарах ад'юнктів КІ ВПС (1998 - 2000 рр.);

- науково-технічних семінарах виконавців НДР “Діадема” (КІ ВПС) (1999 - 2000 рр.);

- науково-технічній конференції “Математичне моделювання процесів в авіаційних і космічних системах” ІАКД [6];

- наукових конференціях “Математичне моделювання складних систем” Національної академії оборони України (кафедра бойового забезпечення авіації) (2000 - 2003 рр.);

- наукових семінарах в Інституті проблем моделювання в енергетиці НАН України в 2001 і 2002 роках;

- 60-ій науковій конференції професорсько-викладацького складу і студентів Національного транспортного університету [7];

- міжнародній науково-технічній конференції “Сучасні проблеми і перспективи розвитку дорожньо-будівельного комплексу України” [8].

Публікації. Результати дисертаційних досліджень опубліковані у восьми роботах, з них п'ять - в збірках наукових праць (усі у фахових виданнях), дві - у тезах доповідей, одна - в матеріалах конференцій.

Особистий внесок здобувача. Основні результати дисертації одержані автором самостійно. У [1] автору належить постановка задачі; у [2,3] - методика визначення характеристик демпферів у частково заповнених рідиною резервуарах; у [4] - методика зведення нелінійної моделі коливання рідини до нормальної форми Коші; у [5] - аналіз методів демпфування коливань рідини.

Структура і обсяг дисертації. Дисертація складається зі вступу, трьох розділів, восьми підрозділів, дев'яти пунктів, шести підпунктів і висновків. Всього у дисертації 132 сторінки, з них 77 - основна частина, 16 - ілюстрації. Список використаних літературних джерел складається з 280 найменувань.

ЗМІСТ РОБОТИ

У першому розділі “Аналіз стану питання і постановка задачі” здійснюється аналіз проблем, що виникають при проектуванні космічних літальних апаратів (КЛА), обумовлених рухливістю рідкого палива в ПБ і пов'язаних з необхідністю обґрунтування вибору способу демпфування коливань рідини. Показана актуальність вирішення наукового завдання по оцінці впливу коливань рідкого палива на динамічні властивості РН АКС з урахуванням характеристик демпферів коливань.

Здійснена класифікація існуючих методів демпфування коливань рідкого палива в КЛА дозволила виділити два напрями: 1) активне гасіння коливань рідини в ПБ і пружних коливаннях корпусу завдяки автомату стабілізації з використанням відповідних датчиків; 2) пасивне, що відноситься до конструкції об'єкту. Основною перешкодою практичної реалізації подібних систем на сучасному рівні науково-технічного розвитку є складність досягнення адаптивних властивостей, що обумовлені необхідністю оцінювання вектора стану й ідентифікації параметрів об'єкту управління і необхідністю використання значної кількості датчиків інформації і складністю визначення місць їх встановлення. У зв'язку з цим, як показали дослідження, найбільшого поширення на практиці у космічній техніці набули жорсткі демпфери у вигляді радіальних і кільцевих нерухомих ребер.

Аналіз існуючих методів дослідження динаміки твердих тіл з порожнинами, заповненими рідиною, показав, що натепер можна виділити два основні підходи у рішенні подібних завдань: експериментальний і теоретичний. Використання експериментальних методів дослідження динамічних процесів (натурний і модельний експеримент у натурних умовах) у системах “тіло-рідина” обмежене високою вартістю проведення таких експериментів. У разі модельного експерименту в наземних умовах не вдається забезпечити одночасного виконання навіть основних критеріїв подібності, а також ефективного моделювання режимів руху виробів при застосуванні до них слідкуючих сил, які є типовими для таких об'єктів. Створення теоретичних методів дослідження динаміки системи “тіло-рідина” пов'язано із значними математичними труднощами, тому набагато ефективнішою є модифікація вже розроблених моделей, здійснена на основі більш ретельного аналізу кінематичних і динамічних властивостей конкретних механічних систем.

Зазначена складність створення цих моделей, яка пов'язана із значними математичними труднощами і обумовлена тим, що формулювання завдання динаміки сумісного руху конструкції і обмеженого об'єму рідини призводить до некласичного нелінійного завдання математичної фізики.

Розглянуті різні теоретичні методи дослідження динаміки жорстких тіл, що мають порожнини з рідиною, подана їх коротка характеристика. Показана обмеженість застосування лінійних математичних моделей порівняно з нелінійними, яка виявляється в істотній відмінності кількісних і якісних результатів, одержаних при моделюванні навіть простих режимів руху. Серед останніх вказані переваги методів, заснованих на ідеях теорії збурень і асимптотичних методів нелінійної механіки порівняно з методами, що використовують дискретизацію за часом з рішенням послідовності граничних задач на кожному тимчасовому шарі. Вони полягають у можливості проведення аналітичних досліджень і синтезу розробленої моделі з іншими системами.

Вказані основні результати, одержані експериментальними і теоретичними методами при дослідженні нелінійних задач динаміки резервуарів, частково заповнених рідиною, при сталих режимах і перехідних процесах. Відзначено той факт, що жоден з теоретичних методів дослідження руху твердого тіла, що має ємності з рідиною, повною мірою не відповідає практичним потребам, які виникають у процесі відробітку перспективних варіантів АКС і режимів їх експлуатації на стадії проектно-конструкторських робіт.

Аналізуючи стан питання, поставлено наукова задача з розроблення науково-методичного апарату оцінки впливу рідкого палива на динаміку польоту АКС з урахуванням характеристик демпфуючих пристроїв. Обрана структурно-логічна схема досліджень.

У другому розділі “Розробка науково-методичного апарату оцінки впливу рідкого палива на динаміку польоту авіаційно-космічної системи” розроблено науково-методичний апарат оцінювання впливу рідкого палива на динаміку польоту АКС.

РН розглядалася як тверде тіло змінної маси, що має площину інерційно-масової симетрії. Не зважаючи на нецентральність поля земного тяжіння і несферичність земної поверхні та враховуючи, що в боковому каналі стабілізується заданий кут рискання, а кути крену і ковзання рівні 0, рівняння, що описують рух центру мас РН в подовжній площині, в проекціях на осі швидкісної системи координат, розглядалися як:

; (1)

Рух ракети навколо центру мас визначається рівнянням:

, (2)

Кінематичні співвідношення між параметрами руху задаються як:

; ; ; . (3)

Зміна маси ракети описується рівнянням . (4)

Приймається, що вісь ракети виконує програму польоту .(5)

На підставі аналізу наукових підходів до рішення поставленого завдання був вибраний метод І.О. Луковського як найбільш прийнятний для вирішення задачі про сумісний рух системи “тіло-рідина”, що враховує п'ять форм коливань рідини і наявність співвісних циліндрів.

У циліндровій системі координат рівняння вільної поверхні рідини через узагальнені координати подано у вигляді:

,(6)

Де (7)

- n-й корінь рівняння:, де

.(8)

У разі коли сосуд створений одним циліндром функція (7) та рівняння (8) мають вигляд: , (9)

. (10)

Рівняння сил виглядають так:

(11)

(12)

(13)

Рівняння моментів щодо головних осей інерції в точці G0 подані так:

 (14)

(15)

(16)

Остання група нелінійних диференціальних рівнянь, що описує коливання рідини, в розгорненій формі записуються таким чином:

(17)

(18)

(19)

(20)

(21)

Підкреслені члени відповідають силовому і моментному внеску рідини у динаміку системи. Для визначення коефіцієнтів нелінійних рівнянь руху (11) - (21) проведені відповідні чисельні розрахунки в широкому діапазоні геометричних параметрів. Перехід від безрозмірних коефіцієнтів відбувається по формулах:

(22)

де ; (23)

Вперше даний метод доопрацьювано з урахуванням витоку, інтегральних характеристик в'язкості і наявності демпферів коливань.

Облік витоку здійснено через перерахунок відповідних гідродинамічних коефіцієнтів для різних глибин заповнення. Вплив реактивних сил палива, що витікає, на динаміку АКС малий, тому він не враховувався.

Інтегральні характеристики в'язкості і наявність жорстких демпферів коливань у вигляді радіальних і кільцевих ребер обліковувалися за методикою Г.Н. Мікішева.

Вводячи до рівняння коливань ідеальної рідини для кожної узагальненої координати дисипативну силу, одержана така система диференціальних рівнянь:

, (24)

З рівняння (22) визначені узагальнені координати, що характеризують коливання рідини в баку з урахуванням в'язкості.

Рішення n-го рівняння має вигляд: , (25)

Логарифмічний декремент загасання коливань . (26)

При слабкому загасанні обов'язкова умова . В цьому разі вирази (25), (26) спрощуються:

; . (27)

Для ПБ у вигляді гладкого циліндра дисипація енергії коливань рідини складається з дисипації енергії на бокових стінках і дисипації на днищі. З урахуванням цього після математичних перетворень логарифмічний декремент загасання коливань набуває вигляду:

. (28)

Логарифмічний декремент загасання коливань для бака з радіальними ребрами, одержаний за методикою Г.Н. Мікишева, рівний:

. (29)

Для кільцевих ребер аналогічна залежність має вигляд:

. (30)

На основі одержаної модифікованої моделі дослідження нелінійної динаміки твердих тіл з порожнинами, що містять рідину, і математичної моделі РН АКС як твердого тіла змінної маси без урахування коливань рідкого палива завдяки матрицям переходу зі зв'язаної системи координат у швидкісну, була синтезована математична модель динаміки руху РН АКС в подовжній площині. Вона враховує коливання рідкого палива, його витік, інтегральні характеристики в'язкості і наявність демпферів коливань.

Для подальшого використання у програмних математичних пакетах одержана модель була зведена в пакеті для символьних математичних обчислень Maple V до нормальної форми Коши методом оберненої матриці. Всі доданки при других похідних невідомих змінних були залишені у лівій частині, а інші перенесені праворуч, тобто

, (31)

Тоді математичне рівняння досліджуваної системи виглядає

(32)

Одержана модель лягла в основу методики визначення характеристик демпферів в ПБ РН. На підставі модифікованої математичної моделі І.О. Луковського сумісного руху резервуару з рідиною і методики демпфування коливань рідини жорсткими елементами Г.Н. Мікішева розроблена методика визначення характеристик демпферів коливань КЛА.

Згідно методиці на етапі розробки концепції АКС і виробленню вимог до неї визначаються розрахункові значення силового і моментного відгуку рідини. З урахуванням коефіцієнта безпеки експлуатаційні значення цих характеристик мають вигляд:

та . (33)

Для ракет одноразової дії значення коефіцієнта безпеки вибираються в межах . На цьому ж етапі, обираючи масові характеристики АКС, визначають максимально допустиму масу демпферів ПБ.

На другому етапі з використанням одержаної вище математичної моделі розраховуються і для бака з гладкими стінками на програмній траєкторії руху.

Якщо на жодній ділянці польоту і не перевищують відповідних експлуатаційних характеристик, то дана АКС не потребує демпферів для гасіння коливань рідкого палива і масу можна використовувати для збільшення корисного навантаження ракети або маси палива. Інакше, до конструкції АКС необхідно вводити демпфери коливань палива. В цьому разі, на ділянках перевищення силового і моментного відгуку рідини розрахункових значень до математичної моделі вводять коефіцієнти загасання. Поступово збільшують їх і домагаються, щоб силовий і моментний відгуки на всій ділянці польоту АКС були меншими або рівними експлуатаційним значенням. Досягши даного співвідношення, фіксують набутого значення коефіцієнтів загасання.

На наступному етапі розраховують демпфери коливань. Необхідні залежності коефіцієнтів демпфування від амплітуди коливань рідини і геометричних параметрів системи для жорстких радіальних і кільцевих ребер забезпечують залежності (29) і (30).

Після визначення геометричних характеристик демпферів визначають їх масу. Якщо вона менша або рівна розрахунковій, то даний варіант демпферів коливань палива задовольняє даній АКС; якщо вона більша, то не задовольняє і, отже, необхідно збільшувати розрахункову масу демпферів коливань, а значить переглядати масові характеристики ракети або змінювати траєкторію її польоту.

У третьому розділі “Дослідження математичної моделі динаміки польоту авіаційно-космічної системи з урахуванням коливань рідкого палива” викладений аналіз результатів застосування розробленого науково-методичного апарату до перспективного АКРК "Світязь-1".

З використанням одержаної у другому розділі нелінійної математичної моделі динаміки руху жорсткого тіла з порожнинами, що містять рідину, з урахуванням наявності демпферів коливань математично змодельований політ по програмній траєкторії першого і другого ступенів РН АКРК “Світязь-1”. Знайдені силові і моментні відгуки рідкого палива, що коливається, і викликані ними лінійні та кутові прискорення. Початкові умови у момент відриву РН від літаку - носія дорівнюють: V=200 м/с, =18,3, Н=8 км, а другого ступеня від першого: V=3М, =13,3, Н=60 км. Модель була реалізована у програмному середовищі мови програмування Turbo C 2.0. Показана ефективність і достовірність результатів застосування розробленого науково-методичного апарату.

ВИСНОВКИ

коливання паливо ракета політ

У дисертації приведено теоретичне узагальнення і нове рішення актуальної наукової задачі розробки науково-методичного апарату оцінки впливу рідкого палива на динаміку польоту авіаційно-космічної системи з урахуванням характеристик демпферів коливань, що має істотне значення для проектування авіаційно-космічних систем.

Основні наукові і практичні результати роботи:

1. Рухливість рідкого палива в паливних баках є важливим чинником, що впливає на динамічні властивості авіаційно-космічних систем і визначає її керованість при реалізації програмного руху. Застосування демпфуючих пристроїв з метою зниження впливу рухливості палива робить актуальною наукову задачу з оцінки впливу коливань рідкого палива на динамічні властивості ракети-носія авіаційно-космічної системи з урахуванням характеристик демпферів коливань.

2. Одержаний у ході роботи науково-методичний апарат, що складається з математичної моделі динаміки руху ракети-носія авіаційно-космічної системи з урахуванням коливань рідкого палива, його закінчення, інтегральних характеристик в'язкості, наявності демпферів коливань і методики визначення характеристик демпферів в паливних баках ракети-носія авіаційно-космічної системи дає можливість розв'язати важливу прикладну задачу з підвищення достовірності чисельних результатів, одержаних математично моделюючи фізичні процеси пов'язані з коливанням рідкого палива в паливних баках ракети-носія авіаційно-космічної системи.

3. Модифікована нелінійна математична модель коливань рідкого заповнювача в жорстких резервуарах у вигляді співвісних циліндрів І.О. Луковського. Вперше для даного методу враховано виток рідини, її інтегральні характеристики в'язкості і наявність жорстких демпферів коливань у вигляді радіальних і кільцевих ребер за методикою Г.Н. Мікішева.

4. Одержана математична модель динаміки руху ракети-носія авіаційно-космічної системи з урахуванням коливань рідкого палива, його витоку, інтегральних характеристик в'язкості і наявності демпферів коливань, зручна для реалізації на ЕОМ на стадії розрахунково-конструкторських робіт при проектуванні авіаційно-космічних систем.

5. Розроблена методика визначення характеристик демпфуючих пристроїв в паливних баках авіаційно-космічних систем, яка дозволяє обрати геометричні параметри жорстких демпферів коливань необхідні для забезпечення потрібного коефіцієнта демпфування.

6. В результаті математичного моделювання динаміки польоту І і ІІ ступенів перспективного авіаційно-космічного ракетного комплексу “Світязь-1” встановлено:

1) для польоту I ступеня: максимальний внесок у подовжній рух авіаційно-космічного ракетного комплексу рідке паливо дає у період з 70 с до 100 с (0,1 - 0,13 м/с2), поперечний з 30 с до 50 с (-0,9 - -0,92 м/с2) і кутовий з 50 с до 100 с (1 - 1,1 1/с2);

2) для польоту II ступеня: максимальний внесок у подовжній рух авіаційно-космічного ракетного комплексу рідке паливо дає у період з 0 с до 60 с (0 - -1,2 м/с2), поперечний з 60 с до 100 с (-1,7 - -2 м/с2) і кутовий з 100 с до 140 с (3,25 - 3,7 1/с2).

7. Достовірність теоретичних положень і висновків дисертації підтверджується використанням апробованої нелінійної математичної моделі дослідження динаміки жорстких тіл, що мають порожнини з рідиною, на класі задач про поступальний рух, контролем законів збереження енергії і симетрії при математичному моделюванні і узгодженням отриманих результатів з якісними характеристиками окремих досліджень.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

Машков О.А., Сокульський О.Є. Особливості синтезу нелінійної моделі коливань в повітряно-паливному бакові авіаційно-космічної системи // Збірник наукових праць КІ ВПС - Київ: КІ ВПС. - 1999. - Вип. 7. - С.71-74.

Гавриленко В.В., Сокульский О.Е. Методика определения характеристик демпфирующих устройств в частично заполненных жидкостью резервуарах транспортных систем // Системні методи керування, технологія та організація виробництва, ремонту і експлуатації автомобілів. - Київ: НТУ, ТАУ. - 2002. - Вип. 15. - С.56-58.

Гавриленко В.В., Сокульський О.Є. Методика визначення характеристик демпферів для частково заповнених рідиною резервуарів водних транспортних засобів, що знаходяться під дією водних мас // Вісник НТУ,ТАУ. - Київ: НТУ, ТАУ. - 2002. - № 7. - С.31-33.

Гавриленко В.В., Сокульський О.Є., Харченко Н.М. Методика зведення математичної моделі коливань рідини в резервуарах транспортних засобів до розв'язуючої системи рівнянь // Вісник НТУ.- Київ: НТУ, ТАУ. - 2003. - № 8.- С.462-465.

Гавриленко В.В., Сокульський О.Є., Харченко Н.М. Аналіз методів демпфірування коливань рідини в резервуарах транспортних засобів // Системні методи керування, технологія та організація виробництва, ремонту і експлуатації автомобілів. - Київ: НТУ, ТАУ. - 2003. - Вип. 17. - С.30-32.

Сокульський О.Є. Нелінійне моделювання процесу коливань рідкого палива ступіні авіаційно-космічного ракетного комплексу на атмосферній ділянці польоту // Матеріали НТК “Математичне моделювання процесів в авіаційних і космічних системах” ІАКД. Матеріали конференції. - Київ: ІАКД. - 2001. - С.58.

Гавриленко В.В., Сокульський О.Є., Харченко Н.М. Моделювання коливань рідини в резервуарах транспортних засобів // 60 ювілейна наукова конференція НТУ. Тези доповідей. - Київ.: НТУ. - 2004. - С.181.

Гавриленко В.В., Сокульський О.Є., Харченко Н.М. Зниження ризику екологічних катастроф на автомобільному транспорті при перевезенні екологічно небезпечної рідини // Міжнародна НТК "Сучасні проблеми та перспективи розвитку дорожньо-будівельного комплексу України". Тези доповідей. - Київ: НТУ. - 2004. - С.71-72.

АННОТАЦИЯ

Сокульский О.Е. Методика оценки влияния колебаний жидкого топлива на динамические свойства авиационно-космической системы с учётом характеристик демпферов колебаний. - Рукопись.

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук по специальности 05.07.09 - динамика, баллистика и управление движением летательных аппаратов. - Национальный авиационный университет, Киев, 2005.

Диссертация посвящена вопросам исследования влияния колебаний жидкого топлива в топливных баках на динамику полёта авиационно-космических систем.

В работе указана основная проблема, возникающая при проектировании космических летательных аппаратов - подвижность жидкого топлива в топливных баках, относительная масса которого может составлять до 90 процентов. Она является самым важным фактором среди других динамических явлений, сопровождающих движение авиационно-космических систем и оказывающих существенное влияние на их управляемость при реализации программного движения.

Произведена классификация существующих методов демпфирования колебаний жидкого топлива в космических летательных аппаратах. Сделаны выводы о возможности их теоретической и практической реализации и применимости на практике.

Проанализированы экспериментальные и теоретические методы исследования динамики твёрдых тел с полостями заполненными жидкостью. Обобщены основные результаты, полученные экспериментальными и теоретическими методами при исследовании задач динамики резервуаров, частично заполненных жидкостью, при установившихся режимах и переходных процессах. Установлено, что ни один из теоретических методов исследования движения твёрдого тела, имеющего ёмкости с жидкостью, в полной мере не соответствует практическим потребностям, которые возникают в процессе отработки перспективных вариантов авиационно-космических систем и режимов их эксплуатации на стадии проектно-конструкторских работ.

Разработан научно-методический аппарат оценки влияния жидкого топлива на динамику полёта авиационно-космической системы. На основании анализа научных исследований был выбран нелинейный вариационный метод И.А. Луковского как наиболее приемлемый для решения задачи о совместном движении системы “тело-жидкость”. Он обладает достаточной для практики достоверностью (учитываются 5 форм колебаний жидкости), учитывает наличие соосных цилиндров и допускает относительно простую реализацию на электронно-вычислительной машине. Проведена модификация метода исследования динамики резервуаров, имеющих полости с жидкостью, И.А. Луковского. Впервые для данной модели учтено истечение жидкости, её интегральные характеристики вязкости и наличие жёстких демпферов колебаний в виде радиальных и кольцевых рёбер. Истечение жидкости учитывалось за счёт пересчёта соответствующих коэффициентов для различных глубин заполнения. Наличие жёстких демпферов колебаний в виде радиальных и кольцевых рёбер было учтено по методике Г.Н. Микишева. Влияние реактивных сил истекающего топлива на динамику системы ввиду их незначительности не учитывалось.

Полученная модифицированная модель и математическая модель ракеты как твёрдого тела переменной массы без учёта колебаний жидкого топлива позволили получить математическую модель динамики движения ракеты-носителя авиационно-космической системы в продольной плоскости с учётом колебаний жидкого топлива, его истечения, интегральных характеристик вязкости, наличия демпферов колебаний в топливных баках и матриц перехода из связанной системы координат в скоростную. Она удобна для реализации на электронно-вычислительной машине на стадии расчётно-конструкторских работ при проектировании авиационно-космических систем для расчёта вклада колеблющегося топлива в динамику системы. С целью повышения точности вычислений и дальнейшего использования полученной модели в различных математических пакетах она была приведена к нормальной форме Коши в среде математической системы компьютерной алгебры Maple V.

Разработана методика определения характеристик демпфирующих устройств в топливных баках космических летательных аппаратов. Она позволяет определить геометрические параметры жёстких демпферов колебаний в виде радиальных и кольцевых рёбер, необходимые для обеспечения нужного коэффициента демпфирования и может применяться на этапе опытно-конструкторских работ при разработке авиационно-космических систем для расчёта демпферов колебаний.

Рассмотрены основные характеристики перспективного авиационно-космического ракетного комплекса "Свитязь-1". С использованием полученной математической модели динамики движения ракеты-носителя авиационно-космической системы с учётом колебаний жидкого топлива, его истечения, интегральных характеристик вязкости и наличия демпферов исследован полёт по программной траектории первой и второй ступени ракеты-носителя авиационно-космического ракетного комплекса “Свитязь-1”. В процессе моделирования найдены силовые и моментные отклики колеблющегося топлива, а также вызываемые ими линейные и угловые ускорения. Программная реализация полученной модели была осуществлена на языке программирования Turbo C 2.0. В заключении сделан вывод об эффективности и достоверности полученных результатов.

Ключевые слова: колебания жидкого топлива, динамика полёта, силовой и моментный отклик жидкости, демпфирование колебаний жидкости.

АНОТАЦІЯ

Сокульський О.Є. Методика оцінки впливу коливань рідкого палива на динамічні властивості авіаційно-космічної системи з урахуванням характеристик демпферів коливань. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидат технічних наук за спеціальністю 05.07.09 - динаміка, балістика і керування рухом літальних апаратів. - Національний авіаційний університет, Київ, 2005.

Дисертація присвячена питанням дослідження коливань рідкого палива в баках авіаційно-космічних систем.

У дисертації розроблений науково-методичний апарат оцінки впливу рідкого палива на динаміку польоту авіаційно-космічної системи. Він складається з математичної моделі динаміки руху ракети-носія авіаційно-космічної системи з урахуванням коливань рідкого палива, його витікання, інтегральних характеристик в'язкості, наявності демпферів коливань і методики визначення характеристик демпферів у паливних баках ракети-носія авіаційно-космічної системи.

Здійснено математичне моделювання силового і моментного відгуку рідкого палива при польоті першого та другого ступенів перспективного авіаційно-космічного ракетного комплексу “Світязь-1”.

Ключові слова: коливання рідкого палива, динаміка польоту, силовий і моментний відгуки рідини, демпфування коливань рідини.

THE SUMMARY

Sokulsky O.E. Estimation method of influence liquid fuel vibrations on dynamic properties of aerospace system taking into account descriptions of vibration dampers. - Manuscript.

Thesis for candidate degree of engineering sciences on specialty 05.07.09 - dynamics, ballistics and motion control. - National Aviation University, Kyiv, 2005.

The thesis deals with questions of investigation of oscillations of liquid fuel in tanks of aerospace systems.

The guidance apparatus of estimation the influence of liquid fuel on the dynamics of flight of the aerospace system has been developed in the thesis. It consists of the mathematical model of carrier rocket's motion dynamics of aerospace system taking into account vibrations of liquid fuel, its effluence, integral descriptions of viscosity, presence of dampers vibrations and the method of determination of descriptions of dampers in the of carrier rocket's fuels tanks of the aerospace system.

The mathematical modeling of force and torque response of liquid fuel at flight of the first and second stage of perspective aerospace rocket complex “Svityaz - 1” has been conducted.

Keywords: vibrations of liquid fuel, flight dynamics, force and torque response of liquid, damping of liquid oscillations.

Размещено на Allbest.ru

...