Журналов:     Статей:        

Аэрокосмический научный журнал. 2015; 1: 12-25

Численное исследование рабочего процесса в восстановительном газогенераторе кислород - метанового ЖРД разгонного блока

Ягодников Д. А., Чертков К. О., Антонов Ю. В., Новиков А. В.

Аннотация

Рассмотрены практические вопросы использования в качестве ракетного топлива жидкостного ракетного двигателя жидких кислорода и метана, обеспечивающих повышение надежности и многоразовости использования двигателей как силовых установок средств выведения космических летательных аппаратов. Приведены результаты математического моделирования рабочего процесса в восстановительном газогенераторе жидкостного ракетного двигателя разгонного блока, работающем на компонентах топлива жидкий метан + жидкий кислород. Расчеты выполнены с использованием пакетов Ansys CFX, Fluent и программ авторской разработки. Получены и проанализированы распределения давления, скорости, температуры, концентраций реагентов и продуктов сгорания в характерных сечениях рабочего объема газогенератора, на основании которых сделаны рекомендации по выбору длины последнего. DOI: 10.7463/aersp.0515.0821899
Список литературы

1. Клепиков И.А., Лихванцев А.А., Прокофьев В.Г., Фатуев И.Ю. Выбор принципиальной схемы и параметров маршевого многоразового ЖРД на топливе кислород-метан для возвращаемой первой ступени перспективного носителя // Труды НПО Энергомаш им. академика В.П. Глушко. 2012. Т.29. С. 224-239.

2. Воронков А.Ф., Гребенюк Д.А., Иванов В.А., Клепиков И.А., ЛихванцевА.А. Двигатель РД196 для системного демонстратора многоразовой I ступени МРКС-1 на топливе кислород и метан // Труды НПО Энергомаш им. академика В.П. Глушко. 2013. Т.30. С. 243-259.

3. Иванов Н.Г., Кандоба Л.Н., Кашапов М.А., Клепиков И.А., Старков В.К., Федоров В.В. Выбор схемы охлаждения камеры многоразовых ЖРД на топливе кислород-метан для перспективного носителя // Труды НПО Энергомаш им. академика В.П. Глушко. 2012. Т.29. С. 70 - 85.

4. Буркальцев В.А., Лапицкий В.И., Новиков А.В., Ягодников Д.А. Математическая модель и расчёт характеристик рабочего процесса в камере сгорания ЖРД малой тяги на компонентах топлива метан-кислород // Вестник МГТУ. Сер. Машиностроение. 2004. Специальный выпуск "Теория и практика современного двигателестроения”. С. 8-17.

5. Ягодников Д.А., Антонов Ю.В., Власов Ю.Н. Моделирование испарения полидисперсной совокупности капель воды в камере сгорания гидрореактивного двигателя // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Машиностроение. 2011. №4. С. 71-82.

6. Лебединский Е.В., Калмыков Г.П, Мосолов С.В. и др. Рабочие процессы в жидкостном ракетном двигателе и их моделирование / ред. А.С. Коротеев. М.: Машиностроение, 2008. 512 с.

7. Ansys CFX-Solver Modeling Guide, Release 12.0. Ansys UK Ltd, 2009. 486 p.

8. Ansys Fluent 12.0 Theory Guide, Release 12.0. Ansys Inc, 2009. 816 p.

9. Trusov B.G. Program system TERRA for simulation phase and chemical equilibrium // Proc. of the XIV Intern. Symp. on Chemical Thermodynamics, St-Petersburg, Russia. 2002. P. 483-484.

10. Клепиков И. А. Выбор энергомассовых характеристик маршевых многоразовых ЖРД на сжиженном природном газе: дис.. доктора техн. наук. Москва, 2005. 292 c.

Aerospace Scientific Journal. 2015; 1: 12-25

Numerical Study of the Working Process in the Reducing Gas Generator of the Upper Stage Oxygen - Methane Engine

Yagodnikov D. M., Chertkov K. O., Antonov Yu. V., Novikov A.

Abstract

This article deals with the problems of creating a reducing gas generator of the liquid rocket engine (LRE) of upper stage using advanced fuel components, namely oxygen + liquid natural gas. Relevance of the work is justified by the need to create and develop of environmentally friendly missile systems for space applications using methane-based fuel (liquid natural gas). As compared to the currently used unsymmetrical dimethyl-hydrazine and kerosene, this fuel is environmentally safe, passive to corrosion, has better cooling properties and high energy characteristics in the re-generatively cooled chambers, as well as is advantageous for LRE of multiple start and use.
The purpose of this work is a mathematical modeling, calculation of the working process efficiency, as well as study of gas-dynamic structure of the flow in the gas generator flow path. The object of study is the upper stage LRE gas generator, which uses the reducing scheme on the liquid propellants: oxygen + liquid methane. Research methods are based on numerical simulation.
Computational studies allowed us to receive the velocity, temperatures, and concentrations of reactants and combustion products in the longitudinal section of gas generator. Analysis of the gas-dynamic structure of flow shows a complete equalization of the velocity field by 2/3 of the gas generator length. Thus, the same distance is not enough to equalize the temperature distribution of the gasification products and their concentrations in radius. Increasing the total excess oxidant ratio from 0.15 to 0.25 leads to a greater spread of the parameters at the exit of the gas generator by ~ 13 ÷ 17%. As a recommendation to reduce the size of the working area, is proposed a dual-zone gas generator-mixing scheme with fuel separately supplied to the first and second zones.

References

1. Klepikov I.A., Likhvantsev A.A., Prokof'ev V.G., Fatuev I.Yu. Vybor printsipial'noi skhemy i parametrov marshevogo mnogorazovogo ZhRD na toplive kislorod-metan dlya vozvrashchaemoi pervoi stupeni perspektivnogo nositelya // Trudy NPO Energomash im. akademika V.P. Glushko. 2012. T.29. S. 224-239.

2. Voronkov A.F., Grebenyuk D.A., Ivanov V.A., Klepikov I.A., LikhvantsevA.A. Dvigatel' RD196 dlya sistemnogo demonstratora mnogorazovoi I stupeni MRKS-1 na toplive kislorod i metan // Trudy NPO Energomash im. akademika V.P. Glushko. 2013. T.30. S. 243-259.

3. Ivanov N.G., Kandoba L.N., Kashapov M.A., Klepikov I.A., Starkov V.K., Fedorov V.V. Vybor skhemy okhlazhdeniya kamery mnogorazovykh ZhRD na toplive kislorod-metan dlya perspektivnogo nositelya // Trudy NPO Energomash im. akademika V.P. Glushko. 2012. T.29. S. 70 - 85.

4. Burkal'tsev V.A., Lapitskii V.I., Novikov A.V., Yagodnikov D.A. Matematicheskaya model' i raschet kharakteristik rabochego protsessa v kamere sgoraniya ZhRD maloi tyagi na komponentakh topliva metan-kislorod // Vestnik MGTU. Ser. Mashinostroenie. 2004. Spetsial'nyi vypusk "Teoriya i praktika sovremennogo dvigatelestroeniya”. S. 8-17.

5. Yagodnikov D.A., Antonov Yu.V., Vlasov Yu.N. Modelirovanie ispareniya polidispersnoi sovokupnosti kapel' vody v kamere sgoraniya gidroreaktivnogo dvigatelya // Vestnik MGTU im. N.E. Baumana. Ser. Mashinostroenie. 2011. №4. S. 71-82.

6. Lebedinskii E.V., Kalmykov G.P, Mosolov S.V. i dr. Rabochie protsessy v zhidkostnom raketnom dvigatele i ikh modelirovanie / red. A.S. Koroteev. M.: Mashinostroenie, 2008. 512 s.

7. Ansys CFX-Solver Modeling Guide, Release 12.0. Ansys UK Ltd, 2009. 486 p.

8. Ansys Fluent 12.0 Theory Guide, Release 12.0. Ansys Inc, 2009. 816 p.

9. Trusov B.G. Program system TERRA for simulation phase and chemical equilibrium // Proc. of the XIV Intern. Symp. on Chemical Thermodynamics, St-Petersburg, Russia. 2002. P. 483-484.

10. Klepikov I. A. Vybor energomassovykh kharakteristik marshevykh mnogorazovykh ZhRD na szhizhennom prirodnom gaze: dis.. doktora tekhn. nauk. Moskva, 2005. 292 c.