Відділ динаміки гідромеханічних і віброзахисних систем посідає провідні позиції в Україні та в світі в наукових дослідженнях, спрямованих на вирішення проблем динаміки рідинних космічних ракет-носіїв (РН) і їх систем, в тому числі проблеми забезпечення поздовжньої стійкості багатоступеневих рідинних РН. Науковцями відділу розвинуто лінійну теорію поздовжньої стійкості космічних рідинних РН і створено нелінійну теорію поздовжніх коливань рідинних РН, які не мають аналогів в Україні і за кордоном. Найважливішою складовою в цих розробках стало урахування кавітації в насосах на базі створеної у відділі теорії низькочастотних кавітаційних автоколивань в насосних системах. Завдяки урахуванню кавітації ці розробки дозволяють давати достовірні прогнози поздовжньої стійкості космічних рідинних РН.
Обґрунтування та актуальність напряму
Розробники багатоступеневих рідинних ракет-носіїв (РН) в усьому світі неминуче стикаються із проблемою забезпечення поздовжньої стійкості космічних ракет-носіїв на активній частині їх польоту. Способи вирішення цієї проблеми є специфічними в кожному конкретному випадку. Необхідність теоретичних досліджень зумовлена тим, що факт поздовжньої стійкості (або втрати стійкості) рідинних РН неможливо визначити експериментально в наземних умовах – він може бути встановлений тільки при льотно-конструкторських випробуваннях. Усунення поздовжніх коливань космічних РН, виявлених при проведенні таких натурних випробувань, або зниження амплітуд коливань до безпечного рівня вимагає значних матеріальних і фінансових витрат. Для виключення таких витрат необхідно вже на початкових етапах розробки або модернізації космічної рідинної РН проводити максимально можливий обсяг розрахункових досліджень її поздовжньої стійкості на основі математичних моделей, які найбільш повно і достовірно описують динамічні процеси.
Історія та розвиток напряму
У світовій практиці аналіз поздовжньої стійкості космічних рідинних РН виконується лише в лінійній постановці із використанням результатів попередньо проведених ресурсомістких експериментів. Цей аналіз базується на дослідженні лінійної динамічної системи РН, яка описує взаємодію поздовжніх коливань корпусу РН та низькочастотних процесів у двигуні, і при цьому прогнозується сам факт стійкості або втрати стійкості системи.
Протягом ряду років у відділі проводилися теоретичні дослідження закономірностей виникнення та розвитку поздовжніх коливань космічних рідинних РН, які розглядаються як багатовимірні нелінійні нестаціонарні динамічні системи. Завдяки цьому було розвинуто лінійну теорію поздовжньої стійкості космічних рідинних РН і створено важливі науково-методичні розробки.
Математичний апарат та методологія
Розроблено методику прогнозування динамічних характеристик РН по каналах поздовжньої стійкості з урахуванням явища кавітації в шнековідцентрових насосах.
Запропоновано метод перенесення граничних умов для розрахунку амплітудно-фазових частотних характеристик систем живлення РРДУ, що узагальнює імпедансний метод на випадок багатовимірних і розподілених зовнішніх дій.
Розроблено метод визначення характеристик власних поздовжніх коливань корпусу багатоступеневих космічних рідинних РН із урахуванням дисипації енергії коливань елементів конструкції і рідкого палива в паливних баках.
Запропоновано розвинену математичну модель поздовжніх коливань рідинної РН, яка дозволяє розрахунковим шляхом отримати не лише частоти і декременти, але й форми поздовжніх коливань рідинної РН на активній частині її польоту.
З використанням методу скінченних елементів і сучасних обчислювальних засобів розроблено методику теоретичного прогнозування динамічних навантажень на конструкції верхніх ступенів космічних рідинних РН, паливні відсіки яких мають складну просторову конфігурацією, і на космічні апарати (КА) в процесі виведення їх на робочі орбіти. Ця методика є основою для виконання теоретичних прогнозів динамічних навантажень на конструкції верхніх ступенів космічних рідинних РН і КА.
Створено нелінійну теорію поздовжніх коливань космічних рідинних РН, яка дає можливість визначити амплітуди поздовжніх коливань рідинних РН.
Розроблено методику наближеного визначення амплітуд поздовжніх автоколивань нелінійної динамічної системи «корпус РН – двигунна установка» із “замороженими” коефіцієнтами, засновану на використанні методу гармонічної лінеаризації.
Розроблено методику розрахунку перехідних і усталених процесів в динамічній системі з ієрархією характерних часів і гладкими нелінійностями. Розроблено нові ефективні способи і засоби усунення поздовжніх коливань рідинних РН: запропоновано і експериментально відпрацьовано принципово нові демпфери повздовжніх коливань рідинних РН.
Практичне значення та застосування
Співробітники відділу активно брали участь у науково-технічному супроводженні розробки космічної РН “Зеніт” і її модифікацій, і, насамперед, у вирішенні проблеми забезпечення поздовжньої стійкості. Був проведений теоретичний аналіз поздовжньої стійкості РН “Зеніт” на різних етапах її створення і надано технічні пропозиції, які були реалізовані. Виконано теоретичні прогнози поздовжньої стійкості ракет космічного призначення (РКП) “Зеніт-2SL” і “Зеніт-3SL” (в рамках програми “Морський старт”), “Зеніт-2SLБ” і “Зеніт-3SLБ” (в рамках програми “Наземний старт”). Надано практичні рекомендації щодо забезпечення поздовжньої стійкості зазначених космічних РН. Результати теоретичних прогнозів були підтверджені даними льотно-конструкторських випробувань.
В рамках контракту ІТМ НАНУ і ДКАУ з європейським об’єднанням European Rocket Engine Development and Production Amalgamation (SEP) були виконані теоретичні дослідження кавітаційних автоколивань в системі живлення рідким киснем рідинного ракетного двигуна VULCAIN для ракети-носія ARIAN-5, які виникли при його автономних випробуваннях. З теоретичних позицій було пояснено експериментально визначену втрату стійкості системи живлення та обґрунтовано ефективність заходів, спрямованих на усунення кавітаційних автоколивань.
Проведено теоретичний аналіз динамічних властивостей ракети космічного призначення (РКП) “Антарес”, яка розроблялась за завданням Orbital Sciences Corporation (США). Було запропоновано і реалізовано замовником практичні рекомендації щодо забезпечення поздовжньої стійкості ракети. Для РКП “Циклон-4” виконано теоретичний прогноз поздовжньої стійкості і динамічних навантажень на конструкції ракети та космічний апарат на активній частині польоту під час роботи рідинної ракетної двигунної установки першого ступеня. Розроблено науково-методичне забезпечення для визначення поздовжньої стійкості рідинних ракет та виконано теоретичний прогноз поздовжньої стійкості нових рідинних ракет космічного призначення на етапі їх ескізного проєктування: ракет тандемної схеми компонування “KSLV-II” та “Маяк Л3.0” (легкого класу), ракети пакетної схеми компонування “Маяк Т3.0” (важкого класу).
