Співробітниками відділу динаміки гідромеханічних і віброзахисних систем розроблено і в 2025 році впроваджено в ДП «КБ «Південне» науково-методичне забезпечення (НМЗ) для аналізу динамічних процесів в ракетних двигунах (РД) космічного призначення. Його ключовою особливістю є моделювання складної нелінійної взаємодії пружних просторових коливань корпусу космічної ракети-носія (РН) з динамічними процесами в двигунній установці. Це дозволило врахувати вплив численних внутрішніх і зовнішніх факторів: ефектів нелінійного демпфування коливань ракети-носія як динамічної системи, нелінійностей динамічних процесів у системах живлення, кавітаційних явищ у насосах, нестаціонарності робочих процесів під час польоту та ін.
Розроблене НМЗ дає змогу дослідити як низькочастотну, так і високочастотну нестійкість двигунної установки. При низькочастотній нестійкості РД можуть мати місце загальнодвигунні низькочастотні (зазвичай з частотою до 100 Гц) коливання робочих процесів у системах, агрегатах та камері згоряння, що виникають при повздовжніх коливаннях корпусу ракети-носія (явище POGO відповідно до американської наукової термінології). Такі коливання мають шкідливий вплив на робочі процеси в РД, призводять до збоїв у роботі систем управління двигуна, а в окремих випадках – до руйнування РД та всієї конструкції ракети з космічним апаратом (КА). Слід зазначити, що космічний апарат включає вкрай чутливе до таких небезпечних (аж до втрати місії космічної РН) вібрацій обладнання: прецизійні наукові прилади, оптичні системи, електронні компоненти. Динамічна нестійкість РД при польоті ракети-носія обумовлена резонансною взаємодією РД та пружного корпусу РН, які разом з паливними трактами утворюють коливальний контур «ракетна двигунна установка – корпус РН». Природа цього явища є такою, що воно не може бути виявлено в результаті наземних випробувань двигуна, тому математичне моделювання динамічної взаємодії маршової ракетної двигунної установки та пружного корпусу ракети є критично необхідним етапом при створенні нових і модернізації існуючих рідинних ракет.
Другий тип нестійкості, відомий як високочастотна (до 10000 Гц) термоакустична нестійкість двигунної установки, обумовлений процесами горіння компонентів палива в камері згоряння установки, які можуть супроводжуватися небезпечними для її працездатності динамічними явищами – коливаннями тиску з неприпустимо великою амплітудою, «закидами» тиску при перехідних процесах та коливаннями швидкості продуктів згоряння. Параметри цих коливань визначаються нестаціонарним горінням палива та акустичними процесами, що мають місце при русі продуктів згоряння в камері. В критичних випадках ці процеси призводять до порушення цілісності конструкції камери згоряння.
Прогнозування нестійкості на основі зазначеного НМЗ здійснюється шляхом математичного моделювання власних та вимушених коливань в акустичних порожнинах камери згоряння, що розглядається як пов’язана динамічна система «продукти згоряння – конструкція космічної двигунної установки».
Двигуни в обох випадках нестійкості схильні до численних потенційних відмов, які можуть призвести до катастрофічних наслідків. Крім того, витрати на випробування двигунів та випробувальне обладнання традиційно становили значну частину витрат програм створення ракетно-космічної техніки. Використання зазначеного НМЗ сприятиме суттєвому зменшенню вартості та тривалості створення перспективних, ефективніших за наявні, ракетних двигунів космічних систем.
Провідний науковий співробітник
відділу динаміки гідромеханічних і віброзахисних систем
д-р техн. наук Олексій НІКОЛАЄВ
