Металлические диафрагмы-разделители топливных баков

Создание, высоконадежных и эффективных систем ракетной и ракетно-космической техники, обеспечивающих по своим тактико-техническим характеристикам высокий уровень выполнения программ в эксплуатационных условиях является неотъемлимой задачей повышения обороноспособности страны и дальнейшего освоения космического пространства. В настоящее время к. ракетно-космической технике предъявляются все более высокие требования по параметрам, условиям работы и надежности при широком спектре выполнения программ. Всё более широко используются искусственные спутники Земли различного назначения на низких и высоких круговых, высокоэллиптических и геостационарных орбитах для обеспечения телевизионным вещанием районов Западной и Восточной Сибири, для телефонно-телеграф-ной связи с отдаленными районами страны.

Происходит дальнейшее расширение использования ракетно-космической техники в целях изучения народного хозяйства геологами, железнодорожниками, работниками банков и вычислительных центров. Системы: «Москва», «Орбита», «Экран» позволили существенно расширить телевидение. Система «Цикада» с помощью спутников «Космос-1000» позволяет судну определить своё местонахождение в Мировом океане с точностью до 100 метров на базе спутников. Расширяются связи с зарубежными странами на базе спутников «Цикада», создана система КОСПАС. Совместно с американско-франко-канадской системы САРСАТ она образует единую согласованную службу спасения. Расширяются научные и торговые связи в области освоения космического пространства с Индией (программа Рикша).

Решение таких задач предопределяет необходимость совершенствования теории процессов протекающих в системах подачи ракетнокосмической техники, повышение качества проектирования, ускорение отработки и сдачи более современных образцов ракетно-космической техники в эксплуатацию.

Для решения большинства поставленных задач, необходимо применение топливных баков с вытеснительной системой подачи при гарантированном разделении газовой и жидкостной фаз. Такие баки применяются в системах коррекции и стыковки транспортных систем, в системах ориентации и стабилизации ступеней ракеты. Для боевых ракет-носителей это двигательные установки ориентации и стабилизации последних ступеней ракеты, обеспечивающих последовательный вывод головных, частей на заданные координаты орбиты. .• •- .

К летательным аппаратам ракетно-космических систем предъявляются особо высокие требования по параметрам, условиям работы и надёжности при широком спектре выполняемых программ. Решение выполняемых задач определяет необходимость дальнейшего совершенствования теории процессов, протекающих в системах подач ракетно-космических модулей, что повышает качество проектирования, ускоряет отработку и сдачу более современных систем ракетно-космической техники в эксплуатацию.

Важнейшим условием нормальной работы агрегатов космического летательного аппарата является непрерывность подачи компонентов. Непрерывность подачи компонентов может быть нарушена при наличии газовых пузырей в топливноподающих магистралях, например, при запуске в условиях невесомости или вследствие временного оголения заборного устройства, при манёвре летательного аппарата. Исключить это можно при использовании сил поверхностного натяжения /46а/, однако этот способ не находит широкого распространения ввиду влияния на расположение газового пузыря самых разнообразных факторов /36, 37, 38, 39, 40, 41, 46/. Для разграничения газовой и жидкостной фаз успешно применяется механические разделители. Механические разделители можно условно разделить на два больших класса: эластичные (неметаллические) и металлические. Неметаллические разделители выполняются из пластических материалов, стойких к компонентам, ассортимент которых ограничен /46,47, 73,74/. При кажущейся простоте схемы /1,2,3,28,43/ они достаточно сложны в реальном конструктивном исполнении. При небольшом перепаде, давление между газовой подушкой и жидким компонентом, положение разделителя, а следовательно и жидкого компонента, может быть строго определено только при дополнении разделителя специально сконструированными приспособлениями. Дополнительные детали необходимы также для сбора компонента и надёжной подачи его к заборной горловине. Форма эластичного разделителя в расправ.

— 6 — ' ленном состоянии должна соответствовать форме бака, поэтому раскрой материала для последующей сварки оболочки или сшивание чехла может быть сложным даже для простой формы бака. Увеличение размера разделителя или уменьшение его может привести к прекращению подачи компонента- /86/.

Процесс снаряжения топливного бака эластичным разделителем и последующая заправка бака топливом сложны. Во время заправки и при испытаниях могут появиться дефекты, перебои дренирования, ложная негерметичность /88/. Плёночные материалы, применяемые в настоящее время, не гарантируют работу в течении длительного времени. По этим причинам несколько более распространены металлические разделители /90/. Они, в большинстве своём, строго определяют положение жидкости в любой момент работы, гарантирует долговечность при контакте с компонентами, разнообразны по своей конструкции. Металлический разделитель выполнен, например, в конструкции космического летательного аппарата «Полет-1» 1963 г., пилотируемой орбитальной станции «Алмаз», а также в баках 0714, 0707, Б. 82. НО: 00 двигательных установок. В работе они надежны. Однако вопросы их конструирования требуют дополнительного изучения.

Исследования по этому направлению были начаты нами по заказу организации НПО ПМ, некоторые работы проводились совместно с ГИПХом. Работы проводились по заказу организации КЕМ, КБ Арсенал. Основная часть работ выполнена по заказу предприяпия НИИ МАШ на основании решения ГКСМ СССР по ВПК от 24.09.86 N 355.

Автор выражает глубокую признательность д.т.н., проф., зав. каф. САА, академику, Засл. деят.н.т. России Краеву М. В., д. т.н., проф., зав. каф. КТУ, чл.кор. ТАН Тунакову А. П., к.т.н., доцентам Краснопееву Б. Г., Автономову Н. Н., сделавшим ряд ценных замечаний, при просмотре рукописи. Автор приносит благодарность инженерам Панину С. С., Тетериной Н. Г., Кошкареву А. И., Сущеву А. В., Капустину Г. В., Мясникову С. П.

Автор благодарит доцентов Чернышова В. Н., Назарова В. П. и Журавлева В. Ю. за деловую критику в процессе формирования и обсуждения данной работы. Автор благодарит токаря-давиловщи-ка Силаичева А. С., который выполнил большинство экспериментальных разделителей.

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ расстояние от оси симметрии разделителя до центра кривизны образующейабсолютная деформациякоэффициент в линейной зависимости;

— диаметр параллельных сечений- -работа;

— расстояниемодуль Юнгаповерхность;

— интенсивность скоростей деформации;

— расстояние между одноимёнными точками вывернутой части разделителя при его перемещении;

— тангенс угла наклона образующей конуса;

— длина меридиана разделителя;

— расстояние по меридиану в зоне перекатываниярасстояние от серединной поверхностидавление;

— радиус'кривизны поверхностирадиус зоны перекатывания;

— расстояние от плоскости перекатывания до центра невывернутой зоны;

— расстояние по меридиану в зоне перекатыванияпараметр Стьюдентаработаскоростьобъём;

— поверхностная нагрузка- -координата;

— значение измеряемого параметра- ¦ '• • • координата;

— предельная погрешность измерениятолщина разделителяотносительные деформациискорость деформацииугловая координата в зоне перекатывания;

— напряжение нормальное;

— среднее квадратичное отклонениенапряжение касательноетекущий угол выворачиванияплощадьугловая скорость.

Верхние индексы векторкинематическая возможная величина. Нижние индексы.

— внутренняявременное;

— центральнаяперекатывание;

— систематическая;

— серединная;

— центр вращения;

— наружная;

— нижняя;

1 — переменный—параметрМ — меридиан- - п — нормаль к поверхности О — начальный-' П — параллельS — текучестьТ — тори — истинный;

2 — суммарныйизм — измеренныйотн — относительныйпер — переносный;

5.4. Выводы по разделу.

1.При выводе теоретических зависимостей, описывающих процесс выворачивания разделителя, составлена модель этого процесса,.

— 259 благодаря чему получились удобные расчетные зависимости* в конечном виде, — не требующие вычисления дифференциальных уравнений. Модель все особенности реального разделителя и процесса его выворачивания не учитывает. В часности материал представляется идеально-пластичным, расстояние от оси симметрии до зоны перекатывания много большиы радиуса зоны перекатывания, а радиус зоны перенатывания больше толщины разделителя в этой зонетолщина на протяжении зоны перенатывания постоянна и т. д.

2. Приблиление априорных формул к реальным, характеристикам процесса выворачивания осуществляется идентификацией. При идентификации важно учесть как можно больше параметров, даже дублирующих. В программе идентификации использовалась разработанная программа процесса выворачивания разделителя, как подпрограмма, определялись невязки измеренных величинразница между действительной и теоретической величиной по отношению к действительной, определялось влияние на теоретические зависимости различных параметров. До идентификации величины невязок по радиусу зоны перекатывания определялись цифрами 0,1−0,6. После идентификации с учетом влияния угла деформируемой зоны с поправочным коэффициентом 0,5, невязки по этому параметру уложились в диапазон ±0,1. Величина невязок по давленю после идентификации укладываются в диапазон ±0,1, что с учетом механических характеристик материала достаточно хорошее совпадение.

3. Выведенная зависимость границ устойчивости достаточно хорошо согласуется с экспериментом при действии боковых перегрузок.

— 260.

4. Сравнение о работами других авторов можно производить практически только по величине критического давления и в том случае, если известна форма разделителя. Наибольшее совпадение дает зависимость Залесова и наша. Зависимость Залесова дает заниженные•результаты. Наша зависимость располагается выше экспериментальной.

5. Вывернутую форму разделителя можно определить по зависимостям Залесова В. Н. и нашим. Форма Залесова предполагает большую начальную отбортовку и большие деформации материала для одного и того же подсчитанного разделителя. Исследования Северова Н. А. и Даева И. Ф. выполнены на основе известной конечной формы разделителя.

6. По методике Залесова В. Н., для выполнения постоянного перепада давления необходимо некоторое изменение толщины. Однако это изменение невелико и, вероятно, поэтому его не учитывают. По нашей методике по мере перемещения зоны выворачивания изменение толщины существенно (например, для бака диаметром ~ 400 изменение от 1,2 мм до 1,8 мм). Это накладывает отпечаток и на технологию изготовления — ротационный метод.

7. Основная задача оптимизации: в выделенном объеме разместить бак с наибольшим количеством компонента, с надежным разделением жидкой и газовой фазы в процессе хранения и выработки компонента. Использование объема бака должнобыть наибольшим, вес|сухого бака наименьшим. Выворачивание разделителя должно проходить без потери устойчивости при минимальных энергозатратах на вытеснение.^{Вытеснение} должнобыть осесимметрично. Прй отсутствии специальной оговоренности наработу бака при боковых перегрузках. ¦*¦ .

В основном варианте проектирования за функцию цели принимается максимальный выделенный объем.

Варьируемые параметры геометрии начальной формы разделителя: ' углы отдельных секций или их протяженность (сфера, тор, конус), радиусы серединнойповерхности, координаты центров радиусов: и эпюра изменения толщин по длине меридиана разделителя. Функциональные ограничения: начальная форма разделителя не должна выходить за нижнюю ограничивающую поверхность, а вывернутая форма разделителя не должна выходить за верхнюю ограничивающую поверхностьдля разных форм ограничивающих поверхностей (сфера, чечевица, месяц и т, д.) — давление выворачивания на любом участке выворачивания не должно выходить! за заданные пределыдавление на участке выворачивания не ! должно быть меньше давления предыдущего участканакопленный угол нормали к зоне перекатывания не должен превышать величины тс/2- при отсутствии специальной оговоренностй необходимо уменьшить эту величину на 0,10. 0,15.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. На основании теоретических и экспериментальных исследований разработана методология пластического деформирования материала диафрагмы-разделителя включающяя: а) форму, объем и протяженность зоны пластического де-(формирования материала и зон упругого деформирования для выворачивающихся диафрагм-разделителей из анализа статического расчета и экспериментальных данныхб) определены кинематически возможные скорости зоны — перекатывания для различных схем процесса выворачивания" (выворачивание при. Положительной деформации параллели, выворачивание при отрицательной деформации параллели, несимметричное выворачивание при действии боковой перегрузки) по однотипной схемев) на основе кинематически возможных скоростей определены: скорости перемещения повехности в пластической и упругой зонах, скорости деформаций по основным направлениям, зоны деформаций с наибольшими из деформаций по основным направлениям, интенсивности скоростей деформации в этих зонахг) с использованием энергетического принципа, скоростей перемещения и интенсивности скоростей' деформаций определены основные характеристики процесса выворачивания: радиус зоны перекатывания, давление выворачивания от параметров, мен-якь щихся в процессе выворачивания (геометрических размеров, угла наклона образующей, толщины, механических характеристик материала).

2. На основании экспериментальных и теоретических иссле.

— 263 дований процесса выворачивания диафрагм-разделителей определены: а) зависимости деформаций по основным направлениям от параметров, меняющихся в процессе выворачивания и соотношения между деформациями по основным направлениям в зависимости от схемы выворачивания (выворачивание при положительной деформации параллели, при отрицательной деформации параллели, при действии боковой перегрузки) — б) причины — и характер потери устойчивости диафрагмы-разделителя в зависимости от основных параметров, от вида нагрузки, от некоторых конструкторско-технологических факторовв) скорректированы характеристики процесса выворачивания диафрагмы-разделителя методом идентификации с использованием матемтической модели процесса выворачиванияг) разработана методика и программа расчета диафрагмы-разделителя в составе топливного бака J1A.

3. Экспериментально исследовано влияние конструкторско-технологических факторов на процесс выворачивания диафрагмы-разделителя:, а) разнотолщинность на одной параллелиб) изменение толщины по меридиану на основные характеристикив) положение сварного шва в сборке ложемент-диафрагма-раз делите льг) проплав в зону начальной отбортовкид) механических характеристик и термообработки.

4. Разработано методологическое обоснование расчета выворачивающихся диафрагм-разделителей в составе топливного" бака: а) алгоритма расчета;

I жб) программу расчета.

5. По результатам исследований в НИИ Маш г. Н. Салда спроектирован двухкомпонентный топливный бак средних размеров Б82.100.00, для симметричного выворачивания, бак Б82.100.00Б — работающий при действии боковых перегрузок равных 50g. Оба двухкомпонентных бака запущены в серийное производство на ЗМЗ г. Златоуст. Замечаний со стороны военной приемки нет и не было.

В ГРЦ КБ им.: академика В. П. Макеева г. Миасс спроектирован, прошел все виды конструкторских испытаний большеразмер-ный двухкомпонентный бак с суммарной емкостью 570 л. Гарантийный. срок хранения 18 лет. Там. же разработан и изготовляется однокомпон|ентный бак емкостью 9 л, срок хранения 18 лет. Методикой [проектирования пользуются в КБ «Арсенал» '" г. С.-Петербурге при проектировании баков изделия 94Е,' в ГРКЦ «Салют» г. Москва. Результаты исследования были использованы при исследовании нештатной ситуации при работе баков, спроектированных в: КБ «Союз», выпускаемых серийно на ГП «Крас-машзавод» и нештатных ситуаций баков Б82.100.00. Результаты исследования внедрены в учебный процесс САА в курсе «Конструкция и проектирование летательных аппаратов» и в курсе теоретической механики.