Работа капиллярного накопителя внутрибакового устройства обеспечения сплошности компонентов топлива в условиях полетных вибраций
Предложена модель движения жидкости в капиллярном накопителе внутрибакового устройства обеспечения сплошности компонентов топлива при воздействии низкочастотных вибраций; получены зависимости для определения высоты и скорости подъёма жидкости от параметров вибрации. Запропоновано модель руху рідини...
Збережено в:
| Опубліковано в: : | Техническая механика |
|---|---|
| Дата: | 2011 |
| Автори: | , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Російська |
| Опубліковано: |
Інститут технічної механіки НАН України і НКА України
2011
|
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/88192 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Работа капиллярного накопителя внутрибакового устройства обеспечения сплошности компонентов топлива в условиях полетных вибраций / А.Н. Заволока, Н.Ф. Свириденко, Д.Э. Смоленский // Техническая механика. — 2011. — № 2. — С. 8-12. — Бібліогр.: 9 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859489135071330304 |
|---|---|
| author | Заволока, А.Н. Свириденко, Н.Ф. Смоленский, Д.Э. |
| author_facet | Заволока, А.Н. Свириденко, Н.Ф. Смоленский, Д.Э. |
| citation_txt | Работа капиллярного накопителя внутрибакового устройства обеспечения сплошности компонентов топлива в условиях полетных вибраций / А.Н. Заволока, Н.Ф. Свириденко, Д.Э. Смоленский // Техническая механика. — 2011. — № 2. — С. 8-12. — Бібліогр.: 9 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Техническая механика |
| description | Предложена модель движения жидкости в капиллярном накопителе внутрибакового устройства обеспечения сплошности компонентов топлива при воздействии низкочастотных вибраций; получены зависимости для определения высоты и скорости подъёма жидкости от параметров вибрации.
Запропоновано модель руху рідини в капілярному накопичувачі внутрішньобакового пристрою забезпечення суцільності компонентів палива при дії низькочастотних вібрацій; одержані залежності для визначення висоти і швидкості підйому рідини від параметрів вібрації.
The model of liquid motion in the capillary storage device of intra-tank device for providing fuel components integrity at influence of low-frequency vibrations is proposed; functional dependencies for determination of heights and speeds of liquid climb on the vibration parameters are found.
|
| first_indexed | 2025-11-24T16:25:06Z |
| format | Article |
| fulltext |
УДК 629.7.023.001
А.Н. ЗАВОЛОКА, Н.Ф. СВИРИДЕНКО, Д.Э. СМОЛЕНСКИЙ
РАБОТА КАПИЛЛЯРНОГО НАКОПИТЕЛЯ ВНУТРИБАКОВОГО
УСТРОЙСТВА ОБЕСПЕЧЕНИЯ СПЛОШНОСТИ КОМПОНЕНТОВ
ТОПЛИВА В УСЛОВИЯХ ПОЛЕТНЫХ ВИБРАЦИЙ
Предложена модель движения жидкости в капиллярном накопителе внутрибакового устройства
обеспечения сплошности компонентов топлива при воздействии низкочастотных вибраций; получены
зависимости для определения высоты и скорости подъёма жидкости от параметров вибрации.
Запропоновано модель руху рідини в капілярному накопичувачі внутрішньобакового пристрою за-
безпечення суцільності компонентів палива при дії низькочастотних вібрацій; одержані залежності для
визначення висоти і швидкості підйому рідини від параметрів вібрації.
The model of liquid motion in the capillary storage device of intra-tank device for providing fuel
components integrity at influence of low-frequency vibrations is proposed; functional dependencies for
determination of heights and speeds of liquid climb on the vibration parameters are found.
Перспективы расширения диапазона полетных задач, решаемых совре-
менными ракетами-носителями (РН), в значительной степени обусловлены
возможностью обеспечения гарантированной подачи на вход двигателя ком-
понентов топлива (КТ) без газовых включений при осуществлении неодно-
кратных запусков двигательной установки (ДУ) на различных этапах полета,
в том числе в условиях невесомости или близких к ним. При этом зачастую
ограничивается также время обеспечения готовности топливной системы к
последующему, после останова двигателя, запуску [1].
Наиболее часто путем решения указанных задач является применение
внутрибаковых устройств обеспечения сплошности КТ с капиллярными на-
копителями [2]. Это объясняется широким диапазоном возможных вариантов
их конструктивного и технологического исполнения, что позволяет создавать
устройства, обеспечивающие практически полную (до 98,5 % [3]) выработку
топлива из баков в различных условиях полета.
Существенное влияние на процесс функционирования капиллярных уст-
ройств вообще и накопителей КТ в том числе оказывают полетные вибрации
топливных баков (ТБ). Наиболее значительные вибрации действуют с часто-
той, не превышающей f 50 Гц в моменты старта и останова двигателя.
Кроме того, при маневрировании ступеней РН переменные по величине и на-
правлению силы тяги обусловливают развитие вынужденных колебаний кон-
струкции с частотами до f 10 Гц [4].
В связи с этим необходимо отметить, что если работа капиллярных уст-
ройств в статических условиях и при воздействии колебаний килогерцевого
диапазона исследована достаточно полно [5, 6], то адекватное описание зако-
номерностей движения жидкостей в капиллярах при воздействии низкочас-
тотных вибраций (0 < < 50 Гц) отсутствует. Экспериментально установлено
лишь интенсифицирующее влияние действующих вдоль оси капилляра низ-
кочастотных вибраций на скорость движения и высоту подъема в нем смачи-
вающих жидкостей, причем, как показывают эксперименты, скорость подъе-
ма жидкости экспоненциально зависит от частоты колебаний и возрастает с
уменьшением краевого угла смачивания [7, 8].
f
Очевидно, что указанные эффекты необходимо принимать во внимание
при решении задач, связанных с проектированием систем обеспечения мно-
гократных запусков ДУ космических ступеней РН.
8
А.Н. Заволока, Н.Ф. Свириденко, Д.Э. Смоленский, 2011
Техн. механика. – 2011. – № 2.
Рассматривая влияние вибраций на капилляр с жидкостью, будем пола-
гать, что:
жидкость является идеальной и несжимаемой;
система «капилляр-жидкость» находится в состоянии термодинамиче-
ского равновесия;
частота действующих вибраций существенно ниже собственной часто-
ты капилляра;
протяженность капилляра значительно больше его диаметра.
На движение жидкости в капилляре оказывают влияние различные фак-
торы: поверхностное натяжение, гравитационные силы и, в том числе, как
следует из приведенных выше данных, силы, зависящие от частоты и ампли-
туды вибраций, определяющие соответствующие значения частоты и ампли-
туды пульсаций давления в жидкости у основания капилляра.
Принимая во внимание, что наиболее широко используемые компоненты
ракетных топлив являются хорошо смачивающими конструкционные мате-
риалы внутрибаковых устройств РН жидкостями, будем рассматривать в ка-
честве оказывающих определяющее влияние на скорость и высоту подъема
жидкости в вибронагруженном капилляре следующие силы:
силу, обусловленную пульсациями давления у основания капилляра
tA
d
F p
k
p
sin
4
2
, (1)
где диаметр капилляра; амплитуда пульсаций давления; kd pA круго-
вая частота; t время.
силу поверхностного натяжения
kdF , (2)
где – коэффициент поверхностного натяжения;
гравитационную силу
hgn
d
F hж
k
q
4
2
, (3)
где – плотность жидкости; ж g – ускорение свободного падения; – высо-
та столба жидкости в капилляре; – коэффициент продольной перегрузки
(вдоль оси капилляра);
h
hn
диссипативную силу, ответственную за интенсивное рассеяние энергии
колебаний в зоне мениска, которая обусловлена его деформацией при встрече
поднимающейся жидкости с линией контакта и затратами энергии на ее про-
движение вверх по сухой стенке капилляра [9].
Как показано в [9], при малых амплитудах колебаний жидкости в капил-
ляре и 40 в общем случае нелинейная диссипативная сила вырождается
в линейную, пропорциональную скорости движения жидкости в капилляре,
которая определяется выражением
dt
dh
n
F
h
q 4
3
182,0
, (4)
9
где – диссипативная сила на единицу длины линии контакта мениска со
стенкой капилляра.
qF
Из рассмотрения исключена сила, обусловленная вязким трением жидкости
о стенки капилляра, что объясняется относительно низкими значениями скоро-
сти движения жидкости в капилляре, даже при вибрационном воздействии.
Рассматривая баланс работ по перемещению жидкости в капилляре за
один период колебаний Т, будем полагать, что в первом полупериоде сила
, совпадая по направлению с силой поверхностного натяжения, способст-
вует подъему жидкости в капилляре на высоту
pF
Bh , а во втором, будучи про-
тивоположно направленной, инициирует опускание жидкости на . При
этом в обоих случаях будем рассматривать среднюю за полупериод силу
Hh
2
2
kp
p
dA
F
. (5)
Соответствующие уравнения балансов работ будут иметь, с учетом (1) –
(5), следующий вид:
для первого полупериода, когда жидкость в капилляре движется вверх
0
100
2
82
24
3
2
22
B
h
k
BBhж
k
BkB
kp
h
nT
d
hhhgn
d
hdh
dA
; (6)
для второго полупериода, когда жидкость в капилляре опускается
0
100
2
82
24
3
2
22
H
h
k
HHhж
k
HkH
kp
h
nT
d
hhhgn
d
hdh
dA
.(7)
Подъем жидкости в капилляре за время, равное одному периоду колеба-
ний T , составит
HBT hhh , (8)
а за время t
T
t
hhh HB
(9)
или, после подстановки в (9), полученных из (6), (7) выражений, определяю-
щих и , Bh Hh
t
Tdgn
n
dTAgnhgnd
n
h
khж
h
kphжhжk
h
2
3
4
3
)(
45
8416
45
. (10)
Переходя в (10) к пределу при 0t , получим линейное неоднород-
ное дифференциальное уравнение первого порядка с постоянными (при за-
данных параметрах вибраций) коэффициентами
10
2
3
2
24
3
2
2
3
2
4
3
2
)(
45
8
45
16
)(
45
45
4
khж
h
kphж
h
khж
h
h
khж
dgn
n
f
dfAgn
n
f
h
dgn
n
f
n
fdgn
dt
dh
, (11)
где
T
f
1
– частота вибраций.
Общее решение уравнения (11) имеет вид
t
dgn
n
f
n
fdgn
c
n
fdgn
dfAgn
n
f
h
khж
h
ж
h
ж
khж
h
khж
kphж
h
ж
2
3
2
4
3
2
4
3
2
24
3
2
)(
45
45
4
exp
45
4
8
45
16
. (12)
Определяя постоянную интегрирования из условия c 0h при 0t и
подставляя ее значение в (12), после преобразований получим выражение для
определения высоты подъема жидкости в капилляре при действии продоль-
ных вибраций
1
)(
45
45
4
exp
45
2
45
4
2
3
2
4
3
2
4
3
24
3
t
dgn
n
f
n
fdgn
n
fdgn
dAgn
n
f
h
khж
h
ж
h
ж
khж
h
khж
kphж
h
ж
. (13)
Время подъема жидкости на высоту составляет h
11
24
3
4
3
4
3
2
24
3
2
2
45
4
45
1ln
45
4
)(
45
kphж
h
ж
h
ж
khж
h
ж
khж
khж
h
ж
dAgnf
n
f
n
dgnh
n
fdgn
dgn
n
f
t
. (14)
Выражения (13) и (14) позволяют осуществлять обоснованный выбор ос-
новных проектных параметров капиллярных накопителей внутрибаковых
устройств обеспечения сплошности компонентов топлива с учетом влияния
на их работу полетных вибраций топливных баков РН и получать оценки ми-
нимальной продолжительности работы двигателя с точки зрения обеспечения
условий для его гарантированного повторного запуска.
Необходимо отметить, что область применения выражений (13) и (14)
определяется диапазоном изменения частоты вибраций
4
3
53
120
hж
k
n
df . (15)
Для рассматриваемых условий эксплуатации РН, характерных геометри-
ческих характеристик капилляров накопителей и свойств компонентов топ-
лива это соответствует значениям 1200 f Гц.
Для более высоких частот колебаний механизмы, определяющие ано-
мально высокие значения скорости и высоты подъема жидкостей в капилля-
рах, подлежат уточнению.
1. Шевченко Б. А. К вопросу о проектировании систем обеспечения запуска двигательной установки КЛА
в условиях невесомости / Б. А. Шевченко // Математическое моделирование в инженерных расчетах
сложных систем. – Днепропетровск: ДГУ, 1997. – С. 89 – 95.
2. Беляев Н. М. Системы наддува топливных баков ракет / Н. М. Беляев. – М. : Машиностроение, 1976. –
336 с.
3. Anglim D. D. Low-G testing of the Space Shuttle OMS propellant tank / D. D. Anglim // AIAA Paper. – 1979. –
№ 1258. – P. 1 – 7.
4. Dynamic Environmental Criteria National Aeronautics and Space Administration NASA-HDBK-7005 MARCH
13, 2001 http: // standards. nasa. gov.
5. Белов С. В. Пористые материалы в машиностроении / С. В. Белов. – М. : Машиностроение, 1976. – 184 с.
6. Прохоренко П. П. Ультразвуковой капиллярный эффект / П. П. Прохоренко, Н. В. Дежкунов, Г. Е, Коно-
валов. – Минск : Наука и техника, 1981. – 135 с.
7. Кульгина Л. М. Низкочастотный капиллярный эффект / Л. М. Кульгина, А. А. Кульнин // Деп. в ВИНИТИ,
№ 6493 –В85, 1985. – 6 с.
8. Кудрицкий Г. Р. Теплообмен при кипении в условиях определяющего влияния геометрических характе-
ристик поверхности нагрева: автореф. дис. на соискание степени д-ра техн. наук / Г. Р. Кудрицкий. – Ки-
ев, 1995. – 40 с.
9. Микишев Г. Н. Влияние поверхностного натяжения и угла смачивания на колебания жидкости в сосудах
/ Г. Н. Микишев, Г. А. Чурилов // Динамика космических аппаратов и исследование космического про-
странства. – М. : Машиностроение, 1986. – С. 164 – 174.
Институт технической механики Получено 27.04.11,
НАН Украины и НКА Украины, в окончательном варианте 27.04.11
г. Днепропетровск
ГП «Конструкторское бюро «Южное»,
г. Днепропетровск
12
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-88192 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 1561-9184 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-11-24T16:25:06Z |
| publishDate | 2011 |
| publisher | Інститут технічної механіки НАН України і НКА України |
| record_format | dspace |
| spelling | Заволока, А.Н. Свириденко, Н.Ф. Смоленский, Д.Э. 2015-11-09T19:15:04Z 2015-11-09T19:15:04Z 2011 Работа капиллярного накопителя внутрибакового устройства обеспечения сплошности компонентов топлива в условиях полетных вибраций / А.Н. Заволока, Н.Ф. Свириденко, Д.Э. Смоленский // Техническая механика. — 2011. — № 2. — С. 8-12. — Бібліогр.: 9 назв. — рос. 1561-9184 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/88192 629.7.023.001 Предложена модель движения жидкости в капиллярном накопителе внутрибакового устройства обеспечения сплошности компонентов топлива при воздействии низкочастотных вибраций; получены зависимости для определения высоты и скорости подъёма жидкости от параметров вибрации. Запропоновано модель руху рідини в капілярному накопичувачі внутрішньобакового пристрою забезпечення суцільності компонентів палива при дії низькочастотних вібрацій; одержані залежності для визначення висоти і швидкості підйому рідини від параметрів вібрації. The model of liquid motion in the capillary storage device of intra-tank device for providing fuel components integrity at influence of low-frequency vibrations is proposed; functional dependencies for determination of heights and speeds of liquid climb on the vibration parameters are found. ru Інститут технічної механіки НАН України і НКА України Техническая механика Работа капиллярного накопителя внутрибакового устройства обеспечения сплошности компонентов топлива в условиях полетных вибраций Article published earlier |
| spellingShingle | Работа капиллярного накопителя внутрибакового устройства обеспечения сплошности компонентов топлива в условиях полетных вибраций Заволока, А.Н. Свириденко, Н.Ф. Смоленский, Д.Э. |
| title | Работа капиллярного накопителя внутрибакового устройства обеспечения сплошности компонентов топлива в условиях полетных вибраций |
| title_full | Работа капиллярного накопителя внутрибакового устройства обеспечения сплошности компонентов топлива в условиях полетных вибраций |
| title_fullStr | Работа капиллярного накопителя внутрибакового устройства обеспечения сплошности компонентов топлива в условиях полетных вибраций |
| title_full_unstemmed | Работа капиллярного накопителя внутрибакового устройства обеспечения сплошности компонентов топлива в условиях полетных вибраций |
| title_short | Работа капиллярного накопителя внутрибакового устройства обеспечения сплошности компонентов топлива в условиях полетных вибраций |
| title_sort | работа капиллярного накопителя внутрибакового устройства обеспечения сплошности компонентов топлива в условиях полетных вибраций |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/88192 |
| work_keys_str_mv | AT zavolokaan rabotakapillârnogonakopitelâvnutribakovogoustroistvaobespečeniâsplošnostikomponentovtoplivavusloviâhpoletnyhvibracii AT sviridenkonf rabotakapillârnogonakopitelâvnutribakovogoustroistvaobespečeniâsplošnostikomponentovtoplivavusloviâhpoletnyhvibracii AT smolenskiidé rabotakapillârnogonakopitelâvnutribakovogoustroistvaobespečeniâsplošnostikomponentovtoplivavusloviâhpoletnyhvibracii |