Table Of ContentМИНОБРНАУКИ РОССИИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ЕОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ
АЭРОКОСМИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ АКАДЕМИКА С П. КОРОЛЁВА
(НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)»
В.В. Рыжков, Е.А. Лапшин, И.И. Морозов
Компьютерное проектирование ЖРД на топливе кислород-
водород в среде графического пакета «Unigraphics»
Электронное учебное пособие
САМАРА
2012
УДК 621.455 (075)
ББК 39.65
Р939
Авторы: Рыжков Владимир Васильевич,
Лапшин Евгений Александрович,
Морозов Илья Игоревич
Рецензенты:
доцент кафедры конструкции и проектирования двигателей летательных аппаратов В.А. Борисов;
профессор кафедры теплотехники и тепловых двигателей В.В. Бирюк
Рыжков, В.В. Компьютерное проектирование ЖРД на топливе кислород-водород в среде
графического пакета «Unigraphics» [Электронный ресурс]: электрон, учеб. пособие /
B.В. Рыжков, Е. А. Лапшин, И. И. Морозов; Минобрнауки России, Самар, аэрокосм, ун-т им.
C.П. Королёва (нац. исслед. ун-т). - Электрон, текстовые и граф. дан. - Самара, 2012. - 1 эл. опт.
диск (CD-ROM)
В пособии приведены результаты по разработке технологии формирования проектного облика
ЖРД на топливе кислород-водород в среде графического пакета «Unigraphics». Представлены:
разработка элементов технологии формирования проектного облика ЖРД на топливе кислород-
водород; результаты разработки учебного примера по формированию проектного облика ЖРД на
топливе кислород-водород. В приложении к пособию в электронном виде приведены банки
данных по смесительным элементам, смесительным головкам, элементам обеспечения тепловой
защиты камеры, агрегатам и элементам ЖРД, а также электронная 3D модель ЖРД.
Учебное пособие предназначено для магистрантов факультета «Двигатели летательных
аппаратов», проходящих подготовку по направлению 160700.68 «Двигатели летательных
аппаратов» при изучении дисциплин «Двигательные установки и энергетика космических
аппаратов» в 9-м семестре и «Исследование рабочего процесса ракетных двигателей и
энергетических установок» в А семестре.
Разработано в НИЦ КЭ.
© Самарский государственный
аэрокосмический университет, 2012
Содержание
Стр.
ВВЕДЕНИЕ........................................................................................................ 7
1 РАЗРАБОТКА ЭЛЕМЕНТОВ ТЕХНОЛОЕИИ ФОРМИРОВАНИЯ
ПРОЕКТНОЕ О ОБЛИКА ЖРД НА ТОПЛИВЕ КИСЛОРОД-
ВОДОРОД С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ CAE/CAD-СИСТЕМ................ 10
1.1 КОНЦЕПТУАЛЬНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ТРЕХМЕРНОЕО
ЭЛЕКТРОННОЕ О МОДЕЛИРОВАНИЯ ЖРД.............................. 10
1.2 КОМПЬЮТЕРНАЯ СРЕДА РАЗРАБОТКИ ЖРД...................... 15
2 РАЗРАБОТКА УЧЕБНОЕО ПРИМЕРА ПО ФОРМИРОВАНИЮ
ПРОЕКТНОЕ О ОБЛИКА ЖРД НА ТОПЛИВЕ КИСЛОРОД-
ВОДОРОД........................................................................................................ 32
2.1 ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ................................................................... 32
2.2 РАЗРАБОТКА ТРЕХМЕРНОЙ ЭЛЕКТРОННОЙ МОДЕЛИ
ЖРД............................................................................................................. 33
2.3 РАЗРАБОТКА КОНСТРУКТОРСКОЙ И ТЕХНИЧЕСКОЙ
ДОКУМЕНТАЦИИ НА БАЗЕ ТРЕХМЕРНОЙ ЭЛЕКТРОННОЙ
МОДЕЛИ ЖРД....................................................................................... 54
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ................................... 65
ПРИЛОЖЕНИЕ А ЭЛЕКТРОННАЯ 3D МОДЕЛЬ ЖРД.................... 67
з
ОСНОВНЫЕ СОКРАЩЕНИЯ И УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ
Сокращения
ЖРД - жидкостный ракетный двигатель;
РТ - рабочее тело.
Обозначения
Р - тяга двигателя, Н;
р - давление, Па;
fir - массовый расход, г/с;
Кт - массовое соотношение компонентов топлива;
1У - удельный импульс тяги, м/с;
Ьпр - приведенная длина камеры сгорания, м;
М, т - масса, кг;
х, у, z - декартовы координаты, м.
Индексы
г - таз;
т - горючее;
ок - окислитель;
шах - максимальный;
min - минимальный;
рт - рабочее тело;
пс - продукты сгорания;
ст - стенка;
дои - допустимое значение параметра.
4
ВВЕДЕНИЕ
Для решения задач проектирования, выпуска конструкторской
документации и подготовки производства сложных изделий ракетно-
космической с применением современных технологий необходимо подобрать
соответствующее программное обеспечение. При этом осуществить выбор
представленных на рынке программных продуктов достаточно непросто,
поскольку существуют различные пакеты: специализированные и
универсальные, зарубежные и отечественные, русифицированные и
нерусифицированные, отличающиеся друг от друга классом решаемых задач,
стоимостью и полнотой соответствия выпущенной документации
российским стандартам.
Компьютерные технологии проектирования призваны не просто
автоматизировать традиционно существующие технологические звенья (так
как это обычно не дает качественного эффекта, за исключением некоторого
изменения условий труда), а принципиально изменить саму технологию
проектирования и производства изделий. Только в этом случае можно
ожидать существенного сокращения сроков создания, снижения затрат на
весь жизненный цикл, повышения качества изделий.
В основе организации компьютерной технологии проектирования
технических устройств лежит создание полного электронного макета
изделия, поскольку именно создание трехмерных электронных моделей,
адекватных реально проектируемой конструкции, открывает широкие
возможности для создания современной качественной продукции (особенно
сложной и наукоемкой) в сжатые сроки. В идеале процесс проектирования и
производства сложных и многокомпонентных изделий требует создания
сопрягаемых электронных моделей деталей, узлов, агрегатов, систем и всего
изделия в целом.
При этом следует одновременно решать задачи концептуального
проектирования, различных видов инженерного анализа, моделирования
5
возможных опасных режимов работы, а также компоновки изделия и
формирования его внешнего облика. Параллельно получаемые при
проектировании данные необходимо использовать для технологической
подготовки производства и самого производства. Кроме того, требуется
управлять всеми создаваемыми элементами электронной модели (структурой
изделия) и самим процессом создания изделия.
Для реализации компьютерной технологии проектирования и
производства в настоящее время применяются системы автоматизированного
проектирования, инженерного анализа и технологической подготовки
производства (CAD/CAE/CAM) высокого уровня, а также системы
управления проектом (PDM — Product Data Management).
Система CAD/CAE/CAM - это такая система, которая, во-первых,
обеспечивает весь цикл создания изделия от концептуальной идеи до
реализации, а во-вторых, создает проектно-технологическую среду для
одновременной работы всех участников создания изделия с единой
виртуальной электронной моделью этого изделия.
Такой подход обозначается аббревиатурой CAPE (Concurrent Art-to-
Product Environment), что переводится как «Единая среда создания изделия от
идеи до реализации». По существу, именно то, в какой степени система
реализует эту логику, и определяет ее уровень. Руководствуясь такой
концепцией, удается резко сократить цикл создания изделия, повысить
технический уровень проектов, избежать нестыковок и ошибок в
изготовлении оснастки и самого изделия благодаря тому, что в подобном
случае все данные взаимосвязаны и контролируемы.
В рамках реализации концепции САРЕ существует понятие «мастер-
модель» - это электронная модель, служащая эталоном для связанных с ней
элементов создаваемого изделия или оснастки для его производства, с
которой одновременно работают все участвующие в создании изделия.
Чтобы осуществить такую концепцию, система должна быть определенным
6
образом организована и обладать многими специфическими
функциональными возможностями, среди которых основными являются
полная параметризация и ассоциативная связь как внутри самой модели и
сборки, так и с её приложениями, а также возможность управления сборкой,
компонентами сборки.
7
1 РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ФОРМИРОВАНИЯ
ПРОЕКТНОГО ОБЛИКА ЖРД НА ТОПЛИВЕ КИСЛОРОД-ВОДОРОД
С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ САЕ/САИ-СИСТЕМ
1.1 КОНЦЕПТУАЛЬНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ТРЕХМЕРНОЕО
ЭЛЕКТРОННОЕ О МОДЕЛИРОВАНИЯ ЖРД
Создание современных ЖРД является ключевой проблемой в
космическом машиностроении, от решения которой во многом зависят
эффективность ракет-носителей, разгонных блоков, космических аппаратов,
их энергетические характеристики, ресурс и параметры надежности.
Актуальность вопросов создания ЖРД существенно возрастает, когда
разрабатываются двигатели, реализующие перспективные схемы, опыт
работы по которым практически отсутствует. К таким ЖРД относятся
двигатели на кислородно-водородном топливе различного назначения.
В настоящее время при проектировании ЖРД фирмы - разработчики
часто используют метод «от прототипа». В большинстве случаев это
оправдано, поскольку есть возможность опереться на отлаженное
производство, технологию, средства контроля и др. В совокупности
поставленные перед разработчиками цели могут быть достигнуты.
Однако, в случае технической реализации принципиально новых схем
двигателей решение проблем создания требует новых подходов, обобщения
опыта работы ведущих предприятий ракетно-космической промышленности,
привлечения современных технологий проектирования и так далее.
Процессы, протекающие в камере сгорания ЖРД, достаточно сложны.
Организация высокоэффективного рабочего процесса в ЖРД базируется на
современных достижениях термо- и газодинамики, тепло- и массобмена,
теплопередачи, химической кинетики и других фундаментальных наук. С
учетом того, что возможности экспериментальных методов исследования
параметров в объеме камеры ограничены (из-за высоких температур,
8
химической активности, многокомпонентности, динамической переменности
состава продуктов сгорания различных топлив и других факторов),
достоверную информацию о совершенстве внутрикамерных процессов
можно получить лишь по интегральным экспериментальным параметрам,
полученным в результате натурных испытаний. Чтобы снизить временные,
материальные и финансовые затраты на разработку двигателя в целом
представляется целесообразным усовершенствовать методы, технологии и
модели, создающие основу для принятия обоснованных конструктивных
решений на начальных этапах проектирования, когда формируется облик
двигателя и закладываются его основные параметры.
По существу, необходима принципиально другая организация процесса
создания новых ЖРД, при которой акцент смещен в область предпроектных
работ на базе современных ракетных моделей рабочего процесса,
программных продуктов, методов и средств компьютерного проектирования.
Такая концепция разработки ЖРД предполагает наличие развитой базы
знаний в области жидкостных расчётных двигателей и её широкое
использование при проектировании на начальных этапах, чтобы решить
основные проблемные вопросы на этой стадии создания двигателей.
Концептуально, с учетом изложенного, процесс создания
(моделирования) нового ЖРД может быть представлен в виде следующего
алгоритма (рисунок 1.1), на котором показана последовательность
(технология) формирования проектного облика ЖРД.
Процесс организации проектного облика двигателя представлен здесь в
пяти блоков с обратной связью.
Первый блок - подготовка исходных данных на проектируемый
двигатель.
Второй блок - формирование облика двигателя, оценка основных
параметров на базе известных (классических) расчетных методов с
использованием данных термодинамического, газодинамического расчета и
9
расчета теплообмена с выходом на основные геометрические и интегральные
параметры двигателя [1... 9].
ю
