Маршевый ЖРД второй ступени ракеты-носителя тягой 210 кН на жидких компонентах топлива водород и кислород.

ВВЕДЕНИЕ 10
1 АНАЛИЗ ТЕМЫ ВКР И ФОРМУЛИРОВКА РЕШАЕМЫХ ЗАДАЧИ 12
1.1 Анализ актуальности темы ВКР 12
1.1.1 Основные задачи Федеральной космической программы РФ на 2026…2036 гг 12
1.1.2 Анализ проектно-конструкторского уровня разработок, связанных с темой ВКР 14
1.1.3 Выбор прототипа и обоснование вывода об актуальности темы ВКР 15
1.2 Анализ требований к ЖРД и обоснование проблемного характера темы ВКР 17
1.3 Перечень задач, решаемых в ВКР 20
2 ТЕРМОГАЗОДИНАМИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ КАМЕРЫ 22
2.1 Выбор системы подачи топлива, схемы и основных параметров ЖРД 22
2.1.1 Выбор системы подачи топлива 22
2.1.2 Выбор схемы двигателя 23
2.1.3 Выбор давления в камере сгорания 23
2.1.4 Выбор давления в выходном сечении сопла 23
2.2 Цели и задачи термодинамического расчёта 27
2.3 CFD-модель идеального ракетного двигателя 29
2.3.1 Допущения термодинамической модели 29
2.3.2 Физико-математическая термодинамическая модель идеального ракетного двигателя 30
2.3.3 Численная реализация модели в виде СПК TERRA 34
2.3.4 Проверка адекватности СПК «Терра» 35
2.4 Определение оптимального соотношения компонентов в камере 37
2.4.1 Формирование целевой функции 37
2.4.2. Выбор типа внутреннего охлаждения камеры двигателя 38
2.4.3. Определение оптимального коэффициента избытка окислителя в ядре потока при создании пристеночного слоя смесительной головкой 39
3 ГАЗОДИНАМИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ КАМЕРЫ ЖРД НА ОСНОВЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЧИСЛЕННОЙ CFD-МОДЕЛИ 47
3.1 Задачи газодинамического расчета 47
3.2 Выбор теоретического контура сверхзвуковой части сопла 47
3.2.1 Метод на основе укорочения контура сопла с равномерными параметрами на выходе 47
3.3 Определение действительной величины удельного импульса с учетом потерь на основе использования аппроксимационной модели 52
3.3.1 Методика действительной величины удельного импульса с учетом потерь на основе использования аппроксимационной модели 52
3.3.2 Определение потерь удельного импульса из-за рассеяния на основе использования аппроксимационной модели 53
3.3.3. Определение потерь удельного импульса из-за трения на основе использования апроксимационной модели 55
3.3.4 Определение потерь удельного импульса из-за химической неравновесности на основе использования графических зависимостей, аппроксимирующих результаты численных расчетов 56
4 ИНТЕГРАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОГО И ГАЗОДИНАМИЧЕСКОГО РАСЧЕТА 59
4.1 Определение идеальной ( , ) и действительной величины расходного комплекса с учетом ядра и пристенка ; определение величины 59
4.2 Определение относительной площади камеры сгорания 59
4.3 Определение коэффициента восстановления давления торможения в камере сгорания 60
4.4 Определение действительного значения удельного импульса, массового расхода компонентов через камеру, а также пристеночные форсунки и определение площадей характерных сечений камеры 61
4.5 Определение подогрева компонента в тракте охлаждения камеры. Влияние неадиабатности процесса 66
4.5.1 Подогрев компонента топлива в тракте охлаждения 67
4.5.2 Влияние неадиабатности процесса на удельный импульс тяги 70
4.6 Профилирование внутреннего контура камеры 71
4.6.1 Определение объема камеры сгорания 71
4.6.2 Профилирование и определение объема докритической части сопла 72
4.6.3 Основные геометрические размеры камеры сгорания 73
5 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ СИСТЕМЫ ПОДАЧИ ТОПЛИВА, РАСЧЕТ И ПРОЕКТИРОВАНИЕ СМЕСЕОБРАЗОВАНИЯ В ЖИДКОСТНОМ РАКЕТНОМ ДВИГАТЕЛЕ 78
5.1 Выбор и обоснование структурной схемы подачи топлива 78
5.2. Характеристики генераторного газа 79
5.3 Определение параметров турбонасосной системы подачи топлива в двигателе без дожигания генераторного газа. 80
5.4 Проектирование смесительной головки 92
5.4.1 Выбор формы, типа и конструктивной схемы смесительной головки 92
5.4.2 Определение устройств, располагаемых на смесительной головке 92
5.4.3 Выбор типа форсунок для ядра потока и пристенка 92
5.4.4 Выбор схемы расположения форсунок на днище смесительной головки камеры 93
5.4.5 Определение размеров форсунок и вычерчивание схемы их расположения 93
5.4.6 Определение числа форсунок 96
5.4.7 Массовые расходы топлива через одну форсунку 96
5.5 Гидрогазодинамический расчет и проектирование топливных форсунок 97
5.5.1 Проектный расчет двухкомпонентной ядерной центробежно-струйной жидкостно-газовой форсунки с внешним смешением 97
5.5.2 Проектный расчет двухкомпонентной пристеночной центробежно-струйной жидкостно-газовой форсунки с внешним смешением 107
6 РАСЧЕТ И ПРОЕКТИРОВАНИЕ КОНСТРУКЦИИ ТНА 116
6.1 Выбор конструктивной схемы ТНА 116
6.1.1 Тип ротора по кинематике вращения 117
6.1.2 Тип насосов 117
6.1.3 Тип турбины 117
6.1.4 Количество насосов 117
6.4.5 Количество ступеней насосов 117
6.4.6 Количество ступеней турбины 118
6.4.7 Количество валов в роторе 118
6.4.8 Расположение турбины относительно опор 118
6.4.9 Расположение насосов относительно турбины 119
6.2 Расчет угловой скорости валов ТНА 119
6.3 Определение параметров центробежного рабочего колеса 122
6.3.1 Параметры на входе в центробежное колесо 122
6.3.2 Параметры на выходе из центробежного колеса 125
6.3.3 Проверка условия бескавитационного режима работы центробежного колеса 129
6.4 Потери, мощность и КПД насоса 131
6.5 Профилирование основных элементов проточной части шнекоцентробежного насоса 133
6.6 CFD-моделирование рабочего процесса в шнекоцентробежном насосе 137
6.7 Расчет элементов конструкции на статическую прочность 142
6.7.1 Построение 3D-моделей 142
6.7.2 Исследование вала на статическую прочность 144
6.7.3 Исследование рабочего колеса на статическую прочность 146
6.7.5 Расчет собственных частот рабочего колеса насоса горючего 148
6.7.6 Расчет ротора на критические частоты 151
7 ПРОЕКТИРОВАНИЕ КОНСТРУКЦИИ КАМЕРЫ 154
7.1 Расчет теплозащиты элементов камеры 154
7.2 Проектирование оребрения охлаждающего тракта корпуса камеры 161
7.3 Расчет гидравлических потерь 172
7.4.Расчет на прочность элементов камеры 180
7.4.1 Расчет прочности смесительной головки 181
7.4.2 Расчет прочности наружного днища 184
7.4.3 Расчет прочности корпуса 186
7.4.4 Прочность опор 191
7.4.5 Расчет фланцевого соединения 194
7.5 Последовательность сборки камеры 199
8 ФУНКЦИОНАЛЬНОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ 200
8.1.1 Функционирование ПГС ДУ 202
9 СПЕЦИАЛЬНАЯ ЧАСТЬ 206
9.1 Расчет на прочность маршевого ЖРД второй ступени тягой 210 кН на компонентах топлива H2 и O2 при действии статических 206
9.1.1 Описание конструкции, используемой для численного моделирования 206
9.1.2 Исходные данные для проведения расчета на прочность 209
9.1.3 Расчет на статическую прочность от действия рабочих нагрузок 212
9.2.1 Результаты расчета при действии СВ по оси X 225
Результаты расчета при действии СВ по оси X представлены на рисунках 8.26-8.35. 227
Результаты расчета при действии СВ по оси Z представлены на рисунках 9.36 - 9.45. 231
9.3 Вывод 239
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 240
ОПРЕДЕЛЕНИЯ, ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ 242
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 244
ПРИЛОЖЕНИЕ А. Проверка адекватности СПК TERRA 248
ПРИЛОЖЕНИЕ Б. Результаты определения идеального удельного импульса тяги в пустоте для пристеночного слоя с помощью СПК TERRA 250
ПРИЛОЖЕНИЕ В. Результаты определения термодинамических и теплофизических свойств продуктов сгорания для ядра потока с помощью СПК TERRA 252
ПРИЛОЖЕНИЕ Г. Результаты определения термодинамических и теплофизических свойств продуктов сгорания для ядра потока с помощью СПК TERRA с учетом новой геометрической степенью расширения Fa=38 255
ПРИЛОЖЕНИЕ Д. Результаты определения термодинамических и теплофизических свойств продуктов сгорания для пристеночного слоя с помощью СПК TERRA с учетом новой геометрической степенью расширения Fa=38 258
ПРИЛОЖЕНИЕ К. Результаты определения термодинамических и теплофизических свойств генераторного газа с помощью СПК TERRA 261
ПРИЛОЖЕНИЕ Л. Результат расчета в COPLOS 264
ПРИЛОЖЕНИЕ Б 266

Весь текст будет доступен после покупки

Создание жидкостного ракетного двигателя (ЖРД) представляет собой сложную инженерную задачу, требующую интеграции передовых технологий в области термодинамики, материаловедения и системного проектирования. Современные ЖРД состоят из множества взаимосвязанных узлов и агрегатов, обеспечивающих высокоточный синхронный режим работы и оптимальную отдачу от топливной схемы.
Камера сгорания спроектирована с учетом максимальной эффективности процессов сгорания жидких компонентов кислорода и водорода. В зоне сгорания осуществляется не только выделение тепла, но и формирование высокотемпературной газовой струи, способной приводить в действие ракетный двигатель с необходимой тягой. Для обеспечения устойчивости к экстремальным условиям используются жаропрочные сплавы и покрытие из специальных материалов с высокой стойкостью к термическим и химическим воздействиям.
Процесс проектирования ЖРД требует применения передовых методов численного моделирования — при помощи компьютерный программ для исследования термогазодинамических и прочностных свойств разработанной конструкциии. Важной частью является создание сложных систем охлаждения и управления, стабилизирующих работу двигателя в условиях переменной нагрузки и экстремальных температурных границ.

Весь текст будет доступен после покупки

1 АНАЛИЗ ТЕМЫ ВКР И ФОРМУЛИРОВКА РЕШАЕМЫХ ЗАДАЧИ

1.1 Анализ актуальности темы ВКР
1.1.1 Основные задачи Федеральной космической программы РФ на 2026…2036 гг
1) Целью Федеральной космической программы Российской Федерации на 2026–2036 годы является обеспечение гарантированного, независимого и устойчивого доступа Российской Федерации в космос, развитие и эффективное использование национального космического потенциала в интересах науки, обороны, экономики и социального развития страны
2) Основные задачи ФКП. Создание и развитие многофункциональной орбитальной группировки космических аппаратов, обеспечивающих решение задач связи, навигации, дистанционного зондирования Земли, метеорологии, научных и оборонных исследований
3) Формирование Российской орбитальной станции (РОС) как национальной платформы для пилотируемых, научных и прикладных экспериментов
4) Создание перспективной транспортной системы нового поколения, включающей пилотируемый корабль «Орёл», ракетно-космические комплексы среднего, тяжёлого и сверхтяжёлого классов, а также элементы многоразового применения.
5) Разработка и реализация комплекса автоматических миссий по исследованию Луны, включая создание космических аппаратов «Луна-26», «Луна-27», «Луна-28» и подготовку к будущим пилотируемым полётам
6) Создание космических комплексов для контроля солнечной активности, мониторинга космической погоды и исследования процессов в магнитосфере Земли.
7) Развитие систем спутниковой связи и ретрансляции, включая внедрение технологий квантовой, фотонной и лазерной связи.
8) Проведение научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ, направленных на создание нового поколения ракетно-космической техники с применением цифрового проектирования, аддитивных технологий и отечественной элементной базы.
9) Создание системы наблюдения и управления космическим движением, мониторинга орбитального мусора и предотвращения столкновений в космосе.

Весь текст будет доступен после покупки

1. Федеральная космическая программа России на 2026 – 2036 годы утверждена постановлением Правительства РФ от 23 марта 2016 г. № 230 [Текст].
2. Новости космонавтики URL: https://forum.novosti-kosmonavtiki.ru/index.php?topic=16308.420 (Дата обращения 11.11.2025)
3. Добровольский, М.В. Жидкостные ракетные двигатели. Основы проектиро- вания [Текст]: учеб. для вузов / М.В. Добровольский; под ред. Д.А. Ягодни- кова. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2005.– 448 с.
4. Егорычев, В.С. Термодинамический расчет и проектирование камер ЖРД с СПК ТЕРРА: учебное пособие / В.С.Егорычев .- Самара : Изд-во Самар. гос. аэрокосм. ун-та, 2013.-107 с.
5. Абрамович, Г.Н. Прикладная газовая динамика [Текст]: учебн. рук-во для втузов в 2 ч. Г.Н. Абрамович – М.:Наука.1991.– 600 с.
6. Киселев, А.И.,Медведев,А.А., Меньшиков, В.А. Космонавтика на рубеже тысячелетий/А.И. Киселев, А.А. Медведев, В.А., Меньшиков.- М.: Машинострое-ние.2002.-734 с.

Весь текст будет доступен после покупки