Расчетное исследование влияния геометрии штыревого сопла и условий полета на тяговые характеристики
Авторы: Таран К.А., Федотова К.В.
Опубликовано в выпуске: #5(161)/2025
Раздел: Авиационная и ракетно-космическая техника | Рубрика: Тепловые, электроракетные двигатели и энергоустановки летательных аппаратов
Численное исследование истечения из модельных остроконечного и укороченного штыревых сопел проведено при различных степенях расширения газа и числах Маха спутного потока. Расчеты выполнены в двумерной осесимметричной стационарной постановке и основаны на решении осредненных по Рейнольдсу уравнений Навье — Стокса, замкнутых моделью турбулентности k — ω SST и уравнением состояния идеального газа. Полученные распределения относительного давления по длине штыря валидированы по имеющимся экспериментальным данным, и проведено их сравнение при разных числах Маха. Анализ значений коэффициента тяги закритической части при четырех числах Маха спутного потока показал, что с повышением скорости полета коэффициент тяги увеличивается при дозвуковом потоке и уменьшается при сверхзвуковом. Отмечено, что за счет укорочения штыревого сопла достигается значительное преимущество в массе при небольшой потере тяги.
EDN KPVHSF
Литература
[1] Левочкин П.С., Лопатин Б.В., Низовцев В.М., Ширшов В.Е. Штыревые сопла в разработках АО «НПО Энергомаш». Труды НПО Энергомаш, 2023, № 40, c. 353–367.
[2] Чванов В.К., Стернин Л.Е., Левочкин П.С., Лопатин Б.В., Пономарев Н.Б., Гришко Я.П., Ширшов В.Е., Низовцев В.М., Денисов А.Э, Юрьев В.Ю. Конструкторские разработки в проектах маршевых двигательных установок перспективных ракет-носителей с общими штыревыми соплами. Труды НПО Энергомаш, 2019, № 36, c. 110–140.
[3] Левочкин П.С., Лопатин Б.В., Пономарев Н.Б., Низовцев В.М., Гончар А.Г., Ширшов В.Е., Гришко Я.П., Юрьев В.Ю. Экспериментальная отработка маршевых двигательных установок со штыревой многосопловой компоновкой в составе демонстраторов технологий перспективных ракет-носителей. Труды НПО Энергомаш, 2022, № S38-39, c. 176–192.
[4] Чванов В.К., Стернин Л.Е., Левочкин П.С., Лопатин Б.В., Пономарев Н.Б., Гришко Я.П., Ширшов В.Е., Низовцев В.М., Денисов А.Э, Юрьев В.Ю. Конструкторские разработки в проектах маршевых двигательных установок перспективных ракет-носителей с общими штыревыми соплами. Труды НПО Энергомаш, 2019, № 36, c. 110–140.
[5] Xiang-Yang Liu, Miao Cheng, Yun-Zhen Zhang, Jian-Ping Wang. Design and optimization of aerospike nozzle for rotating detonation engine. Aerospace Science and Technology, 2022, vol. 120 (6), 107300. https://doi.org/10.1016/j.ast.2021.107300
[6] Киршина А.А., Левихин А.А., Киршин А.Ю. Сравнительные результаты расчётно-теоретического исследования кольцевого сопла с плоским центральным телом. Вестник Самарского университета. Аэрокосмическая техника, технологии и машиностроение, 2024, т. 23, № 2, с. 28–39.
[7] Утегенов Т.М., Цепкова А.С., Зубанов В.М. Моделирование ракетного двигателя с центральным телом. Материалы докладов Международной научно-технической конференции «Проблемы и Перспективы развития двигателестроения», 2018, с. 290–291.
[8] Mishra A.K., Goswami V., Sarma P. Aerodynamic thrust characteristics and performance valuations for an aerospike nozzle: Review. International Journal of Engineering Applied Sciences and Technology, 2021, vol. 5(11), pp. 128–133.
[9] Pradeep R., Uk T., Prabhu R., Kumar K., Rajaramperumal M, Sumath Eswar K.S., Rajesh M., Mariappan A., Sukumaran A., Kumar V.R.S. Conceptual design and contour optimization of altitude compensation nozzles for SSTO vehicles. In: AIAA Propulsion and Energy 2020 Forum, 2020.
[10] Ferlauto M., Ferrero A., Marsilio R. Fluidic thrust vectoring for annular aerospike nozzle. In: AIAA Propulsion and Energy 2020 Forum, 2020.
[11] Naveen Kumar K., Gopalsamy M., Daniel Antony, Krishnaraj R., Chaparala B.V. Viswanadh. Design and optimization of aerospike nozzle using CFD. In: IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng., 2017, vol. 247.
[12] Kaun Y.V., Chernyshov M.S., Matveev S.A. Application of a wide-range nozzle with a central body in ultralight launch vehicles. AIP Conference Proceedings 2549, 2023, Paper No. 070002. 8 p.
[13] Sullivan G. CFD and heat transfer analysis of rocket cooling techniques on an aerospike nozzle. Electronic Theses and Dissertations 2465, 2022.
[14] Каун Ю.В., Брыков Н.А. Многоуровневая математическая модель течения газа в сопловом канале с центральным телом. Инженерный журнал: наука и инновации, 2022, вып. 9 (129). URL: https://engjournal.bmstu.ru/articles/2211/2211.pdf http://dx.doi.org/10.18698/2308-6033-2022-9-2211
[15] Кольцова Т.А. Численное моделирование течения в донной области многоразовой одноступенчатой ракеты-носителя в полете с учетом работающего двигателя внешнего расширения с центральным телом. Известия тульского государственного университета. технические науки, 2019, № 5, с 392–398.
[16] Ruf J., McCjnaughey P. The plume physics behind aerospike nozzle altitude compensation and slipstream effect. In: 33rd Joint Propulsion Conference and Exhibit, 1997, p. 3218.
[17] Hakim K., Toufik H., Mouloudj Y. Study and simulation of the thrust vectoring in supersonic nozzles. Journal of Advanced Research in Fluid Mechanics and Thermal Sciences, 2022, vol. 93, pp. 13–24.