vestiftИзвестия Национальной академии наук Беларуси. Серия физико-технических наукProceedings of the National Academy of Sciences of Belarus. Physical-technical series1561-83582524-244XThe Republican Unitary Enterprise Publishing House "Belaruskaya Navuka"10.29235/1561-8358-2021-66-3-320-328vestift-683Research ArticleЭНЕРГЕТИКА, ТЕПЛО- И МАССООБМЕНPOWER ENGINEERING, HEAT AND MASS TRANSFERМетоды определения газодинамических характеристик реактивного сопла аэродинамического объектаMethods of determination of the gas-dynamic characteristics of a jet nozzle of an aerodynamic objectИльющенкоА. Ф.IlyushchankaA. Ph.

Ильющенко Александр Федорович – член-корреспондент Национальной академии наук Беларуси, доктор технических наук, профессор, генеральный директор Государственного научно-производственного объединения порошковой металлургии, директор Института порошковой металлургии имени академика О. В. Романа

ул. Платонова, 41, 220005, Минск

Aliaksandr Ph. Ilyushchanka – Correspondent Member of the National Academy of Sciences of Belarus, D. Sc. (Engineering), Professor, Director General of the State Research and Production Powder Metallurgy Association – Director of the O. V. Roman Powder Metallurgy Institute, State Research and Production Powder Metallurgy Association

41, Platonov Str., 220005, Minsk

alexil@mail.belpak.byКривоносО. К.KryvanosA. K.

Кривонос Олег Константинович – кандидат военных наук, заместитель генерального директора

ул. Платонова, 41, 220005, Минск

Aleh K. Kryvanos – Ph. D. (Military Science), Deputy of Director General

41, Platonov Str., 220005, Minsk

Krivonos_ok@tut.byЧорныйА. Д.ChornyA. D.

Чорный Андрей Дмитриевич – кандидат физико-математических наук, доцент, заведующий лабораторией турбулентности

ул. П. Бровки, 15, 220072, Минск

Andrei D. Chorny – Ph. D. (Physics and Mathematics), Associate Professor, Head of Turbulence Laboratory

15, P. Brovka Str., 220072, Minsk

anchor@hmti.ac.byПетюшикЕ. Е.PiatsiushykY. Ya.

Петюшик Евгений Евгеньевич – доктор технических наук, профессор, заместитель генерального директора по научной работе

ул. Платонова, 41, 220005,  Минск

Yauheni Ya. Piatsiushyk – D. Sc. (Engineering), Professor, Deputy of Director General for Research

41, Platonov Str., 220005, Minsk

pet65@bk.ruГосударственное научно-производственное объединение порошковой металлургииState Research and Production Powder Metallurgy AssociationИнститут тепло- и массообмена имени А. В. Лыкова Национальной академии наук БеларусиA. V. Luikov Heat and Mass Transfer Institute of National Academy Sciences of Belarus202108102021663320328Copyright © Ильющенко А.Ф., Кривонос О.К., Чорный А.Д., Петюшик Е.Е., 20212021Ильющенко А.Ф., Кривонос О.К., Чорный А.Д., Петюшик Е.Е.Ilyushchanka A.P., Kryvanos A.K., Chorny A.D., Piatsiushyk Y.Y.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://vestift.belnauka.by/jour/article/view/683

Эффективность работы аэродинамических объектов с реактивными двигателями обусловлена множеством факторов, среди которых огромное значение имеют конструктивные параметры сопла и их взаимосвязь с общей конструкцией двигателя и источником энергии, определяющим состав и свойства рабочего тела двигателя. В связи с этим существует необходимость выполнения расчетов газодинамических характеристик и геометрических параметров сопла на различных стадиях проектирования и испытаний реактивных двигателей. Причем любое изменение в конструкции и (или) типе используемых материалов требует индивидуального подхода к расчету. В работе предпринята попытка оценить соответствие различных методик расчетов для конкретной системы «высокоэнергетический материал – рабочее тело – сопло» экспериментально установленным параметрам системы. Из многообразия существующих подходов к моделированию процессов выделяют относительно несложные расчеты с большим количеством допущений и детальное моделирование, учитывающее максимально возможное количество факторов. Выполненные расчеты с использованием одномерной теории сопла и метода моделирования газовой динамики продемонстрировали наличие различий в полученных результатах в диапазоне 6 % по разным параметрам. При этом отмечено более близкое соответствие результатов метода моделирования газовой динамики экспериментально установленным параметрам. Вместе с тем метод моделирования газовой динамики реактивного сопла двигателя является более трудоемким и затратным для проведения расчетов по сравнению с применением одномерной теории. Поэтому с практической точки зрения для проведения конструктивного расчета двигателя целесообразно использовать одномерную теорию сопла, а проверочный расчет осуществлять средствами моделирования.

The efficiency of aerodynamic objects with jet engines is the result of many factors, among which nozzle parameters are of great importance in relation to the general engine design and the energy source, that determines the composition and properties of the engine working medium. In this respect, an urgent need was to calculate nozzle gas-dynamic characteristics and geometric parameters at various designing and testing stages of jet engines. Relatively simple calculations involving a large number of assumptions and detailed modeling with regard to the maximum possible number of factors are the basis of the existing modeling approaches. In the present work, the problem was to assess an agreement between such modeling methods of a specific ‘high-energy material – working medium – nozzle’ system and the experimental ones. The calculations using one-dimensional nozzle theory and the gas dynamics modeling method revealed a 6 % difference in the results of various parameters. At the same time, a closer agreement was noted between the experimental data and the results predicted by the gas dynamics modeling method. Moreover, in comparison to one-dimensional theory, the gas dynamics modeling method of an engine jet nozzle is more labor-intensive and expensive for calculations. Therefore, from the practical viewpoint, it is advisable to give preference to one-dimensional theory to calculate the engine construction and to verify calculations with the use of the modeling methods.

аэродинамический объектреактивное соплогазодинамические характеристикисечение сопласкорость истечениятемпература рабочего теладавление газачисло Махаaerodynamic objectjet nozzlegas-dynamic characteristicsnozzle cross-sectionexhaust velocityworking medium temperaturegas pressureMach numberReferencesYumusak, M. Analysis and design optimization of solid rocket motors in viscous flows / M. Yumusak // Computers & Fluids. – 2013. – № 75. – P. 22–34. https://doi.org/10.1016/j.compfluid.2013.01.011Yumusak M. Analysis and design optimization of solid rocket motors in viscous flows. Computers & Fluids, 2013, vol. 75, no. 75, pp. 22–34. https://doi.org/10.1016/j.compfluid.2013.01.011Биматов, В. И. Внешняя баллистика: учеб. пособие / В. И. Биматов, В. Д. Мерзляков, В. П. Степанов. – Томск: Изд-во Томского ун-та, 1993. – Ч. 1. – 168 с.Bimatov V. I., Merzlyakov V. D., Stepanov V. P. External Ballistics. Part 1. Tomsk, Publishing House of Tomsk University, 1993. 168 p. (in Russian).Studies on the influence of testing parameters on dynamic and transient properties of composite solid rocket propellants using a dynamic mechanical analyzer / V. Wani [et al.] // J. Aerosp. Technol. Manag. – 2012. – Vol. 4, iss. 4. – P. 443–452. https://doi.org/10.5028/jatm.2012.04044012Wani V., Mehihal M., Jain S., Singh P. P., Bhattacharya B. Studies on the influence of testing parameters on dynamic and transient properties of composite solid rocket propellants using a dynamic mechanical analyzer. Journal of Aerospace Technology and Management, 2012, vol. 4, iss. 4, pp. 443–452. https://doi.org/10.5028/jatm.2012.04044012Nozzle flow separation fluid-thermal-structure load transfer coupled analysis and test research / H. Hai-Feng [et al.] // J. Astronautics. – 2011. – Vol. 32, № 7. – P. 1534–1542.Hai-Feng H., Bao F.-T., Wang Y.-J., Cai Q., Liu Y. Nozzle flow separation fluid-thermal-structure load transfer coupled analysis and test research. Journal of Astronautics, 2011, vol. 32, no. 7, pp. 1534–1542.Experimental and numerical study of jet mixing from a shock-containing nozzle / Q. Xiao [et al.] // Journal of Propulsion and Power. – 2009. – Vol. 25, № 3. – P. 688–696. http://doi.org/10.2514/1.37022Xiao Q., Tsai H., Papamoschou D., Johnson A. F. Experimental and numerical study of jet mixing from a shock-containing nozzle. Journal of Propulsion and Power, 2009, vol. 25, no. 3, pp. 688–696. http://doi.org/10.2514/1.37022Silton, S. Navier-stokes computations for a spinning projectile from subsonic to supersonic speeds / S. Silton // J. Spacecraft Rockets. – 2005. – Vol. 42, № 2. – P. 223–231. https://doi.org/10.2514/1.4175Silton S. Navier-stokes computations for a spinning projectile from subsonic to supersonic speeds. Journal of Spacecraft Rockets, 2005, vol. 42, no. 2, pp. 223–231. https://doi.org/10.2514/1.4175Кривонос, О. К. Методология разработки энергонасыщенного гетерогенного композиционного материала / О. К. Кривонос, А. Ф. Ильющенко, Е. Е. Петюшик // Порошковая металлургия: респ. межвед. сб. науч. трудов / редкол.: А. Ф. Ильющенко [и др.]. – Минск: НАН Беларуси, 2020. – Вып. 43. – С. 122–129.Kryvanos A. K., Ilyushchanka A. Ph., Piatsiushyk Ya. Ya. Methodology for the development of an energy-saturated heterogeneous composite material. Poroshkovaya metallurgiya: respublikanskii mezhvedomstvennyi sbornik nauchnykh trudov [Powder Metallurgy: republican interdepartmental collection of scientific papers]. Minsk, National Academy of Sciences of Belarus, 2020, issue 43, pp. 122–129 (in Russian).Разработка математической модели структурообразования энергонасыщенного композиционного материала / О. К. Кривонос [и др.] // Полимерные материалы и технологии. – 2021. – Т. 7, № 1. – С. 23–32. https://doi.org/10.32864/polymmattech-2020-6-4-23-32Kryvanos A. K., Ilyushchanka A. Ph., Piatsiushyk Ya. Ya., Buloichik V. M. Development of a mathematical model for the structure formation of an energy-saturated composite material. Polimernye materialy i tekhnologii [Polymer Materials and Technologies], 2021, vol. 7, no. 1, pp. 23–32 (in Russian). https://doi.org/10.32864/polymmattech-2020-6-4-23-32Алемасов, В. Е. Теория ракетных двигателей: учеб. для студентов высш. техн. учеб. заведений / В. Е. Алемасов, А. Ф. Дрегалин, А. П. Тишин; под ред. В. П. Глушко. – М.: Машиностроение, 1989. – 464 с.Alemasov V. E., Dregalin A. F., Tsishyn A. P. Glushko V. P. (ed.) The Theory of Rocket Engines. Moscow, Mashinostroenie Publ., 1989. 464 p. (in Russian).Павлюк, Ю. C. Баллистическое проектирование ракет: учеб. пособие для вузов / Ю. C. Павлюк. – Челябинск: Изд-во ЧГТУ, 1996. – 92 с.Pavlyuk Yu. S. Ballistic Missile Design. Chelyabinsk: Publishing House of Chelyabinsk State Technical University, 1996. 92 p. (in Russian).Абугов, Д. И. Теория и расчет ракетных двигателей твердого топлива: учеб. для машиностроительных вузов / Д. И. Абугов, В. М. Бобылев. – М.: Машиностроение, 1987. – 272 с.Abugov D. I., Bobylev V. M. Theory and Calculation of Solid-Fuel Rocket Engines. Moscow, Mashinostroenie Publ., 1987. 272 p. (in Russian).Роль компьютерного моделирования и физического эксперимента в исследованиях аэрогазодинамики ракетно-космических систем в процессе проектирования / Н. П. Алабова [и др.] // Космическая техника и технологии. – 2014. – № 3 (6). – С. 14–21.Alabova N. P., Bryukhanov N. A., Dyadkin A. A., Krylov A. N., Simakova T. V. The role of computer modeling and physical experiment in the study of aerogasdynamics of rocket-space systems in the design process. Kosmicheskaya tekhnika i tekhnologii = Space Engineering and Technology, 2014, no. 3 (6), pp. 14–21 (in Russian).Гарбарук, А. В. Моделирование турбулентности в расчетах сложных течений / А. В. Гарбарук, М. Х. Стрелец, М. Л. Шур. – СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2012. – 88 с.Garbaruk A. V., Strelets M. Kh., Shur M. L. Turbulence Modeling in Computation of Complex Flows. St. Petersburg, Publishing House of Polytechnic University, 2012. 88 p. (in Russian).Ильющенко, А. Ф. Способ определения баллистического коэффициента оперенного аэродинамического объекта / А. Ф. Ильющенко, О. К. Кривонос, А. Д. Чорный // Проблемы физики, математики и техники. – 2021. – № 2 (47). – С. 90–97.Ilyushchanka A. Ph., Kryvanos A. K., Chorny A. D. Approach for determination of ballistic coefficient of a tail aerodynamic object. Problemy fiziki, matematiki i tekhniki = Problems of Physics, Mathematics and Technics, 2021, no. 2 (47), pp. 90–97 (in Russian).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.