Методика определения термопрочности топливного бака орбитальной ступени с маршевым жидкостным ракетным двигателем

Рассматривается проблема взрывоопасности топливного бака отработавшей орбитальной ступени (ОС) ракеты-носителя с невыработанными остатками жидкого компонента топлива в баке после выключения маршевого жидкостного ракетного двигателя на круговой орбите в диапазоне высот 200-1000 км. Представлена инженерная методика по оценке взрывоопасности топливного бака ОС ракеты-носителя в зависимости от количества остатков жидкого компонента топлива (до 3 % от начальной заправки топливного бака) на момент выключения маршевого жидкостного ракетного двигателя, от повышения давления, обусловленного испарением жидкого компонента топлива при нахождении ОС на орбите и воздействием внешних тепловых потоков. Показаны максимальная (при нахождении ОС на полностью освещенной орбите) и минимальная (при нахождении ОС на максимально затененном участке орбиты с последующим выходом на освещенную часть) границы теплового нагружения ОС внешними тепловыми потоками, а также повышенным давлением в баке на примере типового топливного отсека, представляющего собой цилиндрическую обечайку со сферическими днищами. Сформированы предложения по допустимому количеству остатков жидкого компонента топлива в баке после выключения маршевого жидкостного ракетного двигателя и вели¬чине теплового нагружения ОС при нахождении на орбите.

взрывоопасность, ракета-носитель, отработавшая ступень, невыработанные остатки топлива, круговая орбита, тепловое нагружение

1. Mannan S. Lees’ Loss Prevention in the Process Industries. Hazard Identification, Assessment and Control. - 3rd ed. - Oxford : Butterworth-Heinemann, 2004. - Vol. 1. - 3680 p. DOI: 10.1016/B978-0-7506-7555-0.50272-3.

2. Si-Ning Chen, Jin-Hua Sun, Guan-Quan Chu. Small scale experiments on boiling liquid expanding vapor explosions: Vessel over-pressure // Journal of Loss Prevention in the Process Industries. - 2007. - Vol. 20, Issue 1. - P. 45-51. DOI: 10.1016/j.jlp.2006.09.002.

3. Козлитин А. М. Развитие теории и методов количественной оценки риска аварий сложных технических систем // Вестник Саратовского государственного технического университета. - 2011. - Т. 4, № 3(61).- С. 115-124.

4. Update of the IADC space debris mitigation guidelines. IADC-11-02. - Beijing, May 2014.

5. Weiguo Li, Xianhe Zhang, Haibo Kou, Ruzhuan Wang, Daining Fang. Theoretical prediction of temperature dependent yield strength for metallic materials // International Journal of Mechanical Sciences. - 2016. - Vol. 105.- P. 273-278. DOI: 10.1016/j.ijmecsci.2015.11.017.

6. Takase K. et al. Demonstration for upper stage controlled re-entry experiment by H-IIB launch vehicle // Mitsubishi Heavy Industries Technical Review. - 2014. - Vol. 48, No. 4. - P. 11-16.

7. Ariane-5, Data Relating to Flight VA205 by Hugues Lanteri. Kourou, 2012. URL: http://www.spaceairbusds.com/media/document/flight-va205/atv3.pdf (дата обращения: 11.12.2015).

8. Меры, принимаемые космическими агентствами для снижения темпов образования космического мусора или его потенциальной опасности : доклад секретариата / Комитет по использованию космического пространства в мирных целях, 21.11.1995. URL: http://www.unoosa.org/pdf/reports/ac105/AC105/620R.pdf (дата обращения: 15.01.2016).

9. Меры, принимаемые космическими агентствами для снижения темпов образования космического мусора или его потенциальной опасности : доклад секретариата / Комитет по использованию космического пространства в мирных целях, 13.12.1996. URL: http://www.unoosa.org/pdf/reports/ac105/AC105/663R.pdf (дата обращения: 22.01.2016).

10. Glazunov A. A., Goldin V. D., Zverev V. G., Ustinov S. N., Finchenko V. S. Aerothermodynamics calculation of thermal destruction of “Fregat” upper stage at descent in the Earth’s atmosphere // Thermophysics and Aeromechanics.-2013.-Vol. 20, Issue 2.-P. 195-209. DOI: 10.1134/s0869864313020066.

11. Sim H., Kim K. Reentry survival analysis of tumbling metallic hollow cylinder // Advances in Space Research. - 2011.- Vol. 48, No. 5. - P. 914-922. DOI: 10.1016/j.asr.2011.04.036.

12. Tewari A. Entry trajectory model with thermomechanical breakup // Journal of Spacecraft and Rockets. - 2009. - Vol. 46, No. 2. - P. 299-306. DOI: 10.2514/1.39651.

13. Ailor W. H., Patera R. P. Spacecraft re-entry strategies: meeting debris mitigation and ground safety requirements // Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers / Journal of Aerospace Engineering. -2007.-Part G.-Vol. 221, No. 6.-P. 947-953. DOI: 10.1243/09544100JAERO199.

14. Rykhlova L. V., Bagrov A. V., Barabanov S. I., Kasimenko T. V., Mikisha A. M., Smirnov M. A. Search and observations of space debris and near earth objects at Inasan // Advances in Space Research. -2001. - Vol. 28, No. 9. - P. 1301-1307. DOI: 10.1016/S0273-1177(01)00401-X.

15. Fritsche B., Klinkrad H., Kashkovsky A., Grinberg E. Spacecraft disintegration during uncontrolled atmospheric re-entry // Acta Astronautica. - 2000. - Vol. 47, Issues 2-9. - P. 513-522. DOI: 10.1016/s0094-5765(00)00090-4.

16. Lips T., Fritsche B. A comparison of commonly used re-entry analysis tools // Acta Astronautica. -2005. - Vol. 57, Issues 2-8. - P. 312-323. DOI: 10.1016/j.actaastro.2005.03.010.

17. Rykhlova L. V., Kasimenko T. V., Mikisha A. M., SmirnovM.A. Explosions in the geostationary orbit //Advances in Space Research.-1997.-Vol. 19, No. 2.-P. 313-319. DOI: 10.1016/S0273-1177(97)00014-8.

18. Lips T., Fritsche B., Koppenwallner G., Klinkrad H. Spacecraft destruction during re-entry - latest results and development of the SCARAB software system // Advances in Space Research.-2004.-Vol. 34, No. 5. - P. 1055-1060. DOI: 10.1016/j.asr.2003.01.012.

19. Машиностроение : Энциклопедия. Т. II-3. Цветные металлы и сплавы. Композиционные металлические материалы / Под общ. ред. И. Н. Фридляндера.-М. : Машиностроение, 2001.-880 c.

20. Гольденвейзер А. Л. Теория упругих тонких оболочек. - М. : Наука, 1976. - 512 с.

21. Baker W. E., Cox P. A., Westine P. S., Kulesz J. J., Strehlow R. A. Explosion hazards and evaluation. Amsterdam - Oxford - New York : Elsevier Scientific Publishing Company, 1983. - 807 p. DOI: 10.1016/0010-2180(85)90099-9.

22. РБГ-05-039-96. Руководство по анализу опасности аварийных взрывов и определению параметров механического действия. - М. : НТЦ ЯРБ Госатомнадзор России, 2000. - 80 с.

23. Bubbico R., Mazzarotta B. Analysis and comparison of calculation methods for physical explosions of compressed gases // 11th International Conference on Chemical and Process Engineering.-2013.-Vol. 32, No. 11. - P. 81-90. DOI: 10.3303/CET1332023.

24. Викторов М. М. Методы вычисления физико-химических величин и прикладные расчеты.-Л. : Химия, 1977.- 360 с.

25. Рид Р., Праусниц Дж., Шервуд Т. Свойства газов и жидкостей : справочное пособие.-Л., 1982. - 592 с.

26. Теория тепломассообмена / Под ред. А. И. Леонтьева. - М. : Высшая школа, 1979. - 495 c.

27. Meseguer J., Perez-Grande I., Sanz-Andres A. Spacecraft thermal control. - Oxford - Cambridge - Philadelphia - New Delhi : Woodhead Publishing, 2012. - P. 381.

28. СкляровЮ.А., Фомина Н. В., Котума А. И., Семенова Н. В. Альбедо, поглощенная солнечная радиация и уходящая длинноволновая радиация по материалам атласов NASA США // Известия Саратовского университета. - 2009. - № 1. - С. 44-55.

29. Основы теории полета космических аппаратов / Под ред. Г. С. Нариманова. - М. : Машиностроение, 1972.- 608 с.

30. NASA-STD-8719.14A. Process for Limiting Orbital Debris.-Washington, D. C. : NASA, Office of Safety and Mission Assurance, 2012. - 74 p.

31. Lochan R., Adimurthy V., Kumar K. Separation dynamics of ullage rockets // Journal of Guidance, Control, and Dynamics. - 1994.- Vol. 17, No. 3. - P. 426-434. DOI: 10.2514/3.21217.

32. Jeyakumar D., Biswas K. K., Nageswara-Rao B. Stage separation dynamic analysis of upper stage of a multistage launch vehicle using retro rockets // Mathematical and Computer Modelling.-2005.- Vol. 41, Issue 8-9. - P. 849-866. DOI: 10.1016/J.MCM.2005.02.001.

33. Alessi E. M. The reentry to Earth as a valuable option at the end-of-life of Libration Point Orbit missions //Advances in Space Research.-2015.-Vol. 55, No. 12.-P. 2914-2930.DOI:10.1016/J.ASR.2015.03.012.

34. Многоканальный мониторинговый телескоп ММТ. Результаты анализа фотометрической информации по космическим объектам на околоземных орбитах. Январь 2016 года : информационноаналитический отчет. URL: http://astroguard.ru/mmtpublic.html (дата обращения: 03.02.2016).

35. Anselmo L., Pardini C. Ranking upper stages in low Earth orbit for active removal // Acta Astronautica. - 2016. - Vol. 122, Issues 19-27.- P. 19-27. DOI: 10.1016/J.ACTAASTRO.2016.01.019.