روش نوين طراحي اوليه سامانه‌ تغذيه موتور سوخت مايع سرمازا با تكيه بر الگوريتم‌هاي بهينه‌سازي گرادياني و تكاملي

New preliminary design method of pump-fed system in a cryogenic lpre base on gradient and genetic algorithms

در اين مقاله، با تدوين روشي نوين، طراحي اوليه اجزاي سامانه‌ تغذيه يك موتور سوخت مايع سرمازا با پيكره‌بندي مدارِ پنوموهيدروليكي معين، انجام شده است. مدار موتور از نوع سيكل بسته و پيكره‌بندي سامانه‌ تغذيه‌ آن شامل يك توربوپمپ اصلي با توربين گازيِ‌ عكس‌العملي، يك بوسترپمپ مولفه سوخت با توربين هيدروليكي و يك بوسترتوربوپمپ مولفه اكسيدكننده با توربين گازي ضربه‌اي است. روش ارايه شده مبتني بر چهار ويژگي بهينه‌سازي سامانه‌ تغذيه را انجام مي‌دهد. اين چهار ويژگي عبارتند از دست‌يابي به مشخصه مطلوب كاويتاسيوني در پمپ‌ها -به ويژه پمپ مولفه اكسيدكننده- بالانس توان پمپ‌ها و توربين‌ها، سازه‌ روتور و همچنين برآورد جرم سامانه‌ تغذيه در نتيجه اين فرايند، پارامترهاي ورودي لازم براي طراحي اوليه ي هر جز تعيين مي‌شود. با حل اوليه معلوم مي‌شود كه بوسترپمپ‌ها، مرز كاويتاسيوني پمپ‌هاي اصلي را بهبود مي‌دهند و به اين وسيله جرم آن‌ها را كم مي‌كنند؛ اما خود جرم ديگري به سامانه‌ تغذيه اضافه مي‌كنند. نقطه‌ بهينه‌ اين مساله، با دو فرايند گرادياني و تكاملي (ژنتيك) به دست آمده است و نتايج حاصل با داده‌هاي يك موتور واقعي با مدار مشابه، مقايسه شده‌اند. مقايسه نتايج طراحي با ورودي‌هاي مشابه موتور واقعي،‌ درستي روش ارايه شده را اثبات مي‌كند و بهبود مشخصه‌هاي عملكردي سامانه‌ تغذيه را نشان مي‌دهد.

In this paper, a new method for preliminary design of feed system (FS) in a cryogenic liquid propellant rocket engine (LPRE) has been developed. The cycle type of LPRE is pump-fed system and staged combustion. Engine cycle consists of a main turbopump with reactive gas turbine, a fuel booster pump with hydro turbine and an oxidizer booster pump with active gas turbine. This method, based on four specifications, proper cavitation number in pumps, especially in oxidizer component, power balance between pumps and turbines, strength of material in main rotor of turbopump and mass evaluation of FS, determines the type of FS components and calculates initial requirements for preliminary design of each of them. Calculation shows that employing booster pumps improves the cavitation characteristic of the main pumps and consequently decreases FS mass, but causes added mass to fed-system. Optimum point could be achieved through using genetic algorithm, in which all involved parameters could be considered. Results of the method are compared with the same engine scheme. Comparison of the results confirms the correctness of the method and enhancement of FS characteristic parameters.