Способ моделирования процесса газификации остатков жидкого компонента ракетного топлива и устройство для его реализации

Способ моделирования процесса газификации остатков жидкого компонента ракетного топлива и устройство для его реализации

Реферат

Изобретения относятся к ракетно-космической технике и могут быть использованы при проведении физического моделирования процессов газификации остатков жидких компонентов ракетного топлива (КРТ) в баках отделяющихся частей (ОЧ) ступени ракет-носителей (РН) с использованием экспериментальных модельных установок в земных условиях.

Известен способ моделирования процесса газификации, описанный на стр. 163-174 в кн. 1 «Снижение техногенного воздействия ракетных средств выведения на жидких токсичных компонентах ракетного топлива на окружающую среду» (Монография) / Под ред. В.И. Трушлякова. - Омск: Изд-во ОмГТУ, 2004. 220 с. Непосредственное использование этого способа, основанного на получении теплоносителя (ТН) путем термохимической реакции взаимодействия самовоспламеняющихся КРТ, которые, как правило, токсичны, требует дорогостоящего оборудования, специализированных стендов и аттестованного персонала для работы с взрывоопасными, токсичными КРТ.

Наиболее близким по технической сущности является способ по патенту РФ №2461890 G09B 23/00 «Способ моделирования процесса газификации остатков жидкого ракетного топлива в баках отделяющейся части ступени ракеты-носителя», который включает в себя введение в экспериментальную установку (ЭУ) газовой струи с заданными параметрами, обеспечение заданных условий взаимодействия в зоне контакта газовой струи с поверхностью жидкого газифицируемого КРТ, проведение измерений температуры, давления в различных точках бака, отличающийся тем, что моделирование осуществляют путем введения ТН в ЭУ с жидким КРТ, осуществляют выбор оптимальных параметров подаваемого ТН - температура, массовый секундный расход, угол входа в ЭУ относительно продольной оси ЭУ, давление внутри ЭУ из условия минимума критерия, например энергомассовые затраты, количество теплоты, поданной в ЭУ для газификации заданного количества жидкости, времени газификации заданного количества жидкости.

Использование этого технического решения связано со следующим недостатком: выбор оптимальных параметров подаваемого ТН - температура, массовый секундный расход, угол входа в ЭУ относительно продольной оси ЭУ, давление внутри ЭУ угла входа ТН в ЭУ осуществляется из условий минимума критериев, например энергомассовые затраты, количество теплоты, поданной в ЭУ для газификации заданного количества жидкости, времени газификации заданного количества жидкости, т.е. с заранее заданными параметрами на весь эксперимент.

При проведении исследовательских экспериментов, а не решения конкретной задачи, например, приведенных в прототипе, возникают другие задачи, например, обдув заданного участка стенки ЭУ для определения коэффициента ее теплоотдачи, управляемый обдув элементов конструкции ЭУ и исследуемых образцов внутрибаковых элементов, нагрев газа и конструкции в ЭУ в режиме подготовки к проведению эксперимента и т.д.

Предлагаемое техническое решение направленно на устранение указанного недостатка, что достигается за счет того, что в известный способ моделирования процесса газификации остатков жидкого КРТ в баках ОЧ ступени РН, включающий введение в ЭУ теплоносителя, обеспечение заданных условий взаимодействия в зоне контакта теплоносителя с поверхностью модельной жидкости, проведение измерений температуры, давления в различных точках экспериментальной установки, вводят дополнительное действие: в процессе эксперимента параметры ТН определяют из условий решения текущих задач, например, обеспечения заданных углов натекания ТН на стенки ЭУ и модельную жидкость, обдув заданного участка стенки ЭУ для определения коэффициента ее теплоотдачи, обдув элементов конструкции ЭУ и исследуемых образцов внутрибаковых элементов, нагрев газа и конструкции в ЭУ в режиме подготовки к проведению эксперимента и т.д.

В результате применения предлагаемого способа возникает возможность в процессе одного эксперимента за счет изменения параметров ввода ТН, например угла ввода ТН, увеличить информативность эксперимента.

Устройство для реализации способа

Известно устройство для моделирования процесса газификации, описанное на стр. 163-174 в кн. 1 «Снижение техногенного воздействия ракетных средств выведения на жидких токсичных компонентах ракетного топлива на окружающую среду» (Монография) / Под ред. В.И. Трушлякова. - Омск: Изд-во ОмГТУ, 2004. 220 с.

Устройство содержит ЭУ в виде модельного бака, который состоит из обечайки сферического днища, поддона с двумя вваренными стаканами, температурные датчики, заправочно-сливную арматуру, датчики давления, дренажный трубопровод, расходомер, весоизмерительное устройство, утилизатор, газоанализатор, основанный на использовании катализатора.

Непосредственное использование этого устройства практически затруднено, т.к. требует дорогостоящего оборудования, специализированных стендов и аттестованного персонала для работы с взрывоопасными и токсичными КРТ.

Наиболее близким по технической сущности является устройство по патенту РФ №2461890 G09B 23/00 «Устройство для реализации способа моделирования процесса газификации остатков жидкого ракетного топлива в баках отделяющейся части ступени РН», которое включает в свой состав ЭУ, выполненную в виде прямоугольного параллелепипеда, большие боковые стенки которого выполнены из прозрачного стекла, на основании ЭУ через тепловые изоляторы установлен съемный поддон с элементами силового набора, изготовленный из материала, аналогичного материалу бака топливного отсека ОЧ, три входных патрубка газового потока размещены на малой боковой стенке с углами ввода 0°, 30° и 45°, соответственно, относительно основания ЭУ и ориентированы на съемный поддон, выходной патрубок газифицированных продуктов расположен в верхней части противоположной стенки ЭУ.

Использование технического решения по прототипу имеет следующий недостаток: ЭУ имеет три входных патрубка газового потока с фиксированными углами ввода 0°, 30° и 45° соответственно относительно основания ЭУ и ориентированы на съемный поддон, т.е. изменение угла ввода ТН в ЭУ в ходе эксперимента не является возможным, соответственно, и реализация предлагаемого способа на данной ЭУ связана со значительными затратами.

Предлагаемое техническое решение направленно на устранение указанного недостатка, что достигается за счет того, что в устройство для моделирования процесса газификации остатков жидкого КРТ в баках ОЧ ступени РН, включающее в свой состав ЭУ, выполненную в виде прямоугольного параллелепипеда, большие боковые стенки которого выполнены из прозрачного стекла, на основании ЭУ через тепловые изоляторы установлен съемный поддон с элементами силового набора, изготовленный из материала, аналогичного материалу бака топливного отсека ОЧ, выходной патрубок газифицированных продуктов расположен в верхней части противоположной стенки ЭУ, вводят входной патрубок, выполненный в виде шаро-шарнирного соединения и размещенный на противоположной боковой стенке от выходного патрубка.

Реализация предлагаемого способа и устройства поясняется на фиг. 1, где: 1 - ЭУ, 2 - поддон, 3 - модельная жидкость (капля), 4 - патрубок со сферическим шарниром, 5 - привод для отклонения потока ТН, 6 - гайка монтажная, 7 - уплотнительное кольцо, 8 - профилированное прижимное кольцо, 9 - фланец, 10 - выходной патрубок, 11 - технологический патрубок.

Предложенный способ моделирования процессов газификации осуществляется следующим образом.

Непосредственно перед проведением эксперимента проводят предварительную подготовку, заключающуюся в следующем: выбирают ТН с определенными начальными параметрами, а именно температура, давление, расход, угол ввода и скорость на входе в ЭУ, которые определяются по программе проведения эксперимента. Выбирают жидкость, моделирующую реальный КРТ, руководствуясь теорией подобия. Подобие процессов тепло- и массобмена можно частично обеспечить, подбирая модельную жидкость, параметры ТН и характеристический размер; например, газифицируя воду можно с некоторой погрешностью смоделировать газификацию азотной кислоты, так как ее критериальные значения в той или иной степени схожи со значениями критериев воды. Количество модельной жидкости выбирают из условия минимума критерия, например: энергомассовые затраты, количество теплоты, поданной в ЭУ для газификации заданного количества жидкости, время газификации заданного количества жидкости.

В процессе эксперимента параметры ТН определяют из условий решения текущих задач, например, обеспечения заданных углов натекания ТН на стенки ЭУ и модельную жидкость, обдув заданного участка стенки ЭУ для определения коэффициента ее теплоотдачи, обдув элементов конструкции ЭУ и исследуемых образцов внутрибаковых элементов, нагрев газа и конструкции в ЭУ в режиме подготовки к проведению эксперимента и т.д.

В ЭУ 1 вводят струю ТН с заданными параметрами, определенными заранее.

Остатки газифицируемого КРТ размещают на поддоне 2. ТН достигает до патрубка со сферическим образованием 4 и попадает в ЭУ 1. ТН поступает к зеркалу жидкости (капле) 3, тем самым осуществляется процесс газификации. Газифицированные пары утилизируются через выходное отверстие 10. Для слива остатков жидкости предусмотрено технологическое отверстие 11.

Тепловую энергию, находящуюся в газифицированных продуктах, после выхода их из ЭУ, утилизируют посредством теплообменника, для снижения затрат на подготовку ТН. Для этого определяют состав газифицированных продуктов, выходящих из ЭУ, и при достижении предельно допустимой концентрации токсичных веществ их обезвреживают, например, в факеле или катализаторе. Состав газифицированных продуктов определяют расчетным, а также на основе измерения химического состава.

Конструкция шаро-шарнирное соединение представляет собой патрубок со сферическим шарниром 4, который размешается в специальном фланце 9 и фиксируется с помощью профилированного прижимного кольца 8, выполненного из твердых полимеров, и гайки 6. Для обеспечения герметичности соединения в конструкции приспособления применяются два уплотнительных кольца 7, выполненных из полиуретана.

Шаро-шарнирное соединение дает возможность изменять угол ввода ТН в ЭУ в ходе проведения эксперимента, с помощью привода 5.

Использование предлагаемого устройства позволяет существенно расширить границы предлагаемого способа газификации остатков топлива в баках, например, на исследование технологии сушки топливных баков в процессе их изготовления после ряда технологических процессов, предусматривающих заполнение бака технологической жидкостью (для тарировки объема бака по различным уровням заполнения, мытья от технологических загрязнений).

1. Способ моделирования процесса газификации остатков жидкого компонента ракетного топлива в баках отделяющейся части ракеты-носителя, включающий введение в экспериментальную установку (ЭУ) теплоносителя, обеспечение заданных условий взаимодействия в зоне контакта теплоносителя с поверхностью модельной жидкости, проведение измерений температуры, давления в различных точках экспериментальной установки, отличающийся тем, что в процессе моделирования угол ввода теплоносителя определяют из требований обеспечения заданных углов натекания теплоносителя на стенки ЭУ и модельную жидкость относительно основания ЭУ в ходе проведения эксперимента.

2. Устройство для реализации способа по п. 1, включающее в свой состав ЭУ в виде прямоугольного параллелепипеда, большие боковые стенки которого выполнены из прозрачного стекла, на основании ЭУ через тепловые изоляторы установлен съемный поддон с элементами силового набора, изготовленный из материала, аналогичного материалу бака топливного отсека отделяющейся части ракеты-носителя, выходной патрубок газифицированных продуктов расположен в верхней части противоположной стенки ЭУ, отличающееся тем, что входной патрубок выполнен в виде шаро-шарнирного соединения и размещен на противоположной боковой стенке от выходного патрубка.