Способ моделирования процесса газификации остатков жидкого компонента ракетного топлива в баках отработавшей ступени ракеты-носителя и устройство для его реализации

Способ моделирования процесса газификации остатков жидкого компонента ракетного топлива в баках отработавшей ступени ракеты-носителя и устройство для его реализации

Реферат

Изобретение относится к ракетно-космической технике и может быть использовано при проведении физического моделирования процессов газификации остатков жидкого топлива в баках отработавшей ступени (ОС) ракеты-носителя (РН) на основе подачи горячих газов (теплоносителя) в топливный бак после выключения маршевого двигателя, в условиях малой гравитации после выполнения РН своей миссии.

Результатом процесса газификации остатков топлива в баке, после выключения маршевого двигателя, является появление парогазовой смеси (ПГС), содержащей газ наддува, например гелий, + испарившийся компонент жидкого ракетного топлива + теплоноситель (ТН).

Известен способ моделирования процесса газификации и устройство, его реализующее, которые описаны на стр. 163-174 в кн. «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. Однако этот способ преимущественно ориентирован на работу с высококипящими и токсичными компонентами топлива типа несимметричный диметилгидразин, азотная кислота, азотный тетраксид.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому решению является «Способ моделирования процесса газификации остатков жидкого компонента ракетного топлива в условиях пониженного давления и устройство для его реализации» (патент РФ №2493414, МПК F02K 9/96, опубл. 20.09.2013), основанный на введении в экспериментальную модельную установку (ЭМУ) теплоносителя (ТН), обеспечении условий взаимодействия в зоне контакта ТН с поверхностью жидкого компонента ракетного топлива, проведении измерений температуры, давления в различных точках ЭМУ, перед подачей ТН осуществляют понижение давления в ЭМУ до 0,01 МПа через дренажный электропневмоклапан (ДЭПК), а в качестве газа наддува используют гелий с параметрами избыточного давления до 0,3 МПа со сбросом до 0,01 МПа абсолютного, в качестве ТН используют азот, массовый секундный расход которого равен производительности вакуумного насоса, а процентное содержание газифицированных продуктов определяют исключением из показаний газоанализатора состава ТН и газа наддува.

К недостаткам способа по прототипу относятся трудности его адаптации при проведении исследований процесса газификации компонентов топлива, в частности, такой важнейшей его составляющей, как конденсация паров в дренажных магистралях и дренажных клапанах при сбросе продуктов газификации. Появление конденсата в дренажной магистрали в ряде случаев сопровождается кристаллизацией и «забиванием» магистрали, что приводит к аварийной ситуации. Процесс конвективной газификации остатков топлива (подача горячих газов) происходит на этапе полета ОС РН после выполнения своей миссии для обеспечения извлечения невыработанных остатков топлива с целью предотвращения взрыва ОС после выключения маршевого двигателя путем подачи ТН в топливные баки.

Дальнейшая утилизации ПГС осуществляется, например, путем отработки импульсов маневра спуска ОС и т.д. (см. пат. РФ №2518918 РФ, МПК F02K 9/42, B64G 1/26. «Способ увода отделившейся части ступени ракеты-носителя с орбиты полезной нагрузки и устройство для его реализации»).

Техническим результатом предлагаемого технического решения является обеспечение возможности моделирования процесса газификации, в частности появление конденсата и его кристаллизации при конвективном процессе подачи ТН в бак с остатками топлива (подача ТН в баки после выключения маршевого двигателя РН).

Указанный технический результат достигается за счет того, что в способе моделирования процесса газификации остатков жидкого компонента ракетного топлива в баке ОС РН, основанном на введении в ЭМУ ТН, обеспечении условий взаимодействия в зоне контакта ТН с поверхностью жидкого газифицируемого компонента ракетного топлива, проведении измерений температуры, давления в различных точках ЭМУ, сбросе ПГС в вакуумную камеру через дренажную магистраль и дренажный ЭПК, дополнительно вводят следующие действия:

а) осуществляют подвод ТН и газа наддува в ЭМУ до обеспечения заданных параметров парциального давления паров жидкости, соответствующего заданной секундной массе испарения жидкости при заданном начальном давлении наддува, а суммарное давление соответствует началу сброса ПГС в вакуумную камеру,

б) осуществляют сброс ПГС из ЭМУ через ДМ и ДЭПК в вакуумную камеру на различных интервалах времени, соответствующих различным интервалам длительности работы сопел газореактивной системы ориентации и стабилизации ОС,

г) определяют области параметров ТН, температуры ДМ, ДЭПК, длительности интервалов времени сброса ПГС, при которых появляется конденсат на внутренней поверхности дренажной магистрали, ДЭПК и его кристаллизация,

д) осуществляют дополнительный подвод теплоты к ДМ, ДЭПК, минимальную величину, которой определяют из условия предотвращения кристаллизации паров жидкости в ДМ и ДЭПК.

В качестве прототипа устройства для реализации способа предлагается устройство по патенту РФ №2493414, МПК F02K 9/96, включающее в свой состав экспериментальную установку в виде модельного бака, содержащего поддон для жидкого компонента ракетного топлива, датчики температуры, давления, входной и выходной патрубки, вакуумную камеру для создания пониженного абсолютного давления до 0,01 МПа с управляемым ЭПК и газоанализатор для определения процентного содержания газифицированных компонентов ракетного топлива.

Недостатком этого устройства для реализации предлагаемого способа для кондуктивного подвода тепла являются:

- отсутствие регистрирующей аппаратуры появления конденсата и его кристаллизации;

- отсутствие системы подвода тепла к ДМ и ДЭПК.

Цель предлагаемого устройства заключается в обеспечении реализации возможности моделирования процесса появления конденсата и его кристаллизации в ДМ и ДЭПК.

Технический результат устройства достигается тем, что в устройство для моделирования процесса газификации остатков жидкого КРТ в баках ОС РН, включающее в свой состав ЭМУ, содержащую поддон для жидкости, датчики температуры, давления, входной патрубок, дренажную магистраль, дренажный ЭПК, вакуумную камеру, газоанализатор для определения процентного содержания ПГС, дополнительно введена:

а) аппаратура регистрации появления конденсата и его кристаллизации;

б) электрический нагреватель ДМ и ДЭПК;

в) настройка ДЭПК (давление срабатывания) и конструктивные параметры ДМ (диаметр, длина) в ЭМУ, определяющиеся из условия подобия динамического процесса сброса ПГС в реальной конструкции ОС,

г) ЭМУ и ДМ, ДЭПК выполнены из материала, соответствующего реальной конструкции исследуемого топливного бака ракеты-носителя.

Под условием динамического подобия предполагается равенство отношений действующих сил на одноименные элементы конструкции ЭМУ и ОС, отнесенных к единице объема. Тем самым соблюдается геометрическое и динамическое подобие, при равенстве следующих безразмерных величин: чисел Рейнольдса, Фруда, Эйлера, Грасгофа и Кутателадзе (см., например, стр. 79-83 в кн. 2 «Прикладная газовая динамика» (в 2 ч. Ч.1: Учеб. руководство) Г.Н. Абрамович, М.: Наука, 1991. 600 с.).

В качестве системы регистрации появления конденсата и факта его замерзания может использоваться система на основе измерения влажности, температуры и парциального давления паров жидкости в составе ПГС, определения процентного содержания газифицированных КРТ, а также результаты скоростной видеосъемки.

В качестве нагревателя дренажной магистрали используется, например, электрический спиральный источник тепла.

Сущность предлагаемого способа и устройства для его реализации поясняется чертежом, где на фиг. 1 изображена пневматическая схема ЭМУ для исследования процесса конденсации и кристаллизации ПГС.

ЭМУ 1 с залитой модельной жидкостью 2, соединена через гермоввод 3 с системой подачи газа наддува гелия 4, системой подачи теплоносителя 5 и через ДМ 6, с нагревателем 7, ДЭПК 8 с вакуумной камерой 9 и вакуумным насосом 10. Параметры газа наддува контролируются датчиками давления и температуры 11.

С помощью систем подачи газа наддува 4, ТН 5, в ЭМУ 1 создаются модельные условия для газификации жидкости 2 (температура ТН, массовый секундный расход ТН, химический состав ТН, давление газа наддува), т.е. обеспечение заданных параметров парциального давления паров жидкости, соответствующего заданной секундной массе испарения жидкости и для последующего сброса ПГС. Параметры ТН контролируются датчиками давления и температуры 12. Массовый секундный расход при подаче ТН регистрируется расходомером 13.

С помощью вакуумного насоса 10 создают давление Р_вк диапазоне (1,0-0,01) атм, контролируемое датчиками 14. Величина исходного давления Р_вк варьируется в соответствии с программой экспериментов.

4. С помощью ДЭПК 8, установленного на ЭМУ 1, осуществляют сброс ПГС из ЭМУ 1 в вакуумную камеру 9 с различными интервалами длительности времени Δt_i, соответствующими различным интервалам длительности работы сопел газореактивной системы ориентации и стабилизации ОС.

Параметры ПГС в ЭМУ 1 контролируются датчиками давления и температуры 15, в дренажной магистрали 6 - датчиками давления и температуры 16. Регистрация появления конденсата 17 в ДМ 6, ДЭПК 8 регистрируется устройством 18 (видео- и фотокамерой). Процентный состав паров жидкости в ПГС контролируется с помощью газоанализатора 19.

5. С помощью нагревателя 7 исследуется влияние температуры ДМ, ДЭПК на появление конденсата 17 и его концентрации внутри ДМ, ДЭПК.

Сбросом газа надува из ЭМУ 1 в вакуумную камеру 9 моделируется процесс сброса ПГС из баков ОС в окружающее космическое пространство. Происходящее резкое увеличение скорости испарения жидкости 2, соответственно, увеличивает область параметров, при которых происходит процесс образования конденсата, и массовую скорость его образования, с последующей возможностью его кристаллизации в ДМ, ДЭПК.

Эффект предлагаемого способа и устройства для его осуществления заключается в возможности проведения процесса моделирования замерзания ДМ, ДЭПК, происходящих на ОС ракет-носителей при их нахождении на орбитах после выполнения своей миссии, с целью разработки технологических, схемных и проектно-конструкторских решений для предотвращения аварийных ситуаций (взрывов), например, статья Трушляков В.И., Жариков К.И. Оценка возможности разрушения топливных баков орбитальной отработанной ступени ракеты-носителя с маршевым ЖРД // Тепловые процессы в технике. 2016. Т. 8. N 6. С. 278-287.

1. Способ моделирования процесса газификации остатков жидкого компонента ракетного топлива в баках отработавшей ступени (ОС) ракеты-носителя, основанный на введении в экспериментальную модельную установку (ЭМУ) теплоносителя (ТН), обеспечении условий взаимодействия в зоне контакта ТН с поверхностью жидкого газифицируемого компонента ракетного топлива, проведении измерений температуры, давления в различных точках ЭМУ, сброс парогазовой смеси (ПГС) в вакуумную камеру через дренажную магистраль (ДМ) и дренажный электропневмоклапан (ДЭПК), отличающийся тем, что осуществляют подачу в ЭМУ теплоносителя и газа наддува до обеспечения заданных параметров парциального давления паров жидкости, соответствующего заданной секундной массе испарения жидкости при заданном начальном давлении наддува, а суммарное давление соответствует началу сброса ПГС в вакуумную камеру, осуществляют сброс ПГС из ЭМУ через ДМ и ДЭПК в вакуумную камеру на различных интервалах времени, соответствующих различным интервалам длительности работы сопел газореактивной системы ориентации и стабилизации ОС, и определяют области параметров ТН, температуры ДМ, ДЭПК, длительности интервалов времени сброса ПГС, при которых появляется конденсат на внутренней поверхности ДМ, ДЭПК и его кристаллизация, осуществляют дополнительный подвод теплоты к ДМ, ДЭПК, минимальную величину которой определяют из условия предотвращения кристаллизации паров жидкости в ДМ и ДЭПК.

2. Устройство для реализации способа моделирования процесса газификации остатков жидкого компонента ракетного топлива в баках отработавшей ступени (ОС) ракеты-носителя, включающее в свой состав ЭМУ, содержащую поддон для жидкости, датчики температуры, давления, входной патрубок, ДМ, ДЭПК, вакуумную камеру, газоанализатор для определения процентного содержания ПГС, отличающееся тем, что дополнительно установлена аппаратура регистрации появления конденсата и его кристаллизации, электрический нагреватель ДМ и ДЭПК, давление срабатывания ДЭПК и конструктивные параметры ДМ, такие как диаметр, длина в ЭМУ, определяются из условия подобия динамического процесса сброса ПГС в реальной конструкции ОС, кроме того, ЭМУ, ДМ и ДЭПК выполнены из материала, соответствующего реальной конструкции исследуемого топливного бака ракеты-носителя.