Способ моделирования процесса газификации жидкого ракетного топлива в баке ракеты-носителя и устройство для его реализации

Изобретение относится к ракетно-космической технике. Способ моделирования процесса газификации жидкого компонента ракетного топлива в баке ступени ракеты-носителя, основанный на подводе в экспериментальную модельную установку (ЭМУ) теплоты, проведении измерений температуры, давления в различных точках ЭМУ, сбросе парогазовой смеси (ПГС) через дренажную магистраль (ДМ), при этом осуществляют подвод газа наддува и кондуктивный подвод теплоты в ЭМУ, количество которых определяют из условия равенства парциальных давлений газа наддува и паров жидкости в ЭМУ и топливном баке, а суммарное давление соответствует началу сброса ПГС в ДМ, диаметр ДМ определяют из условия сброса заданного избытка давления за такое же время, как и в реальном баке, при этом давление срабатывания дренажного клапана выбирают предварительно из заданного интервала, нижняя граница которого - минимальное давление наддува в баке, а верхняя - максимальное давление, при котором сохраняется прочность конструкции ЭМУ, осуществляют определение области параметров процесса газификации, при которых появляется конденсат на внутренней поверхности ДМ и кристаллизация, осуществляют дополнительный подвод тепла к ДМ для предотвращения ее замерзания. Рассмотрено устройство для реализации способа, включающее в свой состав ЭМУ в виде модельного бака, содержащего поддон для жидкости, датчики температуры, давления, входной патрубок, ДМ, дренажный клапан, газоанализатор, при этом дополнительно в ЭМУ введены нагревательные элементы для жидкости и ДМ, в ДМ установлена аппаратура регистрации конденсата и его кристаллизации, а ЭМУ и ДМ выполнены из материала, аналогичного материалу исследуемого топливного бака ракеты-носителя. Изобретение обеспечивает выявление условий появления конденсата в дренажной магистрали с последующей кристаллизацией при заправке ракеты-носителя криогенными компонентами топлива или стоянки в заправленном состоянии на старте при тепловом нагружении топливного бака от окружающей среды. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к ракетно-космической технике и может быть использовано при проведении физического моделирования процессов газификации ракетного топлива, в частности процесса образования конденсата и его кристаллизации в дренажной магистрали при дренаже парогазовых смесей (ПГС) из топливного бака во время заправки ракеты-носителя (РН) криогенными компонентами топлива на стартовом комплексе или стоянке РН в заправленном состоянии.

В состав ПГС входят газ наддува, например гелий, и испарившийся компонент жидкого ракетного топлива, например кислород, водород, сжиженный природный газ.

Известен способ моделирования процесса газификации и устройство, его реализующее, которые описаны 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.).

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. 27.05.2013), основанный на введении в экспериментальную установку 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 электропневмоклапан (ЭПК), 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-прототипа относятся трудности адаптации при проведении исследований процесса конденсации паров компонента топлива в дренажной магистрали при сбросе ПГС. На этапе заправки топливного бака РН криогенным компонентом топлива или стоянки в заправленном состоянии за счет кондуктивного подвода тепла к топливному баку происходит появление ПГС в баке и, соответственно, наличие конденсата в дренажной магистрали, что, как правило, приводит к кристаллизации конденсата и, как следствие этого, к аварийной ситуации.

Техническим результатом предлагаемого технического решения является обеспечение возможности моделирования процесса газификации (где конденсация паров компонента топлива является элементом процесса газификации) и выявление условий появления конденсата в дренажной магистрали с последующей кристаллизацией при заправке РН криогенными компонентами топлива или стоянки РН в заправленном состоянии на старте при тепловом нагружении топливного бака от окружающей среды.

Указанный технический результат достигается за счет того, что в способе моделирования процесса газификации жидкого компонента ракетного топлива в баке ступени РН, основанном на подводе теплоты в ЭМУ, проведении измерений температуры, давления в различных точках ЭМУ, сбросе парогазовой смеси (ПГС) через дренажную магистраль, измерении влажности, дополнительно вводят следующие действия:

а) осуществляют подвод газа наддува и кондуктивный подвод теплоты в ЭМУ, количество которых определяют из условия равенства парциальных давлений газа наддува и паров жидкости в ЭМУ и топливном баке РН, а суммарное давление соответствует началу сброса ПГС в дренажную магистраль;

б) настройку дренажного ЭПК (давление срабатывания) выбирают предварительно из заданного интервала, нижняя граница которого - минимальное давление наддува в баке, а верхняя - максимальное давление, при котором сохраняется прочность конструкции ЭМУ;

в) осуществляют определение области параметров (количества подведенной теплоты, диаметра дренажной магистрали, давления открытия ЭПК), при которых появляется конденсация паров жидкости на внутренней поверхности дренажной магистрали и их кристаллизация;

г) осуществляют дополнительный подвод тепла к дренажной магистрали, например, от дополнительного источника тепла, для предотвращения замерзания дренажной магистрали.

В качестве источника подвода тепла в ЭМУ к жидкости, дренажному трубопроводу используются электрические нагреватели.

В качестве прототипа устройства для реализации способа моделирования процесса газификации при заправке РН криогенными компонентами и ее стоянке на стартовом комплексе 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.

Недостатками этого устройства для реализации предлагаемого способа являются:

- избыточность устройства - наличие вакуумной камеры;

- отсутствие системы подвода тепла к жидкости, к дренажной магистрали;

- отсутствие регистрирующей аппаратуры появления конденсата, его замерзания.

Техническим результатом предлагаемого устройства является обеспечение реализации способа моделирования процесса газификации (появление конденсата и его кристаллизации) для случая заправки РН криогенными компонентами топлива или стоянки на старте.

Технический результат устройства достигается тем, что в устройство для моделирования процесса газификации жидкого компонента топлива в баках ступени РН, включающее в свой состав ЭМУ, содержащего поддон для жидкости, датчики температуры, давления, входной патрубок, дренажную магистраль, дренажный ЭПК, газоанализатор для определения процентного содержания ПГС, дополнительно введены:

а) нагревательные элементы для жидкости и дренажной магистрали;

б) в дренажной магистрали установлена аппаратура регистрации обнаружения конденсата и его кристаллизации;

в) конструкция ЭМУ и дренажной магистрали выполнены из материала, аналогичного материалу исследуемого топливного бака РН;

г) диаметр дренажной магистрали в ЭМУ определяют из условия сброса избытка давления за такое же время, как и в реальном баке.

В качестве системы регистрации появления конденсата и факта его кристаллизации (замерзания) может использоваться система на основе расчета характеристики фазового состояния ПГС (см., например, стр. 67-69 в кн. 2 «Термодинамические расчеты парогазовых смесей», Г.А. Михайловский, М.-Л.: Машгиз, 1962. 184 с.) на основе измеренных величин: влажности, температуры и парциального давления паров жидкости в составе ПГС, определения процентного содержания паров жидкости, а также подтверждения видеосъемкой.

Сущность технического решения поясняется чертежом, где изображена пневматическая схема ЭМУ для исследования процесса газификации (сброса парогазовой смеси и образования конденсата, его кристаллизации).

ЭМУ 1 с залитой модельной жидкостью 2 и электрическим нагревателем 3, моделирующим подвод кондуктивного тепла, соединена через гермоввод 4 с системой подачи газа наддува гелия 5 и через дренажную магистраль 6, дренажный ЭПК 7 с системой сброса и утилизации. Параметры газа наддува контролируются датчиками давления и температуры 8.

С помощью давления газа наддува 5 создают давление наддува газа гелия в ЭМУ 1 и нагревают жидкость 2 с помощью нагревателя 3 до образования заданного значения парциального давления жидкости. Нагрев жидкости 2 контролируется датчиком температуры 9.

Сброс ПГС (пары жидкости, газ наддува гелий) осуществляется через дренажную магистраль 6, ЭПК 7. Параметры ПГС в ЭМУ 1 контролируются датчиками давления и температуры 10, в дренажной магистрали 6 - датчиками давления и температуры 11. Регистрация появления конденсата 12 в дренажной магистрали 6 регистрируется устройством 13 (видео- и фотокамерой). Массовый секундный расход при сбросе ПГС регистрируется расходомером 14. Процентный состав паров жидкости в ПГС контролируется с помощью газоанализатора 15.

Для предотвращения замерзания конденсата 12 осуществляется подвод тепла к дренажной магистрали 6 от дополнительного источника тепла 16.

Определяют области параметров:

- жидкости (температура);

- ПГС (температура, парциальное давление смеси, состав);

- температуры стенок ЭМУ, дренажной магистрали и дренажного клапана;

- массовый секундный расход сброса ПГС, в том числе паров жидкости,

при котором начинается конденсация паров жидкости на внутренней поверхности дренажной магистрали, их кристаллизация (замерзание) в процессе сброса ПГС из ЭМУ.

После определения области параметров, при которых осуществляется появление конденсата и его кристаллизация (замерзания), определяют количество теплоты, которое нужно подать к дренажной магистрали для предотвращения ее замерзания, проводят эксперименты для подтверждения возможности предотвращения замерзания дренажной магистрали.

Как правило, исследуется процесс замерзания дренажной магистрали бака с кислородом, водородом. Использование этих компонентов топлива при моделировании в условиях вуза затруднено, поэтому в качестве модельных жидкости используется вода.

Эффект предлагаемого способа и устройства для его осуществления заключается в возможности получения значительного объема новых экспериментальных данных для исследования механизмов конденсации и кристаллизации, которые в дальнейшем будут использованы при разработке методики проектирования элементов пневмогидросистем топливных отсеков перспективных РН и при модернизации существующих.

1. Способ моделирования процесса газификации жидкого компонента ракетного топлива в баке ступени ракеты-носителя, основанный на подводе в экспериментальную модельную установку (ЭМУ) теплоты, проведении измерений температуры, давления в различных точках ЭМУ, сбросе парогазовой смеси (ПГС) через дренажную магистраль (ДМ), отличающийся тем, что осуществляют подвод газа наддува и кондуктивный подвод теплоты в ЭМУ, количество которых определяют из условия равенства парциальных давлений газа наддува и паров жидкости в ЭМУ и топливном баке, а суммарное давление соответствует началу сброса ПГС в ДМ, диаметр ДМ определяют из условия сброса заданного избытка давления за такое же время, как и в реальном баке, при этом давление срабатывания дренажного клапана выбирают предварительно из заданного интервала, нижняя граница которого - минимальное давление наддува в баке, а верхняя - максимальное давление, при котором сохраняется прочность конструкции ЭМУ, осуществляют определение области параметров процесса газификации, при которых появляется конденсат на внутренней поверхности ДМ и кристаллизация, осуществляют дополнительный подвод тепла к ДМ для предотвращения ее замерзания.

2. Устройство для реализации способа по п. 1, включающее в свой состав ЭМУ в виде модельного бака, содержащего поддон для жидкости, датчики температуры, давления, входной патрубок, ДМ, дренажный клапан, газоанализатор, отличающееся тем, что дополнительно в ЭМУ введены нагревательные элементы для жидкости и ДМ, в ДМ установлена аппаратура регистрации конденсата и его кристаллизации, а ЭМУ и ДМ выполнены из материала, аналогичного материалу исследуемого топливного бака ракеты-носителя.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к ракетно-космической технике. Способ моделирования процесса тепло- и массообмена элемента конструкции летательного аппарата (ЭКЛА) с окружающей средой в условиях снижения абсолютного давления основан на введении в экспериментальную модельную установку (ЭМУ) потока газа, обеспечении условий взаимодействия потока газа в зоне контакта с ЭКЛА, измерении температуры, давления, скорости.

Изобретение относится к области энергомашиностроения и предназначено для осуществления испытаний энергоустановок с последующим проведением контроля параметров и состава продуктов сгорания.

Изобретение относится к измерительной технике: устройству приборов, предназначенных для определения скорости горения твердых топлив, используемых в аккумуляторах давления нефтеносных скважин, ствольных системах различного назначения, работающих при высоких давлениях.

При экспериментальном определении поправки к суммарному импульсу тяги двигателя при стендовых огневых испытаниях, включающих регистрацию диаграммы тяги датчиком силы, определяют силу сопротивления перемещению подвижных опор стенда с закрепленным на них двигателем путем приложения силовых нагрузок.

Изобретение относится к области ракетной техники, а именно к стендовому оборудованию, применяемому при огневых стендовых испытаниях ракетных двигателей на твердом топливе, и предназначено для гашения РДТТ при наземной отработке, в том числе высотных РДТТ.

Изобретение относится к ракетной технике, а именно к стендовому оборудованию, применяемому при огневых стендовых испытаниях ракетных двигателей твердого топлива с имитацией высотных условий.

Изобретение относится к радиотехническому испытательному оборудованию, предназначенному для проведения стендовых испытаний ракетных двигателей космических аппаратов, в частности для измерения электромагнитного излучения.

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано при испытании жидкостных ракетных двигателей (ЖРД) и других энергетических установок. Стенд для испытаний энергетических установок содержит систему подачи компонентов топлива с агрегатами управления и систему подачи технологического газа, при этом на выходе энергетической установки установлен трубопровод, связанный с газгольдером, газгольдер соединен с компрессором, который в свою очередь соединен с системой баллонов высокого давления, газгольдер установлен на подвижной платформе, полость наддува газом расходной емкости с компонентом топлива соединена со входом компрессора, а выход компрессора соединен со входом газа в систему баллонов высокого давления.

Изобретение относится к ракетной технике, а именно к ракетным двигателям твердого топлива, и, в частности, может найти применение при испытаниях скрепленных с корпусом крупногабаритных зарядов в ракетных системах различного назначения, преимущественно эксплуатирующихся на подвижных носителях автомобильного или железнодорожного типа.

Изобретение относится к ракетной технике, а именно к способам определения характеристик новых композиций твердого ракетного топлива, в частности для прямоточных воздушно-реактивных двигателей.

Изобретение относится к ракетной технике, а именно к стендовому оборудованию, применяемому при огневых стендовых испытаниях ракетных двигателей с имитацией высотных условий. Стенд для высотных испытаний ракетных двигателей содержит барокамеру и выхлопной диффузор с выходной секцией, включающей две торцевые, внешнюю и внутреннюю стенки, образующие кольцевое пространство рубашечной системы охлаждения. По периметру задней торцевой стенки выходной секции выхлопного диффузора равномерно расположены отверстия или форсунки, обеспечивающие выход рабочей жидкости из рубашечной системы охлаждения за срез выхлопного диффузора. Изобретение позволяет повысить эффективность охлаждения стенок выходной секции диффузора за счет формирования равномерного течения рабочей жидкости вдоль горячей стенки рубашечной системы охлаждения, а также позволяет обеспечить орошение струи продуктов сгорания ракетного двигателя за срезом выхлопного диффузора. 2 з.п. ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к области ракетной техники, а именно к стендовому оборудованию, применяемому при огневых стендовых испытаниях ракетных двигателей твердого топлива (РДТТ), и предназначено для гашения РДТТ при наземной отработке, в том числе удлиненных РДТТ сложной конфигурации корпуса. Установка для гашения ракетного двигателя твердого топлива при испытаниях содержит полую штангу с форсункой, связанную с системой подачи охлаждающей жидкости телескопически сочлененными между собой полыми поршнями с коллекторами, форсунками и выполненными у днищ поршней радиальными каналами. На полом поршне, расположенном в выдвинутом положении за соплом ракетного двигателя твердого топлива, соосно закреплена крыльчатка, а сочленение этого полого поршня со смежным полым поршнем, расположенным ближе к системе подачи охлаждающей жидкости, выполнено с зазором с возможностью вращения под действием возникающего на крыльчатке осевого момента вращения при ее обтекании паром охлаждающей жидкости в процессе гашения. Изобретение позволяет обеспечить эффективное гашение РДТТ и получение достоверной информации о состоянии материальной части, в том числе удлиненных РДТТ сложной конфигурации корпуса. 5 ил.

Изобретение относится к ракетно-космической технике. Способ моделирования процесса газификации жидкого компонента ракетного топлива в баке ступени ракеты-носителя, основанный на подводе в экспериментальную модельную установку теплоты, проведении измерений температуры, давления в различных точках ЭМУ, сбросе парогазовой смеси через дренажную магистраль, при этом осуществляют подвод газа наддува и кондуктивный подвод теплоты в ЭМУ, количество которых определяют из условия равенства парциальных давлений газа наддува и паров жидкости в ЭМУ и топливном баке, а суммарное давление соответствует началу сброса ПГС в ДМ, диаметр ДМ определяют из условия сброса заданного избытка давления за такое же время, как и в реальном баке, при этом давление срабатывания дренажного клапана выбирают предварительно из заданного интервала, нижняя граница которого - минимальное давление наддува в баке, а верхняя - максимальное давление, при котором сохраняется прочность конструкции ЭМУ, осуществляют определение области параметров процесса газификации, при которых появляется конденсат на внутренней поверхности ДМ и кристаллизация, осуществляют дополнительный подвод тепла к ДМ для предотвращения ее замерзания. Рассмотрено устройство для реализации способа, включающее в свой состав ЭМУ в виде модельного бака, содержащего поддон для жидкости, датчики температуры, давления, входной патрубок, ДМ, дренажный клапан, газоанализатор, при этом дополнительно в ЭМУ введены нагревательные элементы для жидкости и ДМ, в ДМ установлена аппаратура регистрации конденсата и его кристаллизации, а ЭМУ и ДМ выполнены из материала, аналогичного материалу исследуемого топливного бака ракеты-носителя. Изобретение обеспечивает выявление условий появления конденсата в дренажной магистрали с последующей кристаллизацией при заправке ракеты-носителя криогенными компонентами топлива или стоянки в заправленном состоянии на старте при тепловом нагружении топливного бака от окружающей среды. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

Наверх