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

Изобретение относится к ракетно-космической технике. Способ и устройство 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), осуществлении подачи 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, осуществлении сброса 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 определении области параметров ТН, температуры ДМ, ДЭПК, длительности интервалов времени сброса ПГС, при которых появляется конденсат на внутренней поверхности ДМ, ДЭПК и его кристаллизация, осуществлении дополнительного подвода теплоты к ДМ, ДЭПК, минимальную величину которой определяют из условия предотвращения кристаллизации паров жидкости в ДМ и ДЭПК. Устройство для реализации способа включает в свой состав ЭМУ, ДМ, ДЭПК, вакуумную камеру, газоанализатор, аппаратуру регистрации появления конденсата и его кристаллизации, электрический нагреватель ДМ и ЭДПК, кроме того, ЭМУ, ДМ и ДЭПК выполнены из материала, соответствующего реальной конструкции исследуемого топливного бака ракеты-носителя. Изобретение обеспечивает возможность моделирования процесса газификации, появления конденсата и его кристаллизации при конвективном процессе подачи ТН в бак с остатками топлива. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

 

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 Рвк диапазоне (1,0-0,01) атм, контролируемое датчиками 14. Величина исходного давления Рвк 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 Δti, 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.



 

Похожие патенты:

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.

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

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.

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 ракетно-космической технике. Способ и устройство моделирования процесса газификации остатков жидкого компонента ракетного топлива в баках отработавшей ступени ракеты-носителя, основанный на введении в экспериментальную модельную установку теплоносителя, 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 в вакуумную камеру через дренажную магистраль и дренажный электропневмоклапан, осуществлении подачи 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, осуществлении сброса 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 определении области параметров ТН, температуры ДМ, ДЭПК, длительности интервалов времени сброса ПГС, при которых появляется конденсат на внутренней поверхности ДМ, ДЭПК и его кристаллизация, осуществлении дополнительного подвода теплоты к ДМ, ДЭПК, минимальную величину которой определяют из условия предотвращения кристаллизации паров жидкости в ДМ и ДЭПК. Устройство для реализации способа включает в свой состав ЭМУ, ДМ, ДЭПК, вакуумную камеру, газоанализатор, аппаратуру регистрации появления конденсата и его кристаллизации, электрический нагреватель ДМ и ЭДПК, кроме того, ЭМУ, ДМ и ДЭПК выполнены из материала, соответствующего реальной конструкции исследуемого топливного бака ракеты-носителя. Изобретение обеспечивает возможность моделирования процесса газификации, появления конденсата и его кристаллизации при конвективном процессе подачи ТН в бак с остатками топлива. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

Наверх