Рф федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Омский государственный технический университет»
Скачать 1.34 Mb.
|
| ГЛАВА 1. ПРАКТИЧЕСКИЕ ПРИЛОЖЕНИЯ КОНЦЕПЦИИ ГАЗИФИКАЦИИ НЕВЫРАБАТЫВАЕМЫХ ОСТАТКОВ ТОПЛИВА ДЛЯ РЕАЛИЗАЦИИ МАНЁВРА СТУПЕНИ 1.1 Фундаментальные вопросы испарения жидкости по материалам обзора литературных источников Разработка АБСС связана с проведением как фундаментальных, так и прикладных исследований. Каждый этап исследований имеет свои особенности, методы исследования и научную терминологию. Используемый термин «газификация» ранее принятый авторами [7] при разработке автономных бортовых систем спуска (АБСС) ступеней РКН принадлежит области прикладных исследований, а при фундаментальных исследованиях процесса этот термин соответствует термину фазового перехода, в частности, испарения, т.к. известны фундаментальные исследования фазовых переходов веществ первого и второго рода, а фундаментальных исследований процессов газификации нет. В рассматриваемом случае имеет место фазовый переход 1-го рода (испарение, конденсация). Учитывая тот факт, что одну из основных проблем при разработке АБСС [8] составляет проблема обеспечения эффективного фазового перехода керосина из жидкого состояния в газообразное в условиях неопределенности фазового положения, невесомости, ступенчатого сброса давления, поэтому более подробно остановимся на основных фундаментальных понятиях фазовых переходах. В американской, западноевропейской научной литературе по разработке безгенераторных ЖРД используется термин «цикл фазового перехода» для обозначения этапа испарения (газификации) жидкости (жидкого водорода) в рубашке охлаждения сопла камеры ЖРД. Разумеется, фазовый переход может происходить и при изменении давления, и при постоянных температуре и давлении, но и при изменении концентрации компонентов, в рассматриваемом случае поступление в топливный бак теплоносителя в виде горячего газа. При фазовом переходе 1-го рода скачкообразно изменяются самые главные, первичные экстенсивные параметры: удельный объём, количество запасённой внутренней энергии, концентрация компонентов и т. п. Подчеркнём: имеется в виду скачкообразное изменение этих величин при изменении температуры, давления и т. п., а не скачкообразное изменение во времени Наиболее распространённые примеры фазовых переходов первого рода: - плавление и кристаллизация; - испарение и конденсация (что имеет место в исследуемом случае); - сублимация и десублимация. При фазовом переходе 2-го рода плотность и внутренняя энергия не меняются, так что невооружённым глазом такой фазовый переход может быть незаметен. Скачок же испытывают их производные по температуре и давлению: теплоёмкость, коэффициент теплового расширения, различные восприимчивости и т. д. Фазовые переходы 2-го рода происходят в тех случаях, когда меняется симметрия строения вещества (симметрия может полностью исчезнуть или понизиться). Описание фазового перехода 2-го рода как следствие изменения симметрии даётся теорией Ландау [9] Наиболее распространённые примеры фазовых переходов 2-го рода: - прохождение системы через критическую точку; - переход парамагнетик-ферромагнетик или парамагнетик-антиферромагнетик); - переход металлов и сплавов в состояние сверхпроводимости (параметр порядка — плотность сверхпроводящего конденсата) и т.д. В соответствии с циклограммой функционирования АБСС процесс фазового перехода происходит в условиях невесомости при этом силы поверхностного натяжения становятся соизмеримыми с воздействием сил набегающего потока и основным фактором переноса вещества вдоль границы раздела двух сред является капиллярная конвекция (конвекция Марангони). Возникновение градиента поверхностного натяжения может быть вызвано градиентом концентрации или градиентом температуры. В последнем случае помимо эффекта Марангони имеет место эффект Бенара и такая конвекция называется термокапиллярной (конвекция Бенара — Марангони). Чем больше у жидкости поверхностное натяжение, тем с большей силой она стягивается. Поэтому при наличии градиента поверхностного натяжения жидкость будет перемещаться в область с большим коэффициентом поверхностного натяжения. Число Марангони Mq — безразмерная величина, характеризующая возможность возникновения в жидкости конвективных движений в результате термокапиллярного механизма (изменения поверхностного натяжения по причине неравномерного нагрева).  где: σ - поверхностное натяжение (Н/м); L - характеристическая длина (м); α - температуропроводность (м²/с); η- динамическая вязкость (кг/(с·м)); ΔT - скачок температуры (°К). Аналогом числа Марангони для термогравитационного механизма конвекции (механизм Рэлея) является число Рэлея:  где: g – ускорение свободного падения (м/с2);  - коэффициент теплового расширения жидкости (К-1); - разность температур между стенками жидкости (°К); - кинематическая вязкость жидкости (м2/с); - температуропроводность жидкости (м2/с).1.2 Обзор исследований проведённых НОЦ «Космическая экология» по исследованию процессов динамики жидкости в условиях невесомости Процессы тепломассопереноса в условиях невесомости развиваются недостаточно интенсивно (естественная конвекция, кипение и др.). Поэтому, для интенсификации процессов тепло-и массообмена выдвинута гипотеза об использовании теплоносителя с высокой скоростью натекания на поверхность, а также, использование механического, звукового и др. видов воздействия. Для моделирования процесса невесомости с остатками топлива применяют экспериментальное исследование на башнях невесомости. Циклограмма работы системы газификации приведена на рисунке 1.1. Т0 Т1 Т2 Т3 Время Этап процесса Т4 Рисунок 1.1 Циклограмма работы системы газификации Временные интервалы работы системы газификации: Т0 – время окончания действия ускорения (выключение двигательной установки КСВ); Т1 – время начала работы системы газификации; Т2 – включение ГРД или начало сброса газифицированных компонентов топлива через утилизационные сопла; Т3 – выключение ГРД; Т4 – прекращение работы системы газификации. Проанализируем временные интервалы и особенности по поведению остатков КРТ в объёме топливных баков ступеней РКН и работы системы газификации. 1. В момент времени Т0 происходит сброс тяги двигателя. Выключение может происходить резко или ступенчато. К концу работы ЖРД продольная перегрузка может составлять nx=6 ÷ 12. Под действием спада тяги маршевого ЖРД и жёсткостных характеристик нижних днищ остатки КРТ получают ускорение и начинают двигаться к верхнему днищу, отражаясь от него они в хаотичном порядке распределяются в объёме топливного бака, при этом, за счет действия поверхностных сил, компонент топлива распределяется на внутренних элементах конструкции топливного бака. Результаты экспериментальных исследований, проведенных авторским коллективом в башнях невесомости в МАИ и в/ч 73790 [10,11], выявил 4 возможных характерных случая поведения остатков КРТ в объёме бака. а) Равномерное распределение остатков КРТ в ёмкостях по поверхностям конструктивных элементов происходит на участках длительного отсутствия перегрузок, превышающих по абсолютной величине 0,01...0,005g0 - что соответствует равновесному состоянию, в котором не происходит объёмного перемещения топлива. Очевидно, в этом состоянии характерными будут два процесса: - теплообмен жидкого компонента с обечайкой ёмкости (или другими смачивающими конструктивными элементами); - процесс взаимного испарения с поверхности и конденсации паров. б) Равномерное распределение жидкости в виде капель диаметром 3 ÷ 6 мм, образующих газожидкостную смесь в объёме бака. Этот случай возможен после воздействия перегрузок (более 0,1g0), носящих знакопеременный характер. В случае отсутствия последующих управляющих воздействий компонент и газ наддува образуют газожидкостную смесь, причём пузырьки газа и капли жидкости хаотично перемещаются внутри бака. Время, в течение которого жидкость находится в таком состоянии, зависит от начальных условий, концентрации паров, действующих температур и других факторов. Длительность рассматриваемого состояния жидкости можно принять 20 ÷ 80 с. После этого интервала времени, как следует из аналогичных экспериментов, состояние КРТ внутри бака будет ближе к первому расчётному случаю. в) Третий расчётный случай соответствует расположению компонента топлива у верхнего или же у нижнего днища ёмкости. При этом на компонент топлива должна действовать однонаправленная перегрузка, причём суммарный вектор поля массовых сил изменяется в пространстве телесного угла не более чем на 300. Описание колебаний остатков КРТ может быть представлено в традиционной форме, рекомендованной в отраслевых стандартах. Аналогично первому случаю происходит теплообмен между компонентом и обечайкой, испарение частиц КРТ с поверхности и конденсация паров. Данное положение компонента топлива на участке автономного движения объекта может быть обусловлено наличием действующей перегрузки. Причинами вызывающими эту перегрузку, могут быть либо аэродинамическое сопротивление, либо тяга ДУ (участок спад тяги). г) В качестве четвёртого расчётного случая, принято упорядоченное движение КРТ вдоль стенок бака. Такой вид движения образуется в случае резкого сброса тяги маршевого ЖРД и соответствующего прогиба днища или же в случае закрутки ОЧ при разделении из-за разбросов импульсов последствия камер ЖРД. Все возможные схемы расположения топлива в баке представлены на рисунке 1.2. [8,10,11].  Рисунок 1.2 Возможные схемы расположения остатков топлива на момент выключения двигательной установки 2. В момент времени Т1 начинает работу система газификации. Необходимо отметить, что, как было установлено ранее, действие перегрузки за счет спада тяги ЖРД, за счет жёсткостных характеристик днища бака позволяет извлечь из трубопроводов остатки КРТ до 30 % остающихся в них. В качестве примера, приведем расчет остатков топлива в трубопроводе окислителя РКН «Космос-3М» (рисунок 1.3). Масса остатков окислителя АК-27И в магистрали:  , (1.1)где  - соответственно диаметр и длина трубопровода окислителя,  = 0,24 м, = 9,224 м;  - плотность окислителя (ρо = 1490 кг/м3).Т.о. масса остатков окислителя в трубопроводе составляет  = 621 кг, при условии, что суммарные остатки окислителя составляют МΣ = 1342 кг. Рисунок 1.3 Конструктивные параметры 1-й ступени РКН «Космос-3М» Возможное извлечение остатков КРТ ~ на 30% не обеспечивает необходимых требований по экологическим аспектам воздействия РКН на окружающую среду, так и условий возможно полнейшего использования энергетики, заключённой в остатках КРТ для выполнения манёвра увода. Для более полного удаления остатков КРТ предполагается продувать магистрали либо газом, размещенным в дополнительных ёмкостях, использование газа-наддува штатного исполнения либо генераторного газа. Продувка топливных магистралей коренным образом меняет картину поведения остатков КРТ в условиях малой гравитации. Истекающий со значительной скоростью из трубопровода КРТ достигает верхнего днища, области цилиндрической обечайки бака, происходит частичное дробление капель, их взаимодействие. Наличие газо-жидкостных потоков в объёме бака осложняет картину первоначального поведения остатков топлива. В настоящий момент экспериментальные исследования по данному вопросу отсутствуют. Применение, выявленных выше, характерных случаев для описания процесса газификации не представляется корректно возможным. В этой связи, для решения нашей задачи по газификации остатков КРТ, целесообразно введение гипотезы о граничном положении этих остатков для данного момента времени. Предполагаем, что за счет сил поверхностного натяжения ~ 70 % жидких остатков КРТ распределены по внутренней площади элементов конструкции топливного бака, а ~ 30 % находятся в объеме бака с различным диаметром (для расчета принимаем эквивалентный диаметр от 2 до 5 мм.) Одновременно, либо с небольшим временем задержки (τ=1÷3 с) производится запуск системы газификации. При этом, истекающая струя теплоносителя встречается с распределёнными по объёму каплями. При этом происходит испарение капель, находящихся в объёме топливного бака и испарение компонента топлива, находящегося на внутренних элементах конструкции бака. Выход режима системы газификации из условия надежного запуска ГРД составляет τ=5÷20 с Для данного момента времени принимаем гипотезу о положении остатков КРТ на момент запуска ГРД. Предполагаем, что за время подготовки к запуску ГРД испарилось до ~ 70% имеющихся первоначально остатков КРТ, находящихся в распределенном состоянии в объёме топливного бака, а ~ 30 % за счет сил поверхностного натяжения распределились по внутренней площади элементов конструкции топливного бака. В итоге: за счет наличия силового набора, влияние сил поверхностного натяжения и пр. имеем вариант с практически равномерным распределением остатков КРТ по внутренним поверхности бака. 3. В момент времени Т2 происходит включение ГРД или начинается сброс газифицированных компонентов топлива через утилизационные сопла. В результате действия реактивной силы появляется незначительная перегрузка, определяемая по формуле:  , (1.2)где Ргрд – тяга ГРД или утилизационного сопла; Моч – текущая масса ОЧ ступени РН или РБ.[12] Формулу (1.2) можно записать в виде:  , (1.3)где wист – скорость истечения продуктов газификации из утилизационных сопел или продуктов химического взаимодействия из ГРД;  - массовый суммарный секундный расход газифицированных КРТ подаваемых в ГРД или утилизационное сопло.В условиях орбитального полёта при отсутствии давления внешней окружающей среды скорость продуктов газификации может быть найдена по формуле:  , (1.4)где: n - показатель политропы для рассматриваемой химической смеси газов;  – давление на срезе сопла и в камере сопел или ГРД;  - газовая постоянная и температура (комплекс  определяют экспериментально для разных газов).Очевидно, что комплекс RT при работе ГРД будет в несколько раз выше, [13] чем при работе сопел. При этом, расход газифицированных компонентов, поступающих в сопла будет в несколько раз выше расхода, поступающего в камеры ГРД. Приведем в качестве примера данные при работе ГРД 2-й ступени РН «Космос-3М» и работе утилизационных сопел 1-й ступени РН «Космос-3М» (Моч2=1800 кг; Моч1=7500 кг; wист1 =2800 м/с; wист2=800 м/с;  =1 кг/с;  =12 кг/с). В этих случаях продольная перегрузка составила: nx2=0,158; nx1=0,141. Т.о. можно предположить, что продольная перегрузка не превысит nx≤ 0,2. 4. В момент времени Т3 происходит выключение ГРД. Останов работы ГРД возможен при следующих случаях: - согласно циклограмме газификации из условия повторности ее включения; - в случае преждевременной газификации одного из остатков КРТ, при условии сохранения соотношений km газифицированных КРТ в процессе работы ГРД - в случае «обеднения» смесей, взаимодействующих в камере ГРД, при котором не реализовываются стабильные параметры процесса горения; - в случае невыполнения условий по поддержанию давления внутри топливных баков при работе ГРД. Для оценки данного момента времени введём критерий «обеднения» газовой смеси из условия устойчивости рабочего процесса ГРД:  , (1.5)где  ,  - соответственно степени «обеднения» газифицированных КРТ, поступающих в камеру сгорания ГРД. Вычисляются по следующим зависимостям: ,  , (1.6)где mо, mг, mт – соответственно газифицированного окислителя, горючего и теплоносителя поступающего в камеру сгорания ГРД. После выключения ГРД из условия «обеднения» смеси, в случае преждевременной газификации одного из остатков КРТ, невыполнения условий по поддержанию давления внутри топливных баков в топливных баках остаётся достаточно значительная масса газифицированных КРТ. Пример. 2-я ступень РКН «Космос-3М», объёмы топливных баков приблизительно равны (для применяемых штатных КРТ НДМГ+АК-27И) и составляют ~ 7 м3., давление в баках ~ 2,5 атм, температура в газовой подушке ~ 400 оК. Суммарная масса остатков газифицированных КРТ, находящихся в объёме баков составляет ~ 35 кг (суммарные остатки до процесса газификации составляли ~150 кг.) Для эффективной реализации задач по реализации маневра увода с орбиты или изменения районов падения ОЧ целесообразно произвести сброс газифицированных остатков КРТ через сопла. При этом работа газогенераторов системы газификации может не прекращаться. Необходимо подчеркнуть, что при сбросе газифицированных КРТ через сопла, при прекращении работы газогенераторов, давление в объёме бака уменьшается, т.к. температура остатков КРТ понижается непропорционально падению давления в объёме бака, то возможен т.н. эффект «холодного» вскипания жидких остатков КРТ. Следовательно, возможна газификация жидких остатков КРТ до 95%, в том числе и из застойных зон. 5. В момент времени Т4 прекращается работа системы газификации. Основополагающим фактором, при расчете термодинамических процессов является учет эффективной площади теплообмена, между теплоносителем и жидким остатком КРТ либо стенкой топливного бака. В процессе работы системы газификации площадь теплообмена будет изменяться. В зависимости от расчетных случаев запишем зависимости по определению эффективной площади теплообмена. 1) Остатки КРТ равномерным слоем прилегает к смачиваемым поверхностям ёмкости и проходящей в ней магистрали. В данном случае, эффективная площадь теплообмена может быть задана в виде зависимости:  , (1.7)где  , , - соответственно площади нижнего и верхнего днища, площадь цилиндрической части.С учетом статистических данных можно рекомендовать следующие зависимости по определению площади цилиндрической части топливного бака с учетом:  , (1.8)где  - коэффициент, учитывающий силовой набор конструкции топливного бака;  - коэффициент, учитывающий гасители колебаний;  - коэффициент, учитывающий тоннельный трубопровод;  - диаметр топливного бака;  - высота цилиндрической части бака.2) Остатки КРТ распределены равномерно по всему объёму бака в виде капель диаметром 3÷6 мм, образуя газожидкостную смесь. Площадь теплообмена теплоносителя с жидкостной фазой определяется по следующей формуле:  , (1.9)где  ,  - соответственно масса и плотность остатков КРТ в топливном баке;  - диаметр капель жидкой фазы.Необходимо отметить, что с диспергированием жидкостной фазы увеличивается площадь теплообмена. 3) Остатки КРТ расположены в районе верхнего или нижнего днища ёмкости. Площадь теплообмена теплоносителя с жидкостной фазой определяется по следующей формуле:  (1.10)4) Упорядоченное движение КРТ вдоль стенок бака. Площадь теплообмена теплоносителя с жидкостной фазой определяется по следующей формуле:  , (1.11)где  - скорость стекания жидкого КРТ по стенке бака;  - время процесса стекания.При расчете процессов газификации остатков КРТ необходимо учитывать их количество на стенках и элементах арматуры в баке. Остатки КРТ на внутренних элементах топливного бака состоят из остатков на вертикальных (продольный силовой набор, гасители колебаний, стенки бака, трубопроводы и пр.) и горизонтальных (поперечный силовой набзаборное устройство, днища баков) элементах.  . (1.12)Остатки компонентов на вертикальных элементах рассчитываются по формуле  , (1.13)где  - площади вертикальных элементов топливного бака;  - средняя толщина пленки компонента на вертикальных элементах.Остатки компонентов на горизонтальных элементах топливного бака рассчитываются по формуле  , (1.14)где  - площади вертикальных элементов топливного бака;  - средняя толщина пленки компонента на горизонтальных элементах.Очевидно, что толщина жидкой пленки определенным образом зависит от формы поверхностей, на которых она образуется, и от наклона этих поверхностей по отношению к массовым силам, действующим на элементы жидкости в пленке. Учитывая большой диаметр бака по сравнению с толщиной пленки, можно жидкую пленку считать плоской и рассматривать внутреннюю поверхность бака как сумму вертикальных и горизонтальных плоских элементов. Определение средней толщины жидкой пленки на вертикальных элементах топливных баков Поверхность жидкой пленки, образующейся на стенке топливного бака при опорожнении, имеет довольно сложную форму, которая зависит от физических свойств жидкости, скорости опускания уровня жидкости, от формы внутренней поверхности бака. Однако для расчета количества жидкости, затраченной на образование пленки, вполне достаточно знать толщину ее, осредненную по всей смоченной поверхности. В этом случае средняя толщина пленки δв зависит от скорости опускания уровня ω, времени τ, ускорения силы тяжести nxg, плотности жидкости ρ, коэффициентов динамической вязкости μ и поверхностного натяжения σ. Последние три параметра характеризуют физические свойства жидкости. Таким образом, все переменные будут учтены, если запишем:  Выражение представляет зависимость между семью размерными величинами. Среднюю толщину жидкой пленки на вертикальных элементах топливных баков можно вычислить по эмпирическому уравнению [14]:  , (1.15)где  Определение средней толщины жидкой пленки на горизонтальных элементах топливных баков Средняя толщина этой пленки δг является функцией коэффициента поверхностного натяжения σ, ее плотности ρ и ускорения nxg, т.е.   Среднюю толщину жидкой пленки на поперечных элементах топливных баков можно вычислить по эмпирическому уравнению [14]:  (1.16)В таблице приведены данные по средним толщинам для различных КРТ в диапазоне действия ускорения nx=0,01÷0,2. Таблица 1.1 - Средние толщины для различных КРТ
Предложение по фиксации остатков КРТ в нижней части бака С целью уменьшения энергетических затрат на газификации компонентов топлива в условиях неопределенного граничного положения жидких остатков КРТ, предлагается использовать сетчатый фазоразделитель. Данное устройство позволяет заключить жидкие остатки КРТ в ограниченно объеме бака и подавать теплоноситель непосредственно в этот объем. На рисунке 1.4 представлена общая схема расположения элементов системы газификации.  Рисунок 1.4 Схема расположения внутрибаковых устройств в баке блока «И» РКН «Союз 2.1» 1 – бак с жидкими остатками КРТ, 2- жидкие остатки КРТ, 3- сетчатый фазоразделитель, 4 – магистрали подачи ТН. В нижней части топливного бака ограничивают объём, включающий в себя массу невыработанных остатков КРТ в окрестности заборного устройства путём установки разделительной сетки, секундный массовый расход ТН, подаваемого в топливный бак через магистрали, разделяют на 2 части, одна часть ТН подаётся в объём ограниченный сеткой, с обеспечением вихревой картины течения из условия создания максимальной теплоотдачи и максимального времени пребывания ТН в этом объёме, а вторая часть ТН подается во вторую часть топливного бака с обеспечением встречных потоков смеси, поступающей из объёма ограниченного разделительной сеткой, количество подаваемого ТН в верхнюю часть топливного бака определяют из условия испарения всех оставшихся капель КРТ к моменту времени выхода газифицированных продуктов из топливного бака. ТН в выделенные области подают через магистрали, при этом количество и координаты точек ввода ТН, направление ввода, параметры акустических излучателей определяются из условия минимальных массовых затрат на газификацию заданного количества топлива при заданном давлении газифицированных продуктов в баке в течение всего процесса газификации, и, по достижению заданного давления в топливном баке, открывают клапан на магистрали подачи газифицированных продуктов, например, в газовый ракетный двигатель. Расположение сетчатого фазоразделителя обусловлено максимально возможным объемом жидких остатков КРТ в баках на момент начала работы системы газификации. Такое расположение разделительной сетки обусловлено массой невыработанных остатков КРТ, включающих в себя: гарантированные запасы КРТ, конструктивный незабор КРТ, рабочие запасы КРТ, заливка двигателя РКН, что составляет величину, превышающую минимально возможный объём остатков КРТ в 3 раза, плюс отклонение от максимально возможного объема остатков КРТ:  ,где  - объем, ограниченный сеткой, включающий в себя массу невыработанных остатков КРТ; - минимально возможный объём остатков КРТ; - среднеквадратичное отклонение от номинального значения остатков КРТ.  где  - среднеквадратичное отклонение,  - текущее отклонение,  - частота появления данного отклонения,  - количество текущих значений,  - общее количество отклонений.Размер ячейки сетки определяется физическими параметрами топлива и ускорением, которому подвержена жидкость после разделение ступеней. На рисунке 1.5 представлена структура сетчатого фазоразделителя.  Рисунок 1.5 Структура сетчатого фазоразделителя. R – радиус капиллярного отверстия. Расчет размера ячейки сводится к расчету капиллярного эффекта:     где:  - радиус капиллярного отверстия в сетке, - сила поверхностного натяжения жидкости,  - угол смачивания жидкости,  - плотность жидкости,  - высота столба жидкости над сеткой,  - ускорение жидкости при движении по направлению к сетке,  - сила с которой жидкость воздействует на элемент сетки,  - сила поверхностного натяжения. Реализация предложенного технического решения осуществляется следующим образом: 1) Установка разделительной сетки в нижней части бака позволяет сосредоточить остатки жидких КРТ в заданной области, в противном случае, они бы заняли неопределённое положение, например, газокапельная смесь в объёме бака, течения по стенке и ряд других граничных и фазовых состояний в объёме топливного бака после выключения маршевого ЖРД из-за резкого спада перегрузки до нулевых значений, упругих перемещений нижнего днища бака из нагруженного состояния в исходное. 2) В нижней части бака, ограниченной сеткой, возникает возможность обеспечить: - условия для максимальной теплопередачи от ТН непосредственно к жидкости за счёт создания вихревого течения (увеличение коэффициентов тепло и массообмена); - увеличить в несколько раз время нахождения частиц ТН непосредственно в контакте с жидкостью; - многократно сократить потери тепла на нагрев конструкции из-за сокращения поверхности взаимодействия со стенками бака. 1.3 Анализ результатов лётных экспериментов по газификации невырабатываемых остатков кислорода и водорода в баках вторых ступеней ««Delta-4»», «H-IIB», ««Arian-5»» для реализации манёвра прямого спуска с орбиты выведения после завершения миссии Эксперимент контролируемого входа ОЧ второй ступени РКН «Н-IIВ» [1] РКН «H-IIB» был разработан совместно с Японским агентством аэрокосмических исследований JAXA и Mitsubishi Heavy Industries, Ltd, для того чтобы запустить Kounotori (‘Stork’) H-II Transfer Vehicle (HTV), который осуществляет доставку грузов на Международную космическую станцию (МКС). РН «H-IIB» имеет самую большую тягу из семейства РН: 16,5 тонн на околоземной орбите (орбита МКС). На рисунке 1.6 представлена РКН «H-IIB».  Рисунок 1.6 - Состав РКН «H-IIB» Изменения, внесенные в РН «H-IIB» заключаются в следующем: - Увеличение первой ступени по отношению к H-IIA: расширение диаметра баков, изменены кластерные системы для двух главных двигателей, а также добавлены четыре твердотопливные ракетных ускорителя (SRB-A) - Усиленная верхняя ступень по отношению к «H-IIA», чтобы запустить HTV. Целью контролируемого входа второй ступени РН «H-IIB» было использование дополнительного бортового топлива при сохранении полетной программы HTV. Модернизация должна была быть завершена в течение года после испытаний РН «H-IIB» №1 и модификации РН были ограничены до минимума [2] Требования увода с орбиты обусловлены падением второй ступени в безопасной зоне океана. Для обеспечения требований спуска второй ступени РН «H-IIB» мониторинг и управление схода с орбиты необходимо начинать с момента запуска двигателей. Южная часть Тихого океана была выбрана в качестве целевого района падения, поскольку он находится в крупнейшей безопасной зоне, через которую проходит орбита второй ступени после отделения HTV. Были рассмотрены два варианта схода с орбиты второй ступени РН «H-IIB» (рисунок 1.7).
Рисунок 1.7 - Сравнительный анализ баллистических схем спуска второй ступени РКН «H-IIB» в заданный район падения В режиме малой тяги в ЖРД не работают турбонасосные агрегаты, что является уникальным для LE-5B-2, а величина тяги составляет 4 кН, а номинальный режим тяги ЖРД составляет 137 кН [2, 3] На рисунке 1.8 показан ЖРД LE-5B-2 с ЦФП, а на рисунке 1.9 представлены пневмогидравлические схемы режимов номинальной и малой тяги.
Режим малой тяги был использован только в течение короткого периода времени для того, чтобы стартовал двигатель. Цикл с фазовым переходом (ЦФП) — безгенераторная схема работы ЖРД, которая предназначена для увеличения эффективности топливного цикла. При схеме ЦФП топливо нагревается до его сжигания, обычно используя ту часть теряемого тепла главной камеры сжигания, которое идет на обогрев стенок камеры и претерпевает фазовый переход. Полученная за счет превращения топлива в газ разность давления используется для подачи топливных компонентов, сохранения давления в камере сгорания и создания тяги. Принцип работы ЦФП По мере того, как жидкое топливо проходит в охлаждающих трубках в стенах, оно претерпевает фазовый переход в газовое состояние с увеличением давления. Топливо в газообразном состоянии расширяется через турбину, используя разность давления между давлением его подачи и давлением после прохода охлаждающего контура для начала вращения турбонасоса. Это может обеспечить улучшенные стартовые характеристики, что использовано в ЖРД RL-10 (Пратт & Витни). Увеличенное давление из-за перехода топлива в газообразное состояние используется для привода турбины, которая в свою очередь приводит в действие топливный и окислительный насосы, увеличивая давления топлива и окислителя при поступлении в камеру сгорания. Некоторые ЖРД с ЦФП могут использовать газогенератор для начала работы турбины двигателя до тех пор, пока поступление тепла из камеры сгорания и оболочки сопла не станет достаточным для поддержания работы двигателя. Применимость В силу необходимости ЦФП топлива, данный тип цикла работы ЖРД ограничен количеством «паразитного» тепла, выделяемого двигателем во время работы, которое в общем случае ограничивает мощность двигателя, использующего данную схему в неизменном виде. При использовании сопла обычной формы, его поверхности недостаточно для прогрева достаточного количества топлива, которое бы могло привести в действие турбины и, как следствие, топливных насосов. Для двигателей с соплом в виде колокола, максимальная тяга, которую может обеспечить ЦФП, составляет 31 тс (300 кН). Более высокие уровни тяги могут быть достигнуты, используя данный цикл частично, в котором часть топлива проходит мимо системы фазового преобразования (охлаждения) с турбиной и направляется прямо к камере сгорания. Бо́льший диапазон использования этой схемы ЖРД позволяют альтернативные сопла конической формы. В данном случае выхлопная струя двигателя эффективно сжимается в более узкий поток вокруг центрального клинообразного выступа, который может обеспечить бо́льшее количество паразитного тепла и поэтому бо́льшую тягу с использованием цикла фазового перехода в неизменном виде. Также должны использоваться криогенные виды топлива, такие как жидкий водород, тяжёлые углеводороды (сжиженные природные газы метан или пропан с температурой кипения -1600С), для которых могут быть легко достигнуты точка кипения и смена агрегатного состояния на газообразное. Продуваемый ЦФП (Открытый цикл) В «открытом» цикле, или «продуваемом» ЦФП, только часть топлива нагревается для управления турбиной после чего сбрасывается для увеличения эффективности генератора. В данном случае увеличение мощности турбины приводит к уменьшению эффективности двигателя (ме́ньшему удельному импульсу).  Рисунок 1.10 Схема работы двигательной установки по схеме «газ-газ» Закрытый цикл использует генераторный газ — в данном случае топливо — в камере сгорания (см. рисунок 1.10). В этом модифицированном цикле, вместо того, чтобы использовать нагретое «генераторное» горючее в камере сгорания, оно сбрасывается, что позволяет максимизировать мощность топливных насосов, используя в турбине бо́льшую разницу в давлении. При этом используется небольшая часть топлива. Такая схема позволяет увеличить тягу двигателя путем уменьшения его эффективности. Однако в ряде случаев — так, как например в случае с японским ЖРД LE-5A/B - потери в эффективности не так значимы по сравнению с увеличением тяги. Преимущества Схема ЖРД с ЦФП имеет множество преимуществ по сравнению с другими: - Низкая температура. Преимущество в том, что после того как топливо стало газообразным, его температура находится вблизи обычных комнатных температур и наносит очень мало вреда турбине, позволяя повторное использование двигателя. В других схемах, таких как открытый цикл или закрытый цикл, турбина функционирует при высоких температурах. - Живучесть. Во время разработки двигателя RL-10B-2 инженеры беспокоились, что отслоение изоляции внутри топливного бака может вызвать повреждение двигателя. Они проверили это, поместив куски изоляции в бак и пропустили через двигатель. Это не вызвало проблем при работе двигателя RL-10 и не вызвало уменьшения тяги. Обычные газовые генераторы представляют из себя миниатюрные ракетные двигатели, что подразумевает их сложное устройство. Даже незначительное блокирование газогенерирующей части посторонним предметом может привести к появлению горячей области, которая может быть причиной взрыва. Использование данной схемы более терпимо к загрязнениям из-за более широких каналов циркулирования горючего. - Системно-обусловленная безопасность. По причине того, что ЖРД с циклом фазового перехода обладают ограничением по тяге, режим максимальной тяги легко проектируется и реализуется. В других типах двигателей, проблема с заклиненным клапаном или любая похожая проблема могут привести к неуправляемому росту тяги и неконтролируемому развитию ситуации в целом. Для того чтобы этого избежать, требуется сложная механическая и электронная система управления. ЖРД с циклом фазового перехода не способны на неисправное функционирование такого рода. Примерами ЖРД с циклом фазового перехода являются RL-10 и RL-60, Пратт & Витни и планируемый ЖРД Винчи на РН «Ариан 5 ESC-B». Использование Известные примеры использования схемы ЖРД с циклом фазового перехода: - RL-10, Пратт & Витни - RL-60, Пратт & Витни - Винчи, ЕКА - LE-5A/BA/B, JAXA ЖРД с циклом фазового перехода использовались или планируется использовать в: - разгонном блоке «Центавр»; - планируемой одноступенчатой «Мак Доннел Дуглас DC-X» (en). - РКН «H-IIA». Анализ ЖРД на основе ЦФП показал возможность использования только жидких криогенных остатков топлива (кислород + водород, сжиженные природные газы метан или пропан) для которых могут быть легко достигнуты точка кипения и смена агрегатного состояния на газообразное. Использование ЖРД с циклом ЦФП для спуска ступени с орбиты связано с определенными трудностями, такими как: - необходимость проведения глубокого анализа всех систем ступени на предмет возможности их функционирования после отделения полезной нагрузки, что связано с живучестью систем и использования их при повторных запусках двигательных установок. - проведение анализа состояния и количества остатков жидкого КРТ (системы забора КРТ, агрегатное состояние топлива). - модернизация двигательной установки, в том числе: системы охлаждения и создание двухконтурных систем подачи КРТ: с турбонасосным агрегатом в режиме основной тяги и с системой подачи КРТ в режиме малой тяги на этапах спуска верхних ступеней РКН и т.д. сопряжена с усложнением ЖРД, снижением его надёжности. 1.4 Выводы по главе 1 На основании проведённых в главе исследований получены следующие основные результаты 1. Проведён анализ отечественных открытых источников литературы по исследованию процессов, связанных с испарением жидкости, в том числе в промышленных установках в наземных условиях. Выявлен ряд отечественных источников для последующего углубленного изучения математических и экспериментальных исследований рассматриваемого процесса, сформулированы задачи на поиск соответствующих материалов по данным зарубежных источников. 2. Для более глубокого понимания гидродинамических процессов остатков жидкого топлива, происходящих в баке ступени ракеты после её отделения, а также формирования исходных данных для установки фазового разделителя (в виде сетки) в топливный бак проведён анализ экспериментальных исследований динамики жидкости в башне невесомости. 3. На основании анализа имеющихся зарубежных материалов по проведённым демонстрационным управляемым спускам вторых ступеней ракет космического назначения «Дельта-4» (США), «HII-B» (Япония) на основе использования газифицированных остатков невырабатываемых компонентов жидкого кислорода и водорода с орбит выведения в акватории Мирового океана. Получены общие сведения о процессах, происходящих в маршевых безгенераторных ЖРД, использующих цикл фазового перехода, на основном режиме «жидкость-жидкость», когда из бака подаётся жидкое топливо, и режиме повторного запуска по схеме «газ-газ», когда из бака подаётся газифицированное топливо. | |||||||||||||||||||||||||||
Похожие:
 | Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное... М., Розенштейн М. М., Серпунин Г. Г., Авдеева Е. В., Шеховцев Л. Н., Уманский С. А. Калининград: Федеральное государственное бюджетное... | | Реферат по дисциплине «история электротехники» Тема: «Сюда вбиваешь свою тему» Министерство образования и науки российской федерации федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального... |
 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение... Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования | | Федеральное агентство воздушного транспорта федеральное государственное... Федеральное государственное образовательное бюджетное учреждение высшего профессионального образования |
| Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение... Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования | | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение... Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «алтайский государственный... |
| Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение... Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования | | Российской Федерации Федеральное агентство по рыболовству Федеральное... Г. Г., Авдеева Е. В., Шеховцев Л. Н., Шибаев С. В., Орлов Е. К., Уманский С. А. Калининград: Федеральное государственное бюджетное... |
| Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение... Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования | | Федеральное агентство воздушного транспорта московский государственный... Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования |
| Методические указания Самара Самарский государственный технический... Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования | | «Проектирование электротехнических устройств» Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования омский государственный технический университет |
| Рабочая программа дисциплины Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Калининградский государственный... | | М осковский автомобильно-дорожный государственный технический университет (мади) Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования |
| «Алтайский государственный технический университет им. И. И. Ползунова»... Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования | | Программа профессиональной переподготовки разработана фгбоу впо «Новосибирский... Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования |
