Рф федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Омский государственный технический университет»

Министерство образования и науки РФ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Омский государственный технический университет»
УДК 629.76

№ госрегистрации 01201350952

Инв. №
УТВЕРЖДАЮ

Первый проректор - Проректор по научной

работе Омского государственного

технического университета

_____________ д.т.н., доц. А.В. Косых

15 декабря 2012 г.

НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ОТЧЁТ

В рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы

Шифр заявки «2012-1.2.1-12-000-4001»

Соглашение на предоставление гранта от 06.08.2012 г. №14.В.37.21.0433
ПРОВЕДЕНИЕ ТЕОРЕТИКО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ДЛЯ

РАЗРАБОТКИ МЕТОДИКИ ПОВЫШЕНИЯ ТАКТИКО-ТЕХНИЧЕСКИХ

ХАРАКТЕРИСТИК РАКЕТ КОСМИЧЕСКОГО НАЗНАЧЕНИЯ С МАРШЕВЫМИ ЖИДКОСТНЫМИ РАКЕТНЫМИ ДВИГАТЕЛЯМИ НА ОСНОВЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ РЕСУРСОВ, ЗАКЛЮЧЁННЫХ В НЕВЫРАБАТЫВАЕМЫХ ОСТАТКАХ ЖИДКОГО ТОПЛИВА В ОТДЕЛЯЮЩИХСЯ ЧАСТЯХ СТУПЕНЕЙ РКН
(промежуточный, этап №1)

Наименование этапа: «Теоретические исследования и постановка задачи

экспериментальных исследований»

Руководитель проекта д.т.н., профессор,

Член-корр. СО МАН ВШ В.И. Трушляков

Омск 2012

Список исполнителей

Научный руководитель, д.т.н., профессор, г.н.с.		Трушляков В.И.	Введение, содержание, 1.1, 1.2, 1.3, 1.4, 3.4, 4.4, Заключение, Приложение 1
к.т.н., доцент, с.н.с., кафедры АВиРС		Куденцов В.Ю.	1.2, 2.1, 2.2, 2.3, 2.4
м.н.с. кафедры АВиРС		Лесняк И.Ю.	3.1, 3.2, 3.3, 5.1, 5.2, 5.3 Приложение 2,3
м.н.с. кафедры АВиРС		Казаков А.Ю.	1.3, 3.2, Приложения 1,2,3
м.н.с. кафедры АВиРС		Курочкин А.С	1.2, 4.1, 4.2, 4.3, Приложение 2,3
Аспирант кафедры АВиРС, м.н.с.		Белькова М.Е.	3.2
Аспирант кафедры АВиРС		Рожаева К.А.	3.3, Приложение 1
Аспирант кафедры АВиРС		Юткин Е.А.	1.3
Аспирант кафедры АВиРС		Савин Н. А.	1.3
Зав. лабораториями кафедры АВиРС		Власов В.Ю.	3.3, Приложение 3
Магистрант кафедры АВиРС		Кисловский В.	4.2
Магистрант кафедры АВиРС		Лаврук С.	4.2
Нормоконтролёр		Бабенко О.И.

Отчёт 164 с., 93 рис, 7 табл., 48 источников, 3 приложения.

Ключевые слова: испарение, тепло - и массообмен, вакуумная установка, физическое и математическое моделирование, невесомость, жидкость, ультразвуковое воздействия, граничные условия, газодинамические параметры, экспериментальная установка, ступенчатый сброс давления, отделяющиеся части ступеней ракет космического назначения, невырабатываемые остатки ракетного топлива.

Объект исследования: фазовые переходы первого рода (испарения) жидкости в условиях невесомости и неопределённости фазового и граничного состояния, повышение интенсивности процессов тепло-и массообмена жидкости, в том числе и за счёт ступенчатого сброса давления в процессе испарения, ввода дополнительных внутрибаковых устройств.

Цель работы: заключается в разработке технологий испарения (газификации) невырабатываемых остатков жидких компонентов ракетного топлива в баках ступеней ракет космического назначения для их последующего использования для отработки тормозного импульса с целью реализации управляемого спуска российских ракет на компонентах топлива кислород-керосин по аналогии с управляемым спуском вторых ступеней ракет космического назначения, таких как: «Delta-4» (США), «HII-B» (Япония), «Ariane-5» (Франция) на криогенных компонентах топлива кислород-водород, на основе проведения теоретико-экспериментальных исследований.

Теоретическая часть исследований включает в себя:

- анализ состояния вопроса по фазовому переходу 1-рода (испарению) жидкостей, в том числе и в промышленных выпарных установках на основе информационных исследований;

- анализ информации по проведённому натурному эксперименту на вторых ступенях ракеты космического назначения «Delta-4» (США), «HII-B» (Япония) по повторному запуску маршевых двигателей на основе испарённых невыработанных остатков кислорода и водорода для реализации управляемого спуска;

- проведение исследований газодинамических параметров потоков теплоносителя в типовых топливных баках и экспериментальной модельной ёмкости на основе численного решения полной системы уравнений Навье-Стокса на основе программного пакета ANSYS;

- разработка алгоритма расчёта параметров процесса тепло-и массообмена в топливном баке (температурные режимы стенок бака, продуктов испарения, газовой подушки, жидкости) на основе уравнений теплового баланса;

- обоснование необходимости проведения физических экспериментов в соответствии с теорией подобия на экспериментальной модельной установке, моделирующий характерный объём топливного бака.-

Экспериментальная часть исследований включает в себя:

- разработка предложений по модернизации экспериментального стенда позволяющий подавать в экспериментальную модельную установку различные составы теплоносителя под различными углами с различными массовыми секундными расходами, температурами, ступенчатым сбросом давления с использованием вакуумной камеры, дополнительным ультразвуковым излучением, проведения измерений параметров процесса, в том числе концентрации газифицированной смеси;

- проведение технологической отладки экспериментального оборудования и серии установочных экспериментов;

- разработка аналого-цифрового комплекса для параллельного моделирования физических и математических процессов.

На основании проведенных исследований разработана методика выбора основных проектно-конструктивных параметров системы газификации. Показано, что основные затраты масс системы газификации составляет топливо.


СОДЕРЖАНИЕ

			стр.
	Список исполнителей		2
	Реферат		3
	Содержание		5
	Обозначения и сокращения		7
	Введение		8
Глава 1. Анализ состояния вопроса по газификации жидкостей			10
1.1	Фундаментальные вопросы газификации жидкости по материалам обзора литературных источников		10
1.2	Обзор исследований проведённых НОЦ «Космическая экология» по исследованию процессов динамики жидкости в условиях невесомости		12
1.3	Анализ результатов лётных экспериментов по газификации невырабатываемых остатков кислорода и водорода в баках вторых ступеней Дельта-4, HII-B, Ариан-5 для реализации манёвра прямого спуска с орбиты выведения после завершения миссии		26
1.4	Выводы по главе 1		32
Глава 2. Формализация задачи исследования. Разработка моделей и проведение аналитических оценок			33
2.1	Аналитические оценки распределения векторов скоростей газового потока в типовых топливных баках		33
2.2	Обоснование типоразмера экспериментальной модельной установки		49
2.3	Аналитические оценки распределения векторов скоростей газового потока в экспериментальной модельной установке		57
2.4	Выводы по главе 2		71
Глава 3 Обоснование целесообразности проведения экспериментальных исследований при пониженном давлении и разработка программы экспериментов			72
3.1	Исследование процессов газификации при пониженном давлении. Постановка задачи		72
3.2	Разработка программы экспериментов		76
3.3	Разработка пневматической схемы экспериментального вакуумного стенда		78
3.4	Выводы по главе 3		85
Глава 4 Разработка аналого-цифрового комплекса для параллельного математического моделирования исследуемых на экспериментальном стенде процессов			86
4.1	Назначение аналого-цифрового комплекса		86
4.2	Математические модели АЦК		92
4.3	Физические модели АЦК		100
4.4	Выводы по главе 4		102
Глава 5 Выбор проектно-конструкторских параметров системы газификации			104
5.1	Основные задачи и схема системы газификации		104
5.2	Состав системы газификации и основные конструктивные параметры. Критерии выбора конструктивных параметров		107
5.3	Методика выбора проектно-конструктивных параметров		115
5.4	Выводы по главе 5		117
	Заключение		118
	Список использованных источников		121
	Приложение 1. Материалы патентно-информационного поиска		125
	Приложение 2. Техническое задание на экспериментальный стенд		146
	Приложение 3. База данных результатов экспериментов (протоколы экспериментов)		155

Обозначения и сокращения

АБСС – автономная бортовая система спуска ступеней РКН

АЦК – аналого-цифровой комплекс для параллельного математического моделирования исследуемого на экспериментальном стенде процесса

ATV – европейский автоматический транспортный космический корабль

ВК – вакуумная камера

ГГ – газогенератор

ГРД – газовый ракетный двигатель

ЖРД – жидкостной ракетный двигатель

КРТ – компоненты ракетного топлива

EPC – вторая ступень РКН «Ariane-5» (Vulkain), использующая криогенные КРТ кислород-водород

EPS – третья ступень РКН «Ariane-5», использующая КРТ монометилгидразин-азотный тетраксид

RL-10B-2 - ЖРД второй ступени американской РКН «Delta-4»

LE-5B-2 - ЖРД второй ступени японской РКН «H-IIB»,

HM7-B-2 - ЖРД второй ступени (Vinchi) европейской РКН «Ariane-5»

HTV –японский (H-II) транспортный космический корабль

ОЧ – отделяющаяся часть ступени РКН

РКН – ракета космического назначения

ТН – теплоноситель на основе горячих газогенераторных газов

ЭМУ – экспериментальная модельная установка

ЦФП – цикл фазового перехода, используемый в RL-10B-2, LE-5B-2, Vinchi


Введение

Снижение техногенного загрязнения используемых орбит из защищаемых областей околоземного космического пространства крупногабаритным космическим мусором предусматривает спуск отделяющихся частей ступеней РКН после выполнения ими своей миссии.

В соответствии с требованиями национального стандарта (NASA) по снижению космического мусора в США в 2006 г. был проведён успешный управляемый спуск второй ступени РКН среднего класса «Delta-4» после выведения метеорологического спутника DMSP-17 [1]

Повторный запуск безгенераторного маршевого ЖРД второй ступени RL-10B-2, используемого цикл фазового перехода и компоненты топлива кислород – водород, осуществлялся уже на газифицированных КРТ.

В Японии в сентябре 2011 г. при выведении транспортного корабля HTV к международной космической станции был проведён успешный управляемый спуск второй ступени РКН «HII-B» в заданный участок акватории Мирового океана [2-5]

Повторный запуск безгенераторного маршевого ЖРД LB-5B-2, используемого цикл фазового перехода и компоненты топлива кислород – водород, осуществлялся уже на газифицированных КРТ. При номинальной тяге по схеме «жидкость - жидкость» (Normal thrust level burn) тяга ЖРД соответствовала 137 kN, а на режиме «газ - газ» (Idle-mode born) тяга ЖРД составила 4 kN т.е. в ~ 35 раз меньше. Отработав заданное приращение скорости в ΔV=50 м/с за 60 сек , измеряемое бортовой аппаратурой системы управления, ЖРД выключился.

Во Франции в марте 2012 г. при 61-ом полёте РКН «Ariane-5ES» при выведении третьего автоматического транспортного корабля ATV было реализовано третье включение 3-ей ступени EPS для её управляемого спуска с орбиты.

При спуске второй ступени EPC (Vulcain) используются боковые сопла бака с водородом с целью минимизации дисперсии разброса точек падения ступени при возвращении [6]:

- во избежание взрыва от перегрева остатков водорода;

- обеспечения стабилизации ступени вращением вокруг продольной оси

ЖРД третьей ступени EPS использует высококипящие КРТ монометилгидразин и азотный тетраксид и имеет возможность многократного запуска, по аналогии с российскими модификациями ЖРД С5.92 для разгонных блоков «Фрегат», «Бриз-М».

Ведутся разработки безгенераторного ЖРД «Vinchi» HM7-B-2 с циклом фазового перехода для ступени EPC (РКН «Ariane-5») на компонентах топлива кислород-водород по аналогичной схеме с ЖРД RL-10B-2 (США), ЖРД LB-5B-2 (Япония), который также будет обеспечивать возможность повторного запуска маршевого ЖРД [1-5]

Проведённые лётные экспериментальные спуски РКН подтвердили эффективность предложенного в ОмГТУ в конце 90-ых годов метода использования невырабатываемых остатков топлива для совершения манёвров ступенями РКН не только на криогенных, но и высококипящих КРТ [7]

Следует отметить, что реализация схемы ЖРД с циклом фазового перехода эффективна и применима только для ЖРД на криогенных КРТ кислород, водород, сжиженные природные газы, т.е. для КРТ с малой теплотой межфазового перехода, которую можно получить в рубашке охлаждения ЖРД.

Российские ЖРД таких РКН как «Зенит», семейство РКН «Союз-2»,, семейство РКН «Ангара» используют топливную пару кислород - керосин, что не позволяет реализовать схему с циклом фазового перехода т.к. теплота межфазового перехода керосина превышает сбрасываемое тепло от камеры сгорания ЖРД.

Кроме того, остатки керосина, который после выключения маршевого ЖРД, остаётся в баке горючего в жидком фазовом состоянии и неопределённых граничных условиях и для его газификации необходима дополнительная подача тепла для совершения фазового перехода 1-го рода (испарение).

Испарение остатков керосина в баке ступени ракеты в условиях микрогравитации представляет собой научно-техническую проблему, на решение которой и направлено предлагаемое исследование.

Проведённый предварительный обзор по информационно-патентному поиску показал наличие широкого класса промышленного использования фазового перехода 1-го рода для жидкостей. Имеется широкая номенклатура аппаратов химических производств, реализующих процессы испарения, выпаривания.