СПОСОБ МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССА ГАЗИФИКАЦИИ ЖИДКОГО РАКЕТНОГО ТОПЛИВА В БАКЕ РАКЕТЫ-НОСИТЕЛЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ
METHOD OF MODELLING OF PROCESS OF GASIFICATION OF LIQUID ROCKET FUEL IN TANK OF CARRIER-ROCKET AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

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.