СПОСОБ МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ ТЕПЛО- И МАССООБМЕНА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ ЭЛЕМЕНТА КОНСТРУКЦИИ ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ
METHOD OF MODELLING HEAT AND MASS EXCHANGE PROCESSES WITH ENVIRONMENT OF AIRCRAFT CONSTRUCTION ELEMENT AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к ракетно-космической технике и может быть использовано при проведении физического моделирования процессов тепло- и массообмена при нагреве элемента конструкции летательного аппарата (ЭКЛА) на основе подачи теплоты с использованием различных механизмов ее передачи, например, конвективный теплообмен с использованием теплоносителя (ТН) в виде горячих газов, кондуктивный теплообмен, например, с помощью пиротехнических составов (ПС), электрических нагревателей, лучевой теплообмен, например, лазерное или акустическое воздействие и т.д. с осуществлением условий, реализующихся при движении ЭКЛА на атмосферном участке траектории (давление, набегающий аэродинамический поток, состав атмосферы).
Известен способ моделирования процесса тепло- и массообмена, с окружающей средой, например, при газификации топлива 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 по патенту РФ МПК F02K 9/96 №2493414, основанный на введении в экспериментальную модельную установку (ЭМУ) 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 различных процессов тепло- и массообмена ЭКЛА с окружающей средой при пониженном давлении, т.к. по прототипу рассматривается только конвективный механизм тепло- и массообмена (воздействие потока горячего газа в виде ТН) при наличии модельной жидкости, располагаемой на элементе поверхности ЭМУ.
Техническим результатом предлагаемого технического решения является расширение границы применимости известного способа для исследования различных механизмов процесса тепло- и массообмена ЭКЛА с окружающей средой при его движении в различных диапазонах высот и скоростей.
Указанный технический результат достигается тем, что в известном способе по моделированию процесса тепло- и массообмена с окружающей средой, основанном на введении в ЭМУ потока газа, обеспечения условий взаимодействия потока газа в зоне контакта с ЭКЛА, измерению температуры, давления, скорости, вводят следующие действия:
а) подают дополнительное количество теплоты путем сжигания ПС, закрепленной на ЭКЛА, а параметры потока газа (скорость, состав газов, температуру, направление обдува ЭКЛА), давление и состав газа в экспериментальной модельной установке выбирают в соответствии с параметрами атмосферы на текущей высоте при движении ЭКЛА;
б) обеспечивают начальную температуру ЭКЛА, соответствующую фактической температуре ЭКЛА на исследуемой высоте (до 300°С), например, электронагревателем;
в) в зону нагрева ЭКЛА дополнительно подают энергию в виде акустического и лазерного воздействий, параметры которых (амплитуду, частоту) определяют из условия повышения эффективности нагрева ЭКЛА.
Устройство для реализации способа, включающее в свой состав экспериментальную установку в виде замкнутого объема для создания пониженного абсолютного давления, ЭМУ, содержащую систему фиксации ЭКЛА, датчики температуры, давления, входной и выходной патрубки, газоанализатор для определения процентного содержания газов на входе и выходе, дополнительно введены:
а) электрический подогреватель ЭКЛА;
б) система поворота ЭКЛА, относительно потока газа, с закрепленной ПС и системой зажигания;
в) система подготовки потока газа;
г) акустический и лазерный излучатели;
д) скоростная видеокамера.
Реализация предлагаемого решения.
Параметры газового потока, соответствующего исследуемой высоте (химический состав, плотность, температура, скорость натекания, направление), обеспечиваются соответствующей системой подготовки газового потока.
Электрический подогреватель имитирует начальный нагрев (или уменьшение температуры) ЭКЛА, который он получает при движении в окружающей среде на текущей высоте, на которой исследуются параметры системы ЭКЛА + ПС + воздействие атмосферы. Например, начальная температура на старте соответствует температуре окружающей среде, в процессе активного участка траектории выведения различные ЭКЛА могут нагреваться до 300°С и выше, после отделения от ракеты-носителя, в зависимости от параметров движения в атмосфере эта температура, например, для створок головного обтекателя снижается из-за их «порхающего» характера полета.
Подача дополнительной энергии в виде оптического (лазерного) или акустического/ультразвукового (в различной форме, например, путем использования газоструйного воздействия или непосредственного ультразвукового воздействия на ЭКЛА), а также их совместного воздействия приводит к изменению коэффициентов теплопроводности, скорости горения и т.д., что и является одним из предметов исследования.
Сущность предлагаемого способа и устройства для его реализации поясняется чертежом, где на фиг. 1 изображена пневматическая схема ЭМУ для моделирования процесса тепло- и массообмена ЭКЛА с окружающей средой.
1. ЭМУ 1 с находящейся на подложке ЭКЛА 2, фиксированной на системе поворота 3 относительно потока газа, имеющей электрический подогреватель 4 с закрепленной ПС 5 и системой зажигания, соединена через гермоввод 6 с системой подготовки потока газа 7, акустическим излучателем 8, сопловым подводом газа 9 и лазерным излучателем 10. Температуру нагрева ЭКЛА 2 контролируют датчиком 11.
2. Система подготовки потока газа 7 подготавливает газовый поток с заданными физико-химическими характеристиками. Газы из газовых баллонов 12-14 (12 - газовый баллон с газообразным азотом, 13 - газовый баллон с газообразным кислородом, 14 - газовый баллон с газообразным аргоном) подаются в коллектор 15 для смешивания в соответствующей концентрации для каждой высоты, путем открытия вентилей 16-18 и электропневмоклапанов 19-21. Давление и массовый расход газов, поступающих из баллонов 12-14, задаются редукторами 22-24 и клапанами 25-27. Полученный газовый поток нагревают теплоэлектронагревателем 28 до заданной температуры и подают через гермоввод 6 в ЭМУ 1.
3. Газовый поток воздействует на ЭКЛА 2 и ПС 5, при этом фиксируются параметры датчиком 11 и регистрируются скоростной видеокамерой 29. Газ из ЭМУ 1 утилизируется через предохранительный клапан 30 и газоанализатор 31. Параметры газа в ЭМУ 1 контролируются датчиками давления и температуры 32.
вк
вк
4. С помощью вакуумного насоса 33 создают давление Р в вакуумной камере 34 в диапазоне (1,0-0,01) атм, контролируемое датчиками 35. Величина исходного давления Р варьируется в соответствии с программой экспериментов.
Эффект предлагаемого способа и устройства для его осуществления заключается в возможности проведения физического моделирования процессов тепло- и массообмена при нагреве ЭКЛА, движущегося на атмосферном участке траектории, на основе подачи теплоты с использованием различных механизмов ее передачи: конвективный теплообмен с использованием ТН в виде горячих газов, кондуктивный теплообмен с использованием ПС, лучевой теплообмен с использованием лазерного или акустического/ультразвукового, а также их совместного воздействия.