СПОСОБ МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССА ГАЗИФИКАЦИИ ОСТАТКОВ ЖИДКОГО РАКЕТНОГО ТОПЛИВА В БАКАХ ОТДЕЛЯЮЩЕЙСЯ ЧАСТИ СТУПЕНИ РАКЕТЫ-НОСИТЕЛЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ
SIMULATION METHOD OF GASIFICATION PROCESS OF LIQUID ROCKET FUEL RESIDUES IN TANKS OF DETACHABLE PART OF LAUNCH-VEHICLE STAGE, AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к ракетно-космической технике и может быть использовано при проведении физического моделирования процессов газификации остатков жидкого топлива в баках отделяющихся частей (ОЧ) ступени ракет-носителей (РН) в условиях малой гравитации с использованием экспериментальных модельных установок в земных условиях, а также и при натурных пусках РН с системами газификации.
Известен газификатор топлива, защищенный патентом РФ на изобретение №2070655, МПК F02M 31/00, содержащий карбюратор, испаритель, тепловую трубу, снабженную дополнительным электрическим нагревателем и устройство для подачи воды на испаритель.
Газификатор предназначен для приготовления газифицированной топливно-воздушной смеси для питания двигателей внутреннего сгорания из жидкого топлива, что близко к пневмогидравлической системе топливного бака жидкостной ракетной двигательной установки. Газификация происходит за счет локального нагрева и испарения топлива, распыляемого в диффузоре карбюратора за счет тепла выхлопных газов, подводимых к испарителю от выхлопного коллектора двигателя тепловой трубой с встроенным электрическим нагревателем.
Однако данное устройство, реализующее способ моделирования остатков компонентов ракетного топлива (КРТ) в баках ОЧ, имеет ограниченные функциональные возможности применительно к ракетно-космической технике.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу является способ моделирования процесса газификации (термохимического обезвреживания), описанный 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.
Способ включает моделирование поступления в газовую фазу окислителя (с заданными параметрами в виде струи из форсунки: формы и степени распыления, длины струи, перепада давления на форсунке), обеспечение условий взаимодействия в зоне контакта струи с поверхностью горючего.
Непосредственное использование этого способа, основанного на получении теплоносителя (ТН) путем использование термохимической реакции взаимодействия самовоспламеняющихся КРТ, которые, как правило, токсичны, для термодинамического (а не термохимического процесса) процесса газификации других КРТ, например керосина, возможно, однако, регулирование процесса зажигания смеси, управление процессом получения заданного количества тепла для газификации жидкости, практически затруднено. Это ограничивает универсальность этого способа для моделирования процесса газификации остатков жидкого КРТ, в том числе и для учебных заведений при исследовании процессов газификации различных жидкостей, т.к. требует дорогостоящего оборудования, специализированных стендов и аттестованного персонала для работы с взрывоопасными, токсичными КРТ.
Для осуществления способа устройство содержит экспериментальную установку (ЭУ) в виде модельного бака, который состоит из обечайки сферического днища, поддона с двумя вваренными стаканами, температурные датчики, заправочно-сливную арматуру, датчики давления, дренажный трубопровод, расходомер, весоизмерительное устройство, утилизатор, газоанализатор, основанный на использовании катализатора.
Непосредственное использование этого устройства в учебных заведениях при исследовании термодинамического (а не термохимического процесса) процесса газификации возможно, но регулирование процесса зажигания смеси и управление процессом получения заданного количества ТН практически затруднено, т.к. требует дорогостоящего оборудования, специализированных стендов и аттестованного персонала для работы с взрывоопасными и токсичными КРТ.
Заявленное техническое решение направлено на решение задачи моделирования термодинамического процесса газификации остатков жидкого ракетного топлива в баках ОЧ ступени РН, для учебных целей и проведение научных исследований, повышение экономичности и упрощение данного способа.
Указанный технический результат достигается за счет того, что в способе моделирования процесса газификации остатков жидкого КРТ в баках ОЧ ступени РН, основанном на введении в ЭУ газовой струи с заданными параметрами, обеспечении заданных условий взаимодействия в зоне контакта газовой струи с поверхностью жидкого газифицируемого КРТ, проведении измерений температуры, давления в различных точках бака, согласно заявляемому изобретения, моделирование осуществляют путем введения теплоносителя (ТН) в ЭУ с жидким КРТ, осуществляют выбор оптимальных параметров подаваемого ТН - температура, массовый секундный расход, угол входа в ЭУ относительно продольной оси ЭУ, давление внутри ЭУ определяют из условия минимума критерия, например, энергомассовые затраты, количество теплоты, поданной в ЭУ для газификации заданного количества жидкости, время газификации заданного количества жидкости, а остатки газифицируемого КРТ размещают на поддоне, установленном под углом α к плоскости местного горизонта, который обеспечивают путем наклона ЭУ на соответствующий угол, определяемый из условия удержания капли максимальной массы набегающим газовым потоком, выявляют действия сил, проявляющихся в условиях, близких к реальному полету, причем результирующую силу, действующую на каплю жидкости, находящуюся на поддоне, моделируют путем уравновешивания проекции силы земного тяготения, действующую на каплю модельной жидкости, аэродинамической силой набегающего потока ТН, а тепловую энергию, находящуюся в газифицированных продуктах, после их выхода из ЭУ утилизируют посредством теплообменника для предварительного нагрева ТН.
В качестве жидкости, моделирующей остатки КРТ, используют воду, а в качестве ТН - воздух.
В качестве жидкости, моделирующей остатки КРТ, используют керосин, а в качестве ТН - пары воды.
В качестве жидкости, моделирующей остатки КРТ, используют керосин, а в качестве ТН - воздух.
В качестве жидкости, моделирующей остатки КРТ, используют ацетон, а в качестве ТН - воздух.
В качестве жидкости, моделирующей остатки КРТ, используют спиртовую смесь, а в качестве ТН - воздух.
Приведенные модельные и реальные (керосин) жидкости и ТН позволяют проводить значительный объем экспериментов, не привлекая сложных установок для обезвреживания продуктов газификации.
Технический результат в части устройства достигается также за счет того, что в устройство для моделирования газификации остатков жидкого КРТ в баках ОЧ ступени РН, включающее в свой состав ЭУ, содержащую поддон для жидкого КРТ, систему подачи газового потока, датчики температуры, давления и расхода, дренажный трубопровод с дренажно-предохранительным клапаном, утилизатор, газоанализатор, дополнительно введены компрессор, ресивер, теплоэлектронагреватель, теплообменник, последовательно соединенные с помощью арматуры с теплоизолирующим покрытием.
При этом ЭУ выполнена в виде прямоугольного параллелепипеда. Большие боковые стенки ЭУ выполнены из прозрачного стекла, на основании ЭУ через тепловые изоляторы установлен съемный поддон с элементами силового набора, изготовленный из материала, аналогичному материалу бака топливного отсека ОЧ. Три входных патрубка газового потока размещены на малой боковой стенке, с углами ввода 0°, 30° и 45° соответственно относительно основания ЭУ и ориентированы на съемный поддон. Выходной патрубок газифицированных продуктов расположен в верхней части противоположной стенки ЭУ.
Сущность технического решения поясняется чертежами, где
на фиг.1 изображена пневматическая схема экспериментального стенда,
на фиг.2 изображена схема наклона ЭУ под углом α,
на фиг.3 изображена ЭУ,
на фиг.4 изображена схема уравновешивания сил при обезвешивании газифицируемой жидкости.
Предложенный способ моделирования процессов газификации осуществляется следующим образом.
Непосредственно перед проведением эксперимента проводят предварительную подготовку, заключающуюся в следующем: выбирают ТН с определенными заданными параметрами, а именно температура, давление, расход, угол ввода и скорость на входе в ЭУ. Параметры ТН определяют с учетом минимума критериев: энергомассовые затраты, количество теплоты, поданной в ЭУ для газификации заданного количества жидкости, время газификации заданного количества жидкости. Выбирают жидкость, моделирующую реальный КРТ, руководствуясь теорией подобия. Подобие процессов тепло- и массобмена можно частично обеспечить, подбирая модельную жидкость, параметры ТН и характеристический размер; например, газифицируя воду можно с некоторой погрешностью смоделировать газификацию азотной кислоты, так как ее критериальные значения в той или иной степени схожи со значениями критериев воды, газифицируя этанол можно смоделировать газификацию азотного тетроксида. Количество модельной жидкости выбирают из условия минимума критерия, например: энергомассовые затраты, количество теплоты, поданной в ЭУ для газификации заданного количества жидкости, время газификации заданного количества жидкости.
В ЭУ (1) вводят струю ТН с заданными параметрами, определенными заранее. Для это производят запуск экспериментального стенда (фиг.1). Предварительно закрываются все вентили (7, 11, 16-18), кроме вентилей 8 и 10, и включаются все электроприборы и оборудование, ТН (воздух) нагнетается компрессором 3. Через вентили 8 и 10 воздух заполняет ресивер, состоящий из двух баллонов 2.
После достижения в ресивере 2 определенного давления (до 10-16 атм), измеряемого с помощью манометра 9, открываются последовательно вентили 7 и 11 и ТН попадает во влагоотделитель 12, на котором установлен манометр. По нему устанавливается рабочее давление, которое определяется задачами и условиями проведения данного эксперимента, но не превышает 16 атм. Далее проходя через систему фильтрации 13, которая представляет собой блок фильтров, и предохранительный пневмоклапан 14, ТН достигает расходомера 15, который состоит из регулятора расхода и датчика расхода.
С помощью расходомера задается расход ТН, который также определяется задачами и условиями проведения эксперимента. Далее ТН поступает в нагреватель 4, который регулируется с помощью трансформатора 25.
В нагревателе ТН достигает заранее заданной температуры. Для обеспечения достижения заданной температуры открывают вентиль 16 и сбрасывают ТН через теплообменник и открытый вентиль 17 в выхлопной патрубок (утилизатор).
После того как ТН достигнет заданной температуры, закрывается вентиль 16 и открывается вентиль 18. ТН поступает в ЭУ, датчиками температуры 21 и давления 22 контролируются выходные параметры газифицированной жидкости.
Остатки газифицируемого КРТ размещают на поддоне, установленном под углом α к плоскости местного горизонта (фиг.2), путем наклона ЭУ на соответствующий угол. ТН, проходя через всю систему подготовки, достигает одного из входных патрубков 27 (фиг.3). ТН напрямую попадает на поддон 29. Он в свою очередь установлен на четырех ножках 31, которые представляют собой тепловой мост. Установка поддона на тепловые изоляторы обеспечивает возможность изучения теплового режима двухстороннего обтекания элементов конструкции внутрибаковых устройств. ТН поступает к зеркалу жидкости (капле) 30, тем самым осуществляется процесс газификации. Газифицированная пары утилизируются через отверстие 29. Для слива остатков жидкости предусмотрено технологическое отверстие 32.
Предохранительный пневмоклапан 23 обеспечивает надежность систем ЭУ (по величине избыточного давления). По выхлопному трубопроводу газифицированные продукты, проходя через теплообменник, поступает в утилизатор.
Силы, действующие на каплю жидкости, находящуюся поддоне, моделируют путем уравновешивания проекции силы земного тяготения, аэродинамической силой набегающего потока газа, а межмолекулярные силы (адгезии, когезии и поверхностного натяжения) обеспечивают выбором конкретной модельной жидкости и характеристик материала поддона (фиг.4).
В соответствии с материалами, приведенными на стр.276 кн.2 [Основы теории и расчета жидкостных ракетных двигателей: учеб. для авиац. спец. вузов: кн.2 / А.П.Васильев и др./Под ред. В.М.Кудрявцева. - 4-изд. перераб. и доп. - М.: Высш. шк., 1993] поведение жидкости в условиях невесомости отличается от поведения жидкости при воздействии гравитации, т.к. при отсутствии или малом влиянии гравитации поведение жидкости в топливных баках определяется межмолекулярными силами.
Таким образом, специфику поведения жидкости при малых гравитационных полях можно определить как поведение в условиях, при которых влияние межмолекулярных сил становиться преобладающим.
Отсюда предлагается основная идея моделирования процесса, происходящего в ЭУ - компенсировать силу тяготения, действующую на каплю модельной жидкости, находящейся на наклонной поверхности, набегающей силой аэродинамического потока ТН.
Очевидно, что уравновешивание сил - не есть создание невесомости, но при этом создаются условия выявления действия межмолекулярных сил, возможности исследовать характеристики процесса газификации при различных параметрах газового потока (состав, температура, углы ввода и т.д.).
Тепловую энергию, находящуюся в газифицированных продуктах, после выхода их из ЭУ, утилизируют посредством теплообменника, для снижения затрат на подготовку ТН. Для этого определяют состав газифицированных продуктов, выходящих из ЭУ, и при достижении предельно допустимой концентрации токсичных веществ их обезвреживают, например, в факеле или катализаторе. Состав газифицированных продуктов определяют расчетным путем в процессе проведения эксперимента, используя измерения, получаемые на экспериментальном стенде.
В процессе проведения эксперимента варьируемыми параметрами являются:
TH
- секундный объемный расход газового потока ТН (V),
TH
- температура ТН (T),
k
- углы ввода ТН относительно горизонтальной поверхности бака (β),
ж
- различные массы жидкостей и их граничные размещения в ЭУ (m).
Измеряются:
TH
- секундный объемный расход ТН (V),
TH
- температура ТН (T),
- температура газифицированных продуктов ,
- температуры в различных i-х точках ЭУ ,
k
- угол наклона ввода ТН (β),
газиф
- время полной газификации жидкости (t),
ЭММУ
- давление внутри ЭУ (p),
Рассчитываются:
а) текущие теплофизические величины на основании текущих измерений и известных констант:
ТН
- энтальпия ТН (i),
ГП
- энтальпия газифицированных продуктов (i),
ТН
- газовая постоянная газифицированных продуктов R,
ГП
- показатель адиабаты газифицированных продуктов (n),
ТН
- массовый секундный расход ТН (m).
б) текущее количество теплоты, поступающей в ЭУ
в) энергомассовые затраты на обеспечение газификации заданного количества жидкости, например затраченное количество киловатт-часов на работу компрессора и теплового электрического нагревателя - W, использованная масса ТН - .
Преимущество предлагаемых способа и устройства заключается в следующем: позволяет решить задачи моделирования термодинамического процесса газификации остатков жидкого ракетного топлива в баках ОЧ ступени РН, повышает экономичность, а также упрощает проведение экспериментов в условиях ВУЗа за счет внедрения модельных жидкостей, позволяющих исключить элементы токсичных КРТ. Также введены дополнительные элементы, направленные на расширение экспериментальных возможностей установки, в том числе возможности визуального определения времени полной газификации жидкости, подобия конструкционного материала реальному.