СПОСОБ СНИЖЕНИЯ ВОЗДЕЙСТВИЯ ПАРАМЕТРОВ УДАРНОЙ ВОЛНЫ И СМЕШАННОГО ПАРОГАЗОВОГО ПОТОКА В КАМЕРЕ ЛОКАЛИЗАЦИИ, ОХЛАЖДЕНИЯ И НЕЙТРАЛИЗАЦИИ И ГАЗОПРИЕМНИКЕ, ВКЛЮЧАЮЩЕМ ГАЗОХОД, ПРИ ЛИКВИДАЦИИ ЗАРЯДА РАКЕТНОГО ДВИГАТЕЛЯ НА ТВЕРДОМ ТОПЛИВЕ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD TO REDUCE EFFECTS OF SHOCK WAVE AND MIXED STEAM-GAS FLOW PARAMETRES IN LOCALISATION, COOLING AND NEUTRALISATION CHAMBER AND GAS INTAKE INCORPORATING GAS DUCT IN LIQUIDATING ROCKET SOLID-PROPELLANT CHARGE AND DEVICE TO THIS END

Способ снижения воздействия параметров ударной волны и смешанного парогазового потока в камере локализации, охлаждения и нейтрализации и газоприемнике, включающем газоход при ликвидации заряда ракетного двигателя на твердом топливе и устройство для его осуществления.
Изобретения относятся к ракетной технике, а именно - к ликвидации заряда ракетного двигателя на твердом топливе на стенде, оборудованном камерой локализации, охлаждения и нейтрализации продуктов сгорания (КЛОН) и газоприемником, включающим газоход.
Основной целью предлагаемого способа и устройства является снижение воздействия параметров ударной волны (избыточного давления на фронте и в отраженной ударной волне), образованной во время движения смешанного парогазового потока в полузамкнутом пространстве секций КЛОН и газоприемнике, включающем газоход, а также повышение условий технологической и экологической безопасности при использовании метода ликвидации крупногабаритного заряда ракетного двигателя на твердом топливе (РДТТ) на специализированных стендах.
Известен «Способ контроля и управления тепловыми режимами истечения продуктов сгорания в камере локализации и охлаждения продуктов сгорания при ликвидации заряда ракетного двигателя на твердом топливе и устройство для его осуществления». Патент №2309280 по заявке №2005127707.
Известен «Испытательный комплекс для твердотопливных двигателей», где представлены основные элементы стенда, включающего газоход и газоприемник (установка для осушения газов). Статья, авт. В Пауков, «Зарубежное военное обозрение» №10, 2001, с.37-41.
Материалы, изложенные в патенте №№2309280 МПК F02К 9/24 по заявке 05.09. 2005 от 27.10.07., и статье: «Испытательный комплекс…» взяты в качестве прототипа на способ и устройство.
К недостаткам следует отнести следующее:
- отсутствует способ и устройство для снижения воздействия ударной волны во время движения смешанного парогазового потока в полузамкнутом пространстве КЛОН и газоприемнике, включающем газоход;
- отсутствует способ охлаждения смешанного парогазового потока до требуемой температуры с целью обеспечения эффективного растворения газообразного хлористого водорода (НСl) хладагентом;
- в газоприемнике отсутствует устройство для снижения первоначальных параметров ударной волны.
Технической задачей заявленного изобретения является повышение технологической и экологической безопасности при ликвидации крупногабаритного заряда ракетного двигателя на твердом топливе на специализированном стенде, оборудованном секциями КЛОН и газоприемником, включающем газоход, которые состоят из цилиндрических секций, скрепленных между собой фланцевыми соединениями - где производится локализация, охлаждение и нейтрализация продуктов сгорания путем орошения хладагентом: водой или нейтрализующим раствором из форсунок, встроенных в каждой секции КЛОН. В результате этого в полузамкнутом пространстве секций образуется смешанный парогазовый поток, который далее поступает по газоходу в газоприемник.
Смешанный парогазовый поток, образованный в результате охлаждения продуктов сгорания ликвидируемого заряда ракетного двигателя на стенде, оборудованном секциями КЛОН, представляет собой высокоскоростную, высокотемпературную парогазовую смесь с агрессивной средой, движущейся в дозвуковом режиме (от 50 ~ до 300 м/с в зависимости от ликвидируемого заряда).
В результате движения смешанного парогазового потока в полузамкнутом пространстве секций КЛОН на фронте образуется ударная волна.
Скорость, соответственно и избыточное давление на фронте ударной волны зависит от скорости движения смешанного парогазового потока в полузамкнутом пространстве секций КЛОН, чем выше скорость смешанного парогазового потока, тем выше скорость ударной волны и соответственно избыточное давление.
По причине разности скоростей ударной волны и смешанного парогазового потока (примерно в 6-8 раз в зависимости от ликвидируемого заряда РДТТ) в конце секций КЛОН и газоходе происходит отрыв ударной волны от смешанного потока продуктов сгорания.
При использовании одного отсека газоприемника (без охлаждения) происходит торможение смешанного парогазового потока из-за образования ударной и отраженной волны в газоприемнике, включающем газоход системы, что вызывает местное (фронтальное) повышение давления в газоходе и может привести (в случае превышения прочностных характеристик) к разрушению элементов конструкции газохода и секций КЛОН.
Экспериментально (при ликвидации натурных РДТТ) на стенде, оборудованном секциями КЛОН ФГУП «НИИПМ», проводилось измерение температуры по всей длине тракта секций КЛОН, газохода, при этом установлено, что температура смешанного парогазового потока находится в пределах 100°С и выше. При таких высоких температурах растворение (нейтрализация) одного из вредных компонентов продуктов сгорания (например, газообразного хлористого водорода НСl) происходит с низкой эффективностью. Снижение температуры продуктов сгорания путем повышения количества воды небезопасно, так как затрудняется процесс преодоления продуктами сгорания воздушно-водяной завесы, создаваемой в секциях КЛОН, что может привести к торможению потока и повышению внутреннего давления.
Для обеспечения свободного истечения смешанного парогазового потока в секциях КЛОН и газоприемнике, включающем газоход и устранения вероятности столкновения ударной и смешанного парогазового потока продуктов сгорания в газоходе, а также для решения задач экологической безопасности (эффективного растворения газообразного хлористого водорода НСl в воде), необходимо:
- создание дополнительного объема для осуществления безопасного накопления продуктов сгорания в замкнутом пространстве газоприемника;
- создание условий для снижения воздействия ударной волны, образованной в результате истечения смешанного парогазового потока в замкнутом пространстве секций КЛОН и газоприемнике, включающем газоход;
- охлаждение смешанного парогазового потока до температуры не более 60°C с целью повышения эффективности растворения газообразного хлористого водорода (НСl).
Данная задача решается путем:
- использования газоприемника, состоящего из двух отсеков, соединенных между собой проемом и образующих лабиринт для торможения и снижения первоначальных параметров ударной волны и смешанного парогазового потока;
- дополнительного охлаждения смешанного парогазового потока путем орошения его хладагентом в двух отсеках газоприемника через распределительные кольцевые коллекторы и распыливающие форсунки.
Использование двух орошаемых отсеков газоприемника позволяет:
- создать дополнительный объем для накопления смешанного парогазового потока;
- охладить смешанный парогазовый поток до температуры не более 60°С;
- создать условия торможения смешанного парогазового потока за счет его прохождения через лабиринт газоприемника и его охлаждения;
- исключить возникновение условий по давлению, превышающих прочностные характеристики элементов конструкций секций КЛОН и газоприемника, включающего газоход путем снижения первоначальных параметров ударной волны и образования отраженной волны.
В этом случае ударная волна и смешанный парогазовый поток проходят по газоходу, далее отражаясь по касательной внутренней поверхности первого отсека газоприемника, направляются через проем во второй отсек газоприемника, где тормозятся за счет прохождения внутреннего лабиринта отсеков газоприемника (повышение технологической безопасности).
Дополнительно смешанный парогазовый поток подвергается вторичному охлаждению путем орошения его хладагентом: водой или нейтрализующим раствором из распределительных кольцевых коллекторов с распыливающими форсунками до температуры не более 60°С - это условие необходимо для эффективного растворения газообразного хлористого водорода (НСl) в воде (повышение экологической безопасности).
Вторичное охлаждение смешанного парогазового потока также способствует снижению скорости движения и первоначальных параметров ударной волны (скорости движения, избыточного давления на фронте).
Технический результат способа заключается в том, что:
1. В отличие от прототипа используют газоприемник, включающий два отсека, соединенные между собой проемом и образующие лабиринт, причем при прохождении ударной волны и смешанного парогазового потока через газоприемник осуществляют дополнительное охлаждение смешанного парогазового потока хладагентом: водой или нейтрализующим раствором через распределительный кольцевой коллектор с распыливающими форсунками до температуры не более 60°С.
2. Газоприемник, включающий газоход и систему водоподготовки, он дополнительно включает два отсека, соединенные между собой проемом, составляющим 1/4 часть длины окружности отсека, и для улучшения условий вхождения смешанного парогазового потока продуктов сгорания во второй отсек газоприемника он развернут на 110÷120° относительно оси газохода, а суммарный внутренний объем полузамкнутого пространства двух отсеков газоприемника превышает объем образованных продуктов сгорания ликвидируемого заряда ракетного двигателя на твердом топливе в 3-5 раз.
3. В газоприемнике система водоподготовки включает газгольдер, емкость для накопления и приготовления хладагента: воды или нейтрализующего раствора, два распределительных кольцевых коллектора и распыливающие форсунки, установленные в верхней части двух отсеков газоприемника на равном удалении друг от друга.
Сущность изобретений заключается в создании условий, обеспечивающих технологическую и экологическую безопасность при ликвидации крупногабаритного заряда на специализированном стенде, оборудованном секциями КЛОН, газоходом и газоприемником.
Изобретения поясняются схемами:
Выбор угла разворота газоприемника на 110÷120° относительно оси газохода и суммарный, внутренний объем полузамкнутого пространства двух отсеков, превышающий объем образованных продуктов сгорания ликвидируемого заряда ракетного двигателя на твердом топливе в 3÷5 раз, обусловлен следующими условиями:
Первое: Из теории гидравлики известно, что при повороте потока в замкнутом трубопроводе на 90° - давление истечения потока (в этом месте) увеличивается в два раза, а из теории ударных волн - отраженная ударная волна превышает первоначальную волну примерно в восемь раз.
Второе: Экспериментально установлено, что при истечении смешанного парогазового потока по прямой в полузамкнутом пространстве секций КЛОН и газохода происходит увеличение скорости ударной волны, что может привести к повышению давления на фронте ударной волны и к разрушению газоприемника.
Следовательно, наиболее жесткими условиями истечения смешанного парогазового потока продуктов сгорания и ударной волны в полузамкнутом пространстве секций КЛОН и газоприемнике, включающем газоход, являются поворот на 90° и истечение по прямой.
Наиболее оптимальный угол из этих двух условий является поворот газоприемника на 135°, однако при ликвидации различных двигателей на твердом топливе (от 4 т до 50 т) с различным расходом топлива, а также шириной локализованного факела пламени (от 2 м до 6 м) необходимо учитывать условия торможения смешанного парогазового потока и образованной ударной волны.
Эти условия торможения смешанного парогазового потока продуктов сгорания и ударной волны осуществляют путем использования цилиндрической конструкции газоприемника (плавный поворот потока по окружности), а также геометрических размеров газоприемника и соединительного проема (1/4 части длины окружности) между двумя отсеками для образования лабиринта с учетом ширины образованного смешанного парогазового потока продуктов сгорания, угол должен быть более 90° и менее 135°, то есть в пределах 110÷120°.
Газоприемник предназначен для приема смешанного парогазового потока продуктов сгорания и его разделения на газообразную и конденсированную фазы, при этом внутренний объем полузамкнутого пространства двух отсеков газоприемника должен обеспечивать свободное истечение и прием образованного смешанного парогазового потока, состоящего из продуктов сгорания, пара и воды (или нейтрализующего раствора).
Количество (или объем) образованного смешанного парогазового потока зависит от массы ликвидируемого заряда. Чем больше масса заряда, тем большее количество воды необходимо для локализации и охлаждения факела пламени. При этом средний объем смешанного парогазового потока (установлено экспериментально) увеличивается примерно в 3÷5 раза.
Таким образом, наиболее оптимальный угол разворота газоприемника должен быть в пределах 110÷120°, обеспечивающий как торможение потока, так и наиболее безопасные условия его истечение, а общий объем газоприемника должен превышать объем образованных продуктов сгорания ликвидируемого заряда ракетного двигателя на твердом топливе в 3÷5 раза.
На фиг.1 схематически показан специализированный стенд, оборудованный секциями КЛОН и газоприемником, включающим газоход, где: 1 - опорная стена, 2 - РДТТ, 3 - секции КЛОН, 4 - распределительный коллектор для подачи хладагента (воды или нейтрализующего раствора) в секции КЛОН, 5 - газгольдеры для обеспечения требуемого давления в системе водоснабжения секций КЛОН, 6 - газоход, 7 - газоприемник, состоящий из двух отсеков и образующих лабиринт для снижения параметров ударной волны и торможения движения смешанного парогазового потока, 8 - газоходы для выброса газовой фазы после полной нейтрализации продуктов сгорания, 9 - газгольдер для обеспечения требуемого давления подачи хладагента (воды) или нейтрализующего раствора в отсеки газоприемника, 10 - емкость для хранения (приготовления) хладагента, 11 - распределительный кольцевой коллектор с распыливающими форсунками для подачи воды или нейтрализующего раствора в отсеки газоприемника.
На фиг.2 показана условная схема протекания процесса истечения смешанного парогазового потока продуктов сгорания в секциях КЛОН и газоприемнике, включающем газоход, где:
12 - факел пламени; 13 - смешанный парогазовый поток продуктов сгорания; 14 - выход газовой фазы продуктов сгорания; 15 - орошение смешанного парогазового потока продуктов сгорания в отсеках газоприемника; 16 - сбор конденсированной фазы смешанного парогазового потока продуктов сгорания.
На фиг.3 показана схема торможения смешанного парогазового потока продуктов сгорания в лабиринте двух отсеков газоприемника, где:
17 - торможение смешанного парогазового потока продуктов сгорания в лабиринте газоприемника; 18 - проем для входа смешанного парогазового потока во второй отсек газоприемника; 19 - угол разворота газоприемника относительно оси движения смешанного парогазового потока.
На фиг.4 показана схема охлаждения смешанного парогазового поток продуктов сгорания хладагентом (водой или нейтрализующим раствором) в двух отсеках газоприемника.
На фиг.5 приведена схема водообеспечения двух отсеков газоприемника, где:
20 - рапыливающие форсунки; 21 - электрозадвижки; 22 - трубопроводы от емкости для хранения (приготовления) хладагента.
На фиг.6 представлена зависимость растворения газообразного хлористого водорода (НСl) в воде от температуры, где видно, что эффективное растворение хлористого водорода происходит при температурах ниже 60°С.
На фиг.7 приведены экспериментальные данные по измерению температуры в секциях КЛОН при ликвидации натурного РДТТ, где:
23 - изменение температуры в зависимости от времени;
24 - температурный предел, ниже которого необходимо охлаждать смешанный парогазовый поток продуктов сгорания для достижения эффективных условий растворения газообразного хлористого водорода в воде.
Техническое решение в предлагаемом способе и устройстве реализуют следующим образом:
1. Устанавливают ликвидируемый заряд ракетного двигателя на твердом топливе (2).
2. Включают технологические системы стенда по подготовке ракетного двигателя (2) к ликвидации с использованием секций КЛОН (3), а именно подача хладагента: воды или нейтрализующего раствора в водоводы и распыливающим форсункам секций КЛОН (3) и газоприемника (7) для локализации, охлаждения и нейтрализации продуктов сгорания через системы водообеспечения и распределительные коллекторы (4) и (11).
3. Производят инициирование заряда ликвидируемого ракетного двигателя на твердом топливе (2).
4. Во время прохождения смешанного парогазового потока (13) по тракту секций КЛОН (3) и газохода (6) происходит образование ударной волны, которая первой поступает в газоприемник.
5. Далее ударная волна и смешанный парогазовый поток через проем (18) поступают во второй отсек газоприемника, где за счет торможения и дополнительного охлаждения происходит снижение параметров (скорости движения, давления) как в ударной волне, так и в смешанном парогазовом потоке (13).
6. За счет большего внутреннего объема двух отсеков газоприемника по сравнению с поступающим объемом продуктов сгорания происходит накопление смешанного парогазового потока (13) в газоприемнике, где осуществляется его разделение на конденсированную (16) и газовую (14) фазы.
7. После охлаждения и разделения смешанного парогазового потока продуктов сгорания осуществляют выброс газовой фазы через газоходы (8) в атмосферу.
8. Далее осуществляют очистку конденсированной фазы (16) по специальной технологии производства.