Особенности компоновки низкотемпературных пиротехнических газогенераторов для вытеснительных систем подачи топлива

Considers the issues of numerical modeling of two-phase flow of gas containing particles of condensed phase in preaproval energy installation. The results of the investigation of particle deposition at the flow reversal are presented.

Key words: two-phase flow, turbulence, particle deposition.

Arsentieva Marina Vladimirovna, candidate of technical sciences, docent, mars 100@mail. ru, Russia, Tula, Tula State University

УДК 662.161

ОСОБЕННОСТИ КОМПОНОВКИ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНЫХ ПИРОТЕХНИЧЕСКИХ ГАЗОГЕНЕРАТОРОВ ДЛЯ ВЫТЕСНИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ ПОДАЧИ ТОПЛИВА

А.Ю. Сараев, О.Ю. Антонов, И.В. Тартынов, С.Н. Вагонов, В. А. Никитин

Рассмотрены основные конструктивные схемы пиротехнических генераторов азота для вытеснительных систем подачи топлива жидкостных ракетных двигателей, а также условия, влияющие на их рабочие характеристики. Сформулированы требования, предъявляемые к низкотемпературным газогенераторам, определены направления конструирования и предложены компоновочные схемы, разработанные с учетом оптимизации массогабаритных характеристик.

Ключевые слова: низкотемпературные пиротехнические генераторы азота, вытеснительные системы подачи топлива, ЖРД.

Низкотемпературные пиротехнические газогенераторы (НПГГ) получили широкое распространение в качестве источников рабочего тела для заполнения различных функциональных полостей и оболочек в агрегатах ракетно-космической техники.

В НПГГ запас рабочего тела для генерации газа размещается непосредственно во внутреннем объеме газогенератора (ГГ), в исходном конденсированном состоянии. В результате, НПГГ обладают высоким коэффициентом массового совершенства, равным отношению массы конструкции к снаряженной массе топлива. Кроме того, НПГГ обеспечивают широкий диапазон регулирования расхода продуктов сгорания за счет возможности варьирования скоростью газогенерации [1]. Ввиду перечисленных преимуществ НПГГ широко применяются в вытеснительных системах подачи компонентов топлива жидкостных ракетных двигателей (ЖРД), в том числе, благодаря высокому массовому совершенству в ракетах класса «воздух-поверхность», предъявляющих высокие требования к этому показателю. Специфика работы в качестве генератора наддува баков, накладывает новые ограничения, такие как:

- низкая температура продуктов сгорания на выходе из ГГ (не выше 200 °С) и отсутствие в них конденсированных частиц;

80

- генерируемый газ не должен вступать в реакцию с компонентами топлива и оказывать воздействия на элементы конструкции баков и системы подачи компонентов.

Известные газогенерирующие топлива смесевого и баллиститного типа (пороха), имеют высокую температуру горения (1300 - 3500 К) и содержат в газообразных продуктах сгорания смолистые вещества, влагу, агрессивные окислы, горючие газы и т.п. В целях обеспечения требований по инертности, чистоте и низкого содержания к-фазы целесообразно использование составов на основе азида натрия. Их преимущество заключается в том, что при разложении с достаточно высоким выходом газообразных продуктов (40 - 60 % от массы состава) выделяется практически чистый (99 %) азот (N2) с температурой 750 - 1200 К. Таким газом можно заполнять топливные баки и различные емкости, не опасаясь химического взаимодействия.

Перечисленным требованиям удовлетворяют НПГГ, вырабатывающие монокомпонентное рабочее тело - азот. Температура генерируемого азота варьируется от 50 до 150 °С [2], а также достигается высокая чистота продуктов сгорания - содержание частиц со средним размером 1,74 мкм и среднеквадратическим отклонением 0,43 мкм, составляет от 0,3 % до 2 %.

Классификация НПГГ определяется диапазоном регулирования давления в наддуваемых баках и подразделяется на:

- пусковые (сверкритические);

- маршевые (докритические).

а - сверхкритический ГГ; б - докритический ГГ; 1 - воспламенитель; 2 - воспламенительный заряд; 3 - основной заряд; 4 - корпус; 5 - дросселирующее сопло; 6 - заднее днище; 7 - предохранительный клапан; 8 - мембрана; 9 - дополнительный заряд; 10 - переднее днище; 11 - теплозащитное покрытие

Основной особенностью докритического газогенератора (ГГ) является отсутствие дросселирующего сопла, т.е. генерируемый газ истекает сразу по мере сгорания заряда. В связи с этим разность давлений в ГГ и

81

баках Рг - Рб невелика, а значит и рабочее давление в камере докритиче-ского ГГ сравнительно небольшое, что позволяет добиться довольно низких массовых характеристик ГГ.

В отличие от докритического в сверхкритическом ГГ отношение давления подачи Рб к давлению в камере ГГ перед дросселирующим соплом Рг меньше или равно критическому:

к

Рб < V1 к—1

РГ V к +1)

Ввиду необходимости большого перепада давления РГ / РБ давление в сверхкритическом ГГ, как правило, доходит до 20...25 МПа, что приводит к значительному утяжелению ГГ. Кроме того, сверхкритические ГГ подвержены большей теплонапряженности в результате интенсификации теплообмена генерируемого газа с элементами конструкции. Такие ГГ характеризуются устойчивой работой, поскольку внутрикамерные процессы не зависят от параметров состояния внутри заполняемого объема. Сверхкритические ГГ чаще всего находят применение в качестве пусковых.

Пусковые ГГ призваны обеспечивать минимальное время выхода системы подачи на режим, т.е. время, в течение которого давление в баках достигает номинального давления подачи РБ. Оно зависит от свободного объема баков топлива и объемов подводящих газоходов.

Малое время работы обуславливает использование зарядов с небольшим сводом горения, и дегрессивным характером горения. Зависимость расхода газа, помимо параметров заряда, определяется объёмом внутренней полости ГГ и проходным сечением дросселирующего сопла. Для увеличения внутреннего объема и сглаживания пульсаций давления, при использовании набора зарядов сверхкритических ГГ, возможно применение ресиверной схемы, что ведёт к значительному утяжелению такой системы. Так же нужно отметить, что повышение давления во внутреннем объеме ГГ приводит не только к увеличению массы, интенсивности теплоотдачи его конструктивным элементам но и повышению скорости горения заряда.

Таким образом, для обеспечения равномерной подачи рабочего тела на протяжении всего времени работы ЖРД, в сверхкритическом ГГ при минимальной массе и объёме целесообразно использование заряда торцевого горения из медленногорящего состава с обеспечением относительно небольшого уровня рабочего давления в камере сгорания. Длина заряда в таком случае определяется требуемым временем работы ГГ.

В целях снижения температуры наружных поверхностей ГГ ввиду их продолжительной работы, применяют теплозащитные покрытия, что усложняет процесс производства ГГ. Поэтому предложено использовать конструктивную схему с изоляцией камеры сгорания, путём её коаксиального расположения внутри блока охлаждения.

82

Конструктивная схема маршевого ГГ для наддува топливных баков ЖРД класса «воздух-поверхность», с учетом вышеизложенных особенностей, представлена на рис. 2. Стрелками показаны направления газовых потоков во внутренних полостях ГГ.

Рис. 2. Конструктивная схема маршевого сверхкритического ГГ наддува топливных баков: 1 - электровоспламенитель; 2 - воспламенительная таблетка; 3 - основной заряд;

4 - фильтр-охладитель; 5 - фильтр тонкой очистки; 6 - мембрана;

7 - дросселирующее сопло

Поскольку длина заряда ограничена технологическими возможностями производства, а также габаритами свободного пространства под размещение НТГГ в теле ракеты, количество таких ГГ, образующих блок, определяется исходя из времени работы двигательной установки.

При такой конструкции оптимальное рабочее давление будет составлять 30 - 60 кгс/см2, обеспечиваемое площадью торцевой поверхности заряда, скоростью его горения и проходным сечением дросселирующего сопла.

Конструктивная схема сверхкритического пускового ГГ (рис. 3) в составе НПГГ наддува представляет конструкцию с канальным зарядом из быстрогорящего состава на основе азида натрия. Использование теплозащитного покрытия здесь не требуется ввиду короткого времени работы.

Принцип действия пускового и маршевого ГГ идентичен и имеет следующую последовательность: огненный форс от электровоспламенителя задействуют воспламенительную таблетку, продукты сгорания которой создают условия для инициирования основного заряда. Достижение требуемой температуры и чистоты продуктов сгорания обеспечивается в результате теплообмена газовой фазы и осаждения конденсированных частиц в блоке охлаждения, представляющим пассивный теплообмнник с дисперсным наполнителем в виде металлической дроби, песка и волокон.

1 2 3 4 5 6 7

Рис. 3. Конструктивная схема пускового сверхкритического ГГ наддува топливных баков: 1 - электровоспламенитель;

2 - воспламенительная таблетка; 3 - основной заряд;

4 - фильтр-охладитель; 5 - фильтр тонкой очистки; 6 - мембрана;

7 - дросселирующее сопло

Таким образом, вопрос компоновки маршевых ГГ реализован за счет оригинальных конструктивных схем с коаксиально расположенными камерами сгорания и блоком охлаждения, радиальным дроссельным отверстием, размещенным против фронта перемещения горящей поверхности, что обеспечивает наилучшую теплоотдачу при минимальной массе наполнителя в блоке охлаждения.

Список литературы

1. Петренко В.И., Соколовский М.И., Зыков Г.А., Лянгузов С.В., Тодощенко А.И., Попов В.Л., Потапов Б.Ф., Севастьянов В.В., Ярушин С.Г. Управляемые энергетические установки на твердом ракетном топливе / Под общ. ред. Соколовского М.И., Петренко В.И. М.: Машиностроение, 2003. 464 с.

2. Валеева О.В., Ваулин С.Д. , Ковин С.Г., Феофилактов В.И. Низкотемпературные твердотопливные газогенераторы: Методика расчета рабочих процессов, экспериментальные исследования / Миасс: Издательство: ГРЦ «КБ имени академика В.П. Макеева», 1977. 268 с.

3. Проектирование ракетных двигателей твердого топлива: Учебник для студентов вузов. М.: Машиностроение, 1995. 400 с.

4. Жидкостные ракетные двигатели. Основы проектирования: учебник для высших учебных заведений / М.В. Добровольский; под ред. Д.А. Ягодникова. 3-е изд., доп. М.: Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2015. 456 с.

5. Мелькумов Т.М., Мелик-Пашаев Н.И., Чистяков П.Г., Ши-уков А.Г. Ракетные двигатели. М.: Машиностроение, 1976. 400с.

Сараев Антон Юрьевич, инженер, Мз. tulsu@rambler.ru, Россия, Сергиев Посад, АО «ФНПЦ «Научно-исследовательский институт прикладной химии»,

Антонов Олег Юрьевич, заместитель начальника отдела, ivts.tulgu@rambler.ru, Россия, Сергиев Посад, АО ««ФНПЦ «Научно-исследовательский институт прикладной химии»,

Тартынов Игорь Викторович, начальник отдела, ivts. tulgu@rambler.ru, Россия, Сергиев Посад, АО «Федеральный научно-производственный центр «Научно-исследовательский институт прикладной химии»,

Вагонов Сергей Николаевич, канд. техн. наук, заместитель директора - главный конструктор, ivts.tulgu@rambler.ru, Россия, Сергиев Посад, АО ««ФНПЦ «Научно-исследовательский институт прикладной химии»,

Никитин Виктор Александрович, д-р техн. наук, доцент, заместитель заведующего, ivts. tulgu@rambler.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет

THE LO W-TEMPERA TURE PYROTECHNICAL NITROGEN GENERA TORS FOR THE PRESSURE-FED ENGINES

A.Y. Saraev, O.Y. Antonov, I.V. Tartinov, S.N. Vagonov, V.A. Nikitin

The main schemes of pyrotechnical nitrogen generators tor the pressure-fed engines and the conditions influencing their efficiency, are considered. The requirements of the low-temperature pyrotechnical gas generators are formulated. The ways of design have been determined and the variants of layout schemes have been proposed for optimization weight and size characteristics.

Key words: The low-temperature pyrotechnical nitrogen generators, the pressure-fed engines, the liquid-propellant rocket.

Saraev Anton Yurevich, engineer, ivts. tulgu@rambler. ru, Russia, Sergiev Posad, JS «FSPC «Applied Chemistry R&D Institute»,

Antonov Oleg Yurevich, Deputy Head of Department, ivts. tulgu@rambler. ru, Russia, Sergiev Posad, JS «FSPC «Applied Chemistry R&D Institute»,

Tartinov Igor Viktorovich, Head of Department, ivts. tulgu@rambler.ru, Russia, Sergiev Posad, JS «FSPC «Applied Chemistry R&D Institute»,

Vagonov Sergey Nikolaevich, candidate of technical sciences, deputy director, ivts. tulgu@rambler.ru, Russia, Sergiev Posad, JS «FSPC «Applied Chemistry R&D Institute»,

Nikitin Viktor Aleksandrovich, doctor of technical sciences, docent, ivts. tulgu@rambler. ru, Deputy Head of Department «Missiles», Russia, Tula, Tula State University