Криогенный трубопровод с коротковолокнистой базальтовой теплоизоляцией

УДК 678.067: 621.763 DOI: 10.18698/2308-6033-2018-11-1825

Криогенный трубопровод с коротковолокнистой базальтовой теплоизоляцией

© М.А. Комков, Ю.В. Баданина, Д. А. Потапов, А.С. Новикова МГТУ им. Н.Э. Баумана, Москва, 105005, Россия

Показана актуальность создания трубопроводов для подачи криогенных компонентов топлива к двигательным установкам летательных аппаратов с теплоизоляцией из базальтовых супертонких волокон и минеральной связки из Л120з. Рассмотрено конструктивно-технологическое решение криогенного топливопровода, состоящего из тонкостенного трубопровода, выполненного из комбинированных материалов на основе ультратонкого стального лейнера и намотанного углепластика. Проведена оптимизация массы законцовки фланца трубопровода совместно с комбинированной оболочкой трубопровода. Определены толщина и масса базальтовой теплоизоляции трубопровода на основе инженерной методики расчета эффективного коэффициента теплопроводности высокопористого волокнистого материала покрытия. Показано, что трубопровод с базальтовой теплоизоляцией имеет существенно меньшую массу, чем криогенный топливопровод с экранно-вакуумной теплоизоляцией, применяемый в самолете ТУ-155.

Ключевые слова: теплоизолированный трубопровод, комбинированная оболочка, криогенная температура, высокопористая базальтовая теплоизоляция

Введение. В настоящее время исследование применения криогенных топлив в изделиях ракетно-космической техники (РКТ), авиации и наземном транспорте — актуальная задача. Создание современных летательных аппаратов (ЛА) невозможно без транспортировки криогенных топлив к двигательным установкам ЛА по теплоизолированным трубопроводам. Экологически чистые, энергоемкие криогенные топлива [1-4] на основе жидкого водорода, сжиженного природного газа (СП1 ) или метана и кислорода повышают технико-экономические показатели двигательных установок ЛА. Если учесть, что СПГ экономичнее керосина по энерговыделению на 15 %, а также значительную разницу в стоимости этих двух видов топлива, то экономический эффект может оказаться весьма существенным — до 50 %.

Однако как в ракетостроении, так и в авиации одним из важнейших шагов к переходу на криогенное топливо является создание надежных, легких конструкций трубопроводов для транспортировки жидкого водорода к двигательным установкам ЛА. На самолете Ту-155, работающем на водородном топливе [1, 2], был применен топливопровод (термокейс), состоящий из двух разнесенных стальных (12Х18Н10Т) труб (рис. 1). Для защиты внутренней трубы от внешнего теплопритока при протекании жидкого водорода межтрубная полость вакуумировалась и заполнялась экранно-вакуумной теплоизоля-

цией. Такая конструкция обеспечивает необходимые условия работы топливопровода, но обладает большой погонной массой. Поскольку полетное время составляет не менее 3 ч, на борту самолета необходимо иметь систему непрерывного вакуумирования полостей топливопроводов и сопутствующих агрегатов. Усредненная погонная масса таких топливопроводов с проходными диаметрами dy = 50...100 мм

составляет не менее 5.. .7 кг/м.

4

Рис. 1. Узел соединения криогенного топливопровода с двигателем самолета ТУ-155:

1 — криогенный топливопровод; 2 — внутренний трубопровод (12Х18Н10Т); 3 — внешний трубопровод (12Х18Н10Т); 4 — вакуум (экранно-вакуумная теплоизоляция); 5 — фланец двигателя; 6 — вакуумированный контейнер водородных агрегатов двигателя

Технологическое проектирование. Для снижения погонной массы топливопровода ранее в работе [5] авторами был предложен внутренний трубопровод (условный диаметр = 70 мм), который выполнен из комбинированных материалов (12Х18Н10Т+углепластик), при этом стальной лейнер имеет толщину 0,3 мм и для восприятия рабочих и разрушающих давлений (рраз = 10 МПа) усилен композиционным

материалом, намотанным под углом к оси изделия. Показано, что при углах намотки примерно 67,5° осевые деформации лейнера и намотанного углепластика при циклическом захолаживании и отогреве трубопровода от нормальной температуры до температуры жидкого водорода будут иметь одинаковый уровень осевых деформаций, что устраняет потерю осевой устойчивости тонкостенной стальной обо-

лочки с образованием радиальных складок в области фланцевых за-концовок. Погонная масса комбинированной оболочки трубопровода ёу = 70 мм без массы двух законцовок М^ = 0,833 кг/м.

Цель данной работы — снижение массы конструкции топливопровода за счет применения коротковолокнистой базальтовой теплоизоляции, обеспечивающей подачу криогенных топлив к двигательным установкам ЛА вплоть до температуры жидкого водорода. В работе рассмотрено конструктивно-технологическое решение (КТР) топливопровода, оптимизация параметров фланце-петлевого соединения лейнера трубопровода с намотанной углепластиковой оболочкой и теплозащитного покрытия на основе коротких базальтовых супертонких волокон (БСТВ) и минеральной связки из А1203, работоспособного при температурах от -260 до 750 °С. Основными достоинствами базальтовой теплоизоляции [6, 7] являются ее экологическая чистота, низкая плотность (140.. .156 кг/м3), упругость, виброустойчивость, негорючесть.

7 9 8 10 ^ 11

Сварка 1

Рис. 2. Конструкция стыковочного узла криогенного трубопровода с коротковолокнистой базальтовой теплоизоляцией:

1 — фланец из стали 12Х18Н10Т; 2 — лейнер; 3 — центрирующее кольцо; 4 — углепласти-ковая оболочка; 5 — поперечная обмотка стальной проволокой; 6 — крышка из пленки ПМФ-352; 7 — изолирующая оболочка из пленки ПМФ-352; 8 — опорное кольцо из углепластика; 9 — радиальная обмотка арамидной нитью; 10 — клеевой слой; 11 — базальтовая теплоизоляция в виде цилиндрических скорлуп; 12 — ответный фланец

На рис. 2 представлено КТР вне бакового криогенного топливопровода, включающего в себя внутреннюю силовую оболочку (трубопровод [5]) из комбинированных материалов, волокнистую базальтовую теплоизоляцию и внешнюю защитно-герметизирующую оболочку из полиимидно-фторопластовой пленки. Базальтовая теплоизоляция,

изготовленная методом жидкостной фильтрации коротких волокон в перфорированную пресс-форму [8], может иметь сложную пространственную и тонкостенную геометрию. При этом внешняя оболочка из намотанной полиимидной пленки ПМФ-352 и торцевые полиимидные крышки, работоспособные при температуре -260 °С, обеспечивают герметизацию базальтового теплоизоляционного покрытия от проникновения газовой среды из окружающего пространства.

Обсуждение результатов. Оптимизация массы фланцевого соединения криогенного трубопровода, выполненного из комбинированных материалов, проведена путем решения геометрических зависимостей, полученных на основе анализа фланце-петлевого соединения (рис. 3):

'л =

Иб

cos ßt

; к = ^; h„ = R - r = >ЬЛ

18Ук ^т

(

аохв ^ ln

0,75R Иб

Л

где Рц = 67,5° — угол намотки на цилиндрическом участке; Я = = 70,6 мм — наружный радиус лейнера; рраз — разрушающее давление; ат — предел текучести металла; аохв — угол охвата лентой

бурта фланца, определенный по эмпирической зависимости [9], обеспечивает полное восприятие углепластиковой оболочкой осевой и окружной нагрузки от внутреннего давления в трубопроводе.

Рис. 3. Схема образования петлевого соединения углепластика с законцовкой фланца:

1 — трубопровод; 2 — фланец; 3 — лента из углеродных нитей

Согласно схеме на рис. 3, разворот наматываемой ленты шириной осуществляется на расширяющемся конусе фланца длиной 1к,

формирование петли с углом охвата аохв за выступом-буртом высотой Иб = Яб - Яц — на цилиндрической горловине фланца с радиусом Яц и длиной 1ц. Композитный слой при осевом растяжении оболочки

удерживается хвостовиком фланца путем образования захлестывающей петли на уступе законцовки трубопровода. Такое соединение обеспечивает надежную работоспособность по условиям прочности и минимальному приращению массы трубопровода. При этом длина разворота (реверс) ленты /рев, наматываемой по линии равного геодезического отклонения (ЛРО) на цилиндрическом участке фланца от угла намотки Рц до угла Р = тс/2, и полный угол реверсивного разворота ленты в прямом и обратном направлениях фрев, определяемые по формулам работы [9], должны быть /рев < /ц и фрев < аохв соответственно:

/рев = А МщМ < /ц. фрев =

/тр этрц /тр

рев

< а о

где / «0,2 — допустимый угол трения между углепластиком

и сталью. Масса хвостовика фланца равна массе металла и композитного материала и зависит от угла конусности хвостовика ук = 9...11°,

относительной высоты бурта Иб и угла охвата фланца аохв.

Щл 0,18 0,16 0,14 0,12 0,10 0,08 0,06 0,04

0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10 Аб

Рис. 4. Зависимость суммарной массы хвостовика фланца с намотанным углепластиком от относительной высоты бурта для трубопровода й = 70 мм

Результаты проектных расчетов по формулам (1) и (2) для диаметра трубопровода 70 мм длиной 1 м показывают, что минимальное

значение относительной массы хвостовика фланца Мфл = Мфл /Мкм6 из комбинированных материалов достигается при значениях Иб =

ь _

= -£- = 0,03...0,05 и составляет Мфл = 0,06...0,08 (рис. 4). При

Кц

намотке нитей под углом Рц = 67,5° к оси трубопровода угол реверса

за буртом фланца фрев = 4,03 рад, но при намотке углепластика на

лейнер принимается кратным 2л, т. е. равным 360°. Таким образом, масса комбинированного трубопровода длиной 1 м с двумя фланцами

при Мфл = 0,08 будет составлять Мтр = М^ (1 + 2Мфя ) = 0,966 кг.

Отметим, что экспериментальные исследования соединения типа «вмотанный фланец», проведенные на модельных и натурных трубопроводах [5], показали его работоспособность вплоть до предельных нагрузок без повреждений в зоне концевой заделки.

Определение толщины теплоизоляционного покрытия комбинированного трубопровода из БСТВ (йа = 0,5...3,5 мкм) выполнено

на основе инженерной методики расчета эффективного коэффициента теплопроводности [6, 8], учитывающего кондуктивный и радиационный перенос теплоты в высокопористой коротковолокнистой теплоизоляции, в виде суммы трех составляющих:

Х эф = Хб.в — Хвозд — Х рад = Хконд — Х рад,

где Хбв, Хвозд, Храд, Хконд — соответственно коэффициенты теплопроводности каркаса из коротких (1а = 1,0...1,5 мм) базальтовых волокон, сухого и спокойного воздуха, радиационной и кондуктивной теплопроводности. Коэффициент лучистой теплопроводности для базальтовых волокнистых материалов Храд определяется по следующим формулам [8]:

Храд ; Косл = 70-«, - 5.Щ; Т„ =

К осл (1 -ш) 1ш V 2

где а0 — константа Больцмана, равная 5,6710 Вт/(мК); Тш — средняя температура изоляции, Тш = 232К; ш = 0,94 — пористость теплоизоляции; ёв = 1,92 -10-6 м — средний диаметр БСТВ, полученный после обработки электронных фотографий; Косл = 1,319 — коэффициент ослабления (константа); Т1 — температура теплоизоляционного покрытия топливопровода, Т1 = 293 К; Т2 — температура жидкого водорода, Т2 = 20 К. Подстановка числовых значений в формулы (4) дает Х рад = 0,00544 -10-2 Вт/(мК).

Следовательно, радиационная составляющая (4) оказывает существенное влияние лишь при очень малой плотности материала теплоизоляции и его высокой пористости т > 0,94. При значениях пористости волокнистой структуры т < 0,94 радиационная составляющая намного меньше кондуктивной теплопроводности и в равенстве (3) ее можно не учитывать. Без учета тепловых потерь на лучистый перенос теплоты и при спокойном состоянии воздуха в порах теплоизоляционного материала коэффициент кондуктивной теплопроводности можно записать на основе правила суммирования:

X

где т — пористость теплоизоляции, т = 1 -ртим /рбв; ртим — плотность теплоизоляции; Рбв — плотность материала базальтовых волокон, рбв = 2750 кг/м3.

Анализ теплоизоляционных материалов на основе коротких БСТВ показал [6, 10], что коэффициент теплопроводности равномерно распределенных волокон и сухого воздуха, полученный расчетным путем на основе правила суммирования (5), на 75 % меньше коэффициента теплопроводности прошивных матов из базальтовых супертонких штапельных волокон (рис. 5), изготовленных по ТУ 5769-002-0164840370-2013 (МШОЬ). Средние значения коэффициентов сухого воздуха ХвЮзд = 0,0164 Вт/(мК) и материала базальтовых

волокон X брв = 0,0241 Вт/(мК) для интервала температур -200...20 °С определены на основании графических зависимостей (см. рис. 5), так как теплопроводность БСТВ при температуре -196 °С [11] равна 0,0127 Вт/(мК). Тогда в соответствии с выражением (5) и при пористости т = 0, 94 найдем коэффициент кондуктивной теплопроводности базальтовой теплоизоляции: X конд = Х БСТВ = 0,0172 Вт/(мК).

В настоящее время существует тенденция применения теплоизоляции криогенных трубопроводов на основе маложестких и низкоплотных пенополиуретанов [12] (ППУ-17Н, ППУ-308Н, «Изо-лан-И3», «Викорт-1М») с плотностью рППУ = 50...80 кг/м3 и коэффициентом теплопроводности Xппу = 0,035...0,04 Вт/(м К) при температуре 20 °С. Однако при малоцикловом захолаживании и отогреве низкоплотных покрытий толщиной Ишу = 30 мм (рис. 6, а) до температуры жидкого азота (77 К) происходит охрупчивание полиурета-нового каркаса и его разрушение при относительных деформациях

8карк * 2,7 % (рис. 6 б).

Т,° С

Рис. 5. Зависимость коэффициента теплопроводности от температуры:

1 — сухого воздуха; 2,3 — базальтовые волокна с диаметрами 3 и 1,5 мкм; 4 — базальтовый прошивной мат из штапельных волокон с плотностью 95.. .125 кг/м3; 5 — расчетная на основе правила суммирования кривая кондуктивной теплопроводности

Г, К

т

\

А>1

д, Вт/м 500

250

0,5 1,0 1,5 т,ч б

Рис. 6. Схема установки датчиков измерения температуры стенки (Тс1... Тс4) и теплового потока Бр1 (а); изменения температуры стенки Тс и теплового потока Бр1 при испытаниях трубопровода жидким азотом (б). Температурный пик — трещина в пенопластовом покрытии трубопровода из пенопласта «Викорт-1М»

Хотя полужесткий пенопласт марки «Викорт-ЗМ» имеет сравнительно большую относительную деформацию разрушения враз = = 12...15 % и рабочую температуру в диапазоне -253.150 °С, его

Криогенный трубопровод с коротковолокнистой базальтовой теплоизоляцией плотность

(РППУ = 200...250 кг/м3) и коэффициент теплопроводности (XППУ = (0,05...0,0б)Вт/(м-К)) при 20°С значительно больше соответствующих показателей базальтовой коротковолокнистой теплоизоляции, рассмотренной выше. Следовательно, выбор теплоизоляции для криогенных топливопроводов на основе коротких базальтовых волокон в настоящее время является своевременным и весьма актуальным.

Учитывая изложенное выше и то, что тепловой поток через изолированную стенку трубопровода для самолета ТУ-155 0 = —— =

= 250 ± 5 Вт/м2 [1], запишем формулу, определяющую толщину базальтовой теплоизоляции для йтр = 70 мм через линейный тепловой

поток:

0 ^ - т2)

41 1 , й2 1 , й, 1 , й4 ' к '

-1п — н--1п — н--1п —

2^1 й 2Х 2 2X3 й,

где й1 = 70,б мм — диаметр лейнера (см. рис. 2); й2 = 71,7 мм — диаметр намотанного углепластика; й, = (й2 + 2ЛБСТВ ) мм — диаметр базальтовой теплоизоляции; й4 = (й, +1) мм — внешний диаметр криогенного трубопровода; Х1 = 0,587 Вт/(м К) — коэффициент теплопроводности углепластика в поперечном направлении; X, « « 0,2 Вт/(м К) — коэффициент теплопроводности полиимидной пленки; X2 =Хбств . Поскольку коэффициенты Х1 и X, намного больше Хбств , а отношение их диаметров мало, в формуле (б) эти слагаемые можно не учитывать.

Тогда толщину базальтового теплоизоляционного покрытия определяем по формуле

Н = ^

тип 2

ехр

(2л ХбстваГ -

01 J

где (( - Т2 ) = 273 °С — перепад температур на внешней и внутренней стенках теплоизоляции. После подстановки числовых значений в формулу (7) получим Нтип = 24,86 мм, плотность материала теплоизоляционного покрытия при пористости т = 0,94 составляет ртип = = (1 - т )рбв = 165 кг/м^ Тогда масса базальтовой теплоизоляции на

л((2 - й22 )ртип

длине 1 м Мбств =-= 1,28 кг/м.

Теплоизоляционное покрытие трубопровода из коротких базальтовых волокон изготовляют в такой последовательности (рис. 7). Сначала в пресс-форму заливают подготовленную пульпу, состоящую из воды, базальтовых волокон и гидрооксида алюминия Л1(ОИ)з (рис. 7, а). Потом вводят центральный пуансон (рис. 7, б) и почти сразу два боковых пуансона (рис. 7, в). Затем одновременно все три пуансона (рис. 7, г) нагружают силой Еп = 2472 Н, что соответствует удельному давлению рп = 59,6 кПа. Время фильтрационного формования цилиндрических скорлуп при движении пуансонов со скоростью иф = 6 мм/мин составляет 7.8 мин.

Рис. 7. Последовательность изготовления цилиндрических скорлуп толщиной 25 мм и длиной 255 мм методом фильтрационного осаждения коротких базальтовых волокон из пульпы в перфорированную пресс-форму

Отформованные скорлупы (рис. 8) подвергаются сушке и последующей термообработке при температуре 500 °С в заневоленном состоянии (рис. 8, а) для образования из гидрооксида алюминия минеральной связки из А1203. Затем готовые изделия (рис. 8, б) извлекают из пресс-формы, собирают с трубопроводом в замок и скрепляют между собой намотанной в два слоя лентой из алюминиевой фольги, служащей также как отражательный экран.

в

Рис. 8. Общий вид пресс-формы для сушки (а), готовые цилиндрические скорлупы на основе коротких БСТВ (б) и характер распределения базальтовых волокон

Защитно-герметизирующая оболочка изготовляется методом намотки узких (20 мм) лент из пленки ПМФ^52 толщиной 65 мкм в четыре двойных слоя на разборную металлическую оправку на станке СНП^. Пленка ПМФ^52 с двух сторон покрыта фторопластом и надежно работает как при повышенных (до 300 °С), так и при криогенных температурах [^-15]. Пленка сохраняет свою гибкость и эластичность вплоть до температуры жидкого гелия (4,2 К). Намотанные слои оболочки обжимаются и подвергаются термообработке при температуре 325 °С в течение 45 мин, в результате которой происходит термоспекание слоев в единый монолитный материал. Масса полиимидной оболочки длиной 1 ми двух крышек (см. рис. 2) Мпмф =лй4Нпмф Рпмф ~ 0,28 кг/м, где Рпмф = ^50 кг/м1

Готовую оболочку натягивают на теплозащитное покрытие из базальтовых волокон трубопровода и приматывают арамидной нитью к опорному кольцу (см. рис. 2, поз. 9) из углепластика. Торцевые изолирующие крышки 7, отформованные из многослойной полиимидной пленки ПМФ^52, приматывают к цилиндрической канавке фланца стальной (12Х18Н10Т) проволокой, а к опорному кольцу —

армопластиком. Окончательная масса композитного теплоизолированного топливопровода Мтоп = Мтр + МБСТВ + МПМФ = 2,53 кг/м.

Заключение. На основании проведенных исследований можно сделать следующие выводы.

1. Спроектирован композитный криогенный топливопровод, в состав которого входят трубопровод из комбинированных материалов, теплоизолирующее покрытие из коротких базальтовых волокон с минеральной связкой из А1203 и защитно-герметизирующая оболочка из полиимидно-фторопластовой пленки ПМФ-352, работоспособный при температурах -260.150 °С. Проведена оптимизация всех элементов конструкции трубопровода dy = 70 мм, обеспечившая получение погонной массы, равной 2,53 кг/м, что в 2,0-2,5 раза меньше массы равновеликого криогенного топливопровода (термокейса) с экранно-вакуумной теплоизоляцией.

2. Применение теплоизолирующего покрытия из коротких базальтовых супертонких волокон в криогенных трубопроводах обеспечивает экологическую чистоту, негорючесть, малую плотность и низкий коэффициент теплопроводности, равный 0,0172 Вт/(мК) в диапазоне температур -260.20 °С.

3. Представлены основные технологические этапы изготовления теплоизолирующего покрытия трубопровода методом жидкостной фильтрации коротких базальтовых волокон из пульпы в перфорированную пресс-форму и изготовление из полиимидной пленки ПМФ-352 защитно-герметизирующей оболочки методом намотки.

ЛИТЕРАТУРА

[1] Андреев В.А., Борисов В.Д., Климов В.Т. и др. Внимание: газы. Криогенное топливо для авиации: Справочник-воспоминание для всех. Москва, Московский рабочий, 2001, 223 с.

[2] Федоров Г., Максимович Г. Самолет завтрашнего дня — Ту-155 на водородном топливе: АНТК им. А.Н. Туполева. Крылья Родины, 1988-1992.

[3] Патрунов Ф.Г. Ниже 120 градусов по Кельвину. Москва, Знание, 1989, 176 с.

[4] Журавин Ю. «Море» планов «Ангары». Новости космонавтики, 1999, № 3 (194), с. 48-49.

[5] Комков М.А., Потапов Д. А., Кудрявцев А.А. Оптимизация угла намотки на металлический лейнер криогенного трубопровода. Инженерный журнал: наука и инновации, 2017, вып. 9. DOI: 10.18698/2308-6033-2017-9-1673

[6] Баданина Ю.В. Технологическое проектирование высокопористых теплоизолирующих конструкций из коротких базальтовых волокон на основе метода жидкостной фильтрации. Автореф. дис. ... канд. техн. наук. Москва, МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2017, 16 с.

[7] Базальтовое супертонкое волокно «MINOL». Завод БСТВ «MINOL»: сайт компании. URL: http://uteplitel-minol.ru/holst/ (дата обращения 05.01.2018).

[8] Баданина Ю.В., Комков М.А., Тарасов В.А., Тимофеев М.П., Моисеев А.В. Моделирование и экспериментальное определение технологических параметров жидкостного формования базальтовой теплоизоляции насосно-

компрессорных труб. Наука и образование. Электронный журнал, 2015, № 4. DOI: 10.7463/0315.0761820 [9] Комков М.А., Тарасов В.А., Бородулин А.С. Спиральная намотка концевых участков композитных оболочек цилиндрической и конической формы.

Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Машиностроение, 2012, № 4, с. 78-85.

[10] Материал прошивной базальтовый огнезащитный рулонный (МПБОР) по ТУ 5769-004-02500345-2009. URL: http://www.bztm.su/vbor.php (дата обращения 05.09.2016).

[11] Джигирис Д.Д., Махова М.Ф. Основы производства базальтовых волокон и изделий. Москва, Теплоэнергетик, 2002, 416 с.

[12] Вспененные пластические массы: сб. тр. НПО «Полимерсинтез», т. 1. Москва, НИИТЭхим, 1990, 224 с.

[13] Бессонов М.П., Котон М.М., Кудрявцев В.В., Лайус Л.А. Полиимиды — класс термостойких полимеров. Ленинград, Наука, 1983, 328 с.

[14] Буланов И.М., Комков М.А. Применение жестких полимерных пленок в криогенных топливных системах аэрокосмической техники. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Машиностроение, 1992, № 1, с. 14-24.

[15] Сабельников В.В., Комков М.А., Саморядов А.В. Технология склеивания элементов криогенного трубопровода. Клеи. Герметики. Технологии, 2005, № 1, с. 16-20.

Статья поступила в редакцию 30.03.2018

Ссылку на эту статью просим оформлять следующим образом: Комков М.А., Баданина Ю.В., Потапов Д.А., Новикова А.С. Криогенный трубопровод с коротковолокнистой базальтовой теплоизоляцией. Инженерный журнал: наука и инновации, 2018, вып. 11.

http://dx.doi.org/10.18698/2308-6033-2018-11-1825

Статья подготовлена по материалам доклада, представленного наXLIIАкадемических чтениях по космонавтике, посвященных памяти академика С.П. Королёва и других выдающихся отечественных ученых — пионеров освоения космического пространства, Москва, 23-26 января 2018 года

Комков Михаил Андреевич — д-р техн. наук, профессор кафедры «Технологии ракетно-космического машиностроения» МГТУ им. Н.Э. Баумана. Автор более 140 научных работ в области технологии ракетно-космического машиностроения и композитных конструкций. e-mail: cm12@cm.bmstu.ru; m_komkov@list.ru

Баданина Юлия Владимировна — ассистент кафедры «Технологии ракетно-космического машиностроения» МГТУ им. Н.Э. Баумана. Автор более 15 научных работ в области технологии ракетно-космического машиностроения и композитных конструкций. e-mail: julia555-90@yandex.ru

Потапов Дмитрий Алексеевич — студент кафедры «Технологии ракетно-космического машиностроения» МГТУ им. Н.Э. Баумана. Автор двух статей в области технологии ракетно-космического машиностроения. e-mail: potapov-dmitrij94@mail.ru

Новикова Анастасия Сергеевна — студентка кафедры «Технологии ракетно-космического машиностроения» МГТУ им. Н.Э. Баумана. Автор двух статей в области технологии ракетно-космического машиностроения. e-mail: 79163864045@ya.ru

Cryogenic pipeline with short fiber basalt insulation

© M.A. Komkov, Yu.V. Badanina, D.A. Potapov, A.S. Novikova Bauman Moscow State Technical University, Moscow, 105005, Russia

The paper shows the importance of making pipelines for supplying cryogenic fuel components to aircraft propulsion systems with super-thin basalt fiber insulation and AI2O3 mineral binder. In our research, we consider the design and technology solution of a cryogenic fuel pipe consisting of a thin-walled pipeline made of combined materials based on an ultra-thin steel liner and wound carbon fiber reinforced plastics. The optimization of the mass of the pipe flange ending was carried out together with the combined pipeline shell. The thickness and mass of the basalt heat insulation of the pipeline were determined according to the engineering technique for calculating the effective thermal conductivity of a highly porous fibrous coating material. The study shows that the pipeline with basalt thermal insulation has a significantly smaller mass than the cryogenic fuel line with screen-vacuum heat insulation used in the TU-155 airplane.

Keywords: heat-insulated pipeline, combined shell, cryogenic temperature, high porosity basalt heat insulation

REFERENCES

[1] Andreev V.A., Borisov V.D., Klimov V.T. et al. Vnimanie: gazy. Kriogennoe toplivo dlya aviatsii. Spravochnik-vospominanie dlya vsekh [Attention: gases. Cryogenic Fuel for Aviation: A Handbook of Recollection for All]. Moscow, Moskovskiy rabochiy Publ., 2001, 223 p.

[2] Fedorov G., Maksimovich G. Krylya rodiny (Wings of the Motherland), 1988-1992.

[3] Patrunov F.G. Nizhe 120 gradusov po Kelvinu [Below 120 degrees Kelvin]. Moscow, Znaniye Publ., 1989, 176 p.

[4] Zhuravin Yu. Novosti kosmonavtiki (Cosmonautics news), 1999, no. 3 (194), pp. 48-49.

[5] Komkov M.A., Potapov D.A., Kudryavtsev A.A. Inzhenernyy zhurnal: nauka i innovatsii — Engineering Journal: Science and Innovation, 2017, iss. 9. DOI: 10.18698/2308-6033-2017-9-1673

[6] Badanina Yu.V. Tekhnologicheskoye proektirovanie vysokoporistykh teploizoli-ruyuschikh konstruktsiy iz korotkikh bazaltovykh volokon na osnove metoda zhidkostnoy filtratsii. Avtoref. dis. ... kand. tekhn. nauk [Technological design of high-porosity heat-insulating short-fiber basalt structures based on the method of liquid filtration. Cand. eng. sc. author's abstr.]. Moscow, BMSTU Publ., 2017, 16 p.

[7] Bazaltovoye supertonkoye volokno «MINOL» [Basalt super-thin fiber "MINOL"]. Zavod BSTV «MINOL» [BSTF ""MINOL" plant]. Available at: http://uteplitel-minol.ru/holst/ (accessed January 5, 2018).

[8] Badanina Yu.V., Komkov M.A., Tarasov V.A., Timofeev M.P., Moiseev A.V.

Nauka i Obrazovanie — Science and Education, 2015, no. 4. DOI: 10.7463/0315.0761820

[9] Komkov M.A., Tarasov V.A., Borodulin A.S. VestnikMGTU im. N.E. Baumana. Ser. Mashinostroeniye — Herald of the Bauman Moscow State Technical University. Series Mechanical Engineering, 2012, no. 4, pp. 78-85.

[10] Material proshivnoy bazaltovyy ognezashchitnyy rulonnyy (MPBOR) po TU 5769-004-02500345-2009 [Material fireproof basalt pierced basalt (MPOR) ac-

cording to TU 5769-004-02500345-2009]. Available at: http://www.bztm.su/vbor.php (accessed September 5, 2016).

[11] Dzhigiris D.D., Makhova M.F. Osnovy proizvodstva bazaltovykh volokon i izdeliy. Monografiya [Fundamentals of production of basalt fibers and products. Monograph]. Moscow, Teploenergetik Publ., 2002, 416 p.

[12] Vspenennyye plasticheskiye massy. Sbornik trudov. Tom 1 [Foamed plastic masses. Vol. 1]. Moscow, NIITEKhIM Publ., 1990, 224 p.

[13] Bessonov M.I., Koton M.M., Kudryavtsev V.V., Layus L.A. Poliimidy — klass termostoykikh polimerov [Polyimides — a class of heat-resistant polymers]. Leningrad, Nauka Publ., 1983, 328 p.

[14] Bulanov I.M., Komkov M.A. Vestnik MGTU im. N.E. Baumana. Ser. Mashi-nostroeniye — Herald of the Bauman Moscow State Technical University. Series Mechanical Engineering, 1992, no. 1, pp. 14-24.

[15] Sabelnikov V.V., Komkov M.A., Samoryadov A.V. Klei. Germetiki. Tekhnologii — Polymer Science. Series D, 2005, no. 1, pp. 16-20.

Komkov M. A., Dr. Sc. (Eng.), Professor, Department of Aerospace Engineering Technologies, Bauman Moscow State Technical University. Author of over 140 scientific papers in the field of rocket and space engineering technology and composite structures. e-mail: cm12@cm.bmstu.ru; m_komkov@list.ru

Badanina Yu.V., Assistant Lecturer, Department of Aerospace Engineering Technologies, Bauman Moscow State Technical University. Author of over 15 scientific works in the field of rocket and space engineering and composite structures. e-mail: julia555-90@yandex.ru

Potapov D.A., a student, Department of Aerospace Engineering Technologies, Bauman Moscow State Technical University. Author of two articles in the field of rocket and space engineering technology. e-mail: potapov-dmitrij94@mail.ru

Novikova A.S., student, Department of Aerospace Engineering Technologies, Bauman Moscow State Technical University. Author of two articles in the field of rocket and space engineering technology. e-mail: 79163864045@ya.ru