СПОСОБ МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССА СЖИГАНИЯ ПРОДУКТОВ ГАЗИФИКАЦИИ ОСТАТКОВ ЖИДКИХ КОМПОНЕНТОВ РАКЕТНОГО ТОПЛИВА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ
METHOD FOR SIMULATING PROCESS OF COMBUSTION OF PRODUCTS OF GASIFICATION OF LIQUID ROCKET FUEL COMPONENT RESIDUES AND DEVICE THEREFOR

Изобретения относятся к ракетно-космической технике и могут быть использованы при проведении физического моделирования в наземных условиях в экспериментальных установках (ЭУ) процессов сжигания продуктов газификации (ПГ) остатков жидких компонентов ракетного топлива (КРТ), извлеченных из топливных баков отработанных ступеней ракет-носителей (РН), после выключения маршевого жидкостного ракетного двигателя (ЖРД), путем подачи в баки горячих газов, в процессе пассивного полета.
Известен способ сжигания газифицированных КРТ в ЖРД типа «газ + газ», приведенный, например, на стр. 14 в [1] кн. «Основы теории и расчета жидкостных ракетных двигателей» А.П. Васильев, В.М. Кудрявцев, В.А. Кузнецов и др., под ред. В.М. Кудрявцева. - 4-е изд. перераб. и доп.- М.: Высш. шк., 1993 - 383 с., основанный на использовании процесса газификации КРТ в специальных газогенераторах, в одном из которых образуется восстановительный, а другом окислительный газы с последующей подачей этих газов в камеру сгорания маршевого ЖРД. Химические составы газифицированных КРТ и ПГ существенно различны.
Использование подобного способа и устройства, его реализующего, для лабораторного моделирования в наземных условиях процессов сжигания ПГ связано с разработкой специального дополнительного оборудования.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому техническому решению является способ моделирования сжигания КРТ, описанный на стр. 163-164 в [2] кн. «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.), моделирующий процесс сжигания самовоспламеняющихся КРТ.
Реализация способа осуществляется путем подачи распыленного несимметричного диметилгидразина в ЭУ, в котором находится другой КРТ - АК-27И (азотная кислота 69,8% и 24-28% тетраксид азота). В ЭУ в газовой фазе находится определенное количество АК-27И, в результате взаимодействия этих самовоспламеняющихся КРТ в газовой фазе происходит выделение теплоты, приводящая к интенсивному испарению (газификации) обеих КРТ и дальнейшее их горение. В процессе моделирования процесса горения определялись температуры, состав продуктов сгорания.
Недостаток известного способа при его применении к исследованию процессов сжигания ПГ, извлеченных из топливных баков, заключается в том, что химический состав ПГ и состав КРТ существенно различны. Это обусловлено тем, что после выключения маршевого ЖРД газификация невыработанных остатков КРТ в каждом баке отработанной ступени РН осуществляется путем подачи туда горячих газов (теплоносителей (ТН)), для каждого бака определяется свой оптимальный ТН с соответствующими химическими и физико-техническими свойствами. В результате подачи ТН в каждый топливный бак получается ПГ, в состав которого входят испарившийся КРТ + газ наддува, для современных РН это гелий, + соответствующий ТН. Исследование полученных ПГ, выбор оптимального ТН для каждого КРТ и представляет собой задачу исследований при процессе сжигания ПГ в ЭУ, например, для их последующей утилизации путем сжигания в газовом ракетном двигателе для отработки маневров спуска отработанных ступеней РН с орбит и траекторий выведения.
В [3] пат. RU 2518918 F02K 9/42, B64G 1/26 приведены примеры газификации, использования газового ракетного двигателя (ГзРД) для маневров способа увода отделяющихся (отработанных) ступеней РН с орбит и траекторий выведения.
Заявляемое техническое решение направлено на расширение экспериментальных методов исследований сжигания ПГ на более сложные составы, снижение затрат при проведении экспериментальных исследований, возможность использования экспериментальной базы не только в научных, но и в учебных целях.
ок
гор
Указанный технический результат достигается за счет того, что в способе моделирования процесса сжигания неизрасходованных остатков КРТ в баках отработанной ступени РН, например, кислорода и керосина, включающий введение в экспериментальную установку продуктов газификации из каждого бака, проведение измерений параметров процесса, согласно заявляемому изобретению при моделировании процесса сжигания продуктов газификации из бака окислителя (ПГ), которые приготавливают путем смешения, газообразного окислителя, например кислорода, паров воды и гелия, а продукты газификации из бака горючего (ПГ), приготавливают путем смешения теплоносителя, газообразного горючего, например керосина и гелия в концентрациях, соответствующих предварительным аналитическим оценкам.
В качестве теплоносителя для газификации керосина могут быть использованы различные составы, критерием выбора которых являются параметры процесса горения, например температура.
Технический результат в части устройства достигается за счет того, что в устройство по [2], включающего в свой состав коллектор, экспериментальный бак, магистрали подачи КРТ, дополнительно введены баллоны, наполненные продуктами газификации КРТ, например кислорода и керосина, и соединенные через регулируемые клапаны, и дроссели с коллектором, система зажигания продуктов газификации.
ок
гор
гор
ок
Учитывая тот факт, что концентрация составляющих в ПГ, ПГ изменяется по времени, регулируемые клапаны, установленные на каждом баллоне, в каждый момент времени обеспечивают соответствующий секундный массовый расход составляющих ТН, ТН.
Достижение поставленных целей обеспечивается следующим образом.
гор
ок
ок
гор
В [4] ст. Трушляков В.И., Лемперт Д.Б., Белькова М.Е., Исследование возможности испарения остатков жидкого топлива в баках ступеней ракет // Омский научный вестник. - 2014, №2(130), с. 52-57, рассмотрен выбор газогенерирующих составов (ГГС) для получения ТН, ТН на примере окислителя кислорода и горючего керосина из условий эффективности активной бортовой системы спуска отработанной ступени РН, в состав которой входит система газификации невырабатываемых остатков КРТ, например, максимального отрабатываемого импульса, получаемого за счет сжигания ПГ, ПГ.
ок
ок
Показано, что наиболее приемлемым составом ТН для кислорода являются продукты пиролиза перекиси водорода, следовательно, в составе ПГ будут пары воды, газифицированный кислород и гелий.
гор
Возможными ГГС для получения ТН является достаточно широкий диапазон: многочисленные твердотопливные составы, жидкостные, в том числе, топливные пары «кислород-керосин», «перекись водорода-керосин», гибридные.
гор
ок
Составы ПГ, ПГ по времени процесса полета отработанной ступени РН будут переменными и определяться условиями процесса газификации в баках, в том числе, граничными условиями жидкого КРТ в баках (площадь поверхности испарения), условиями полета отработанной ступени РН (гравитация, внешнее тепловое воздействие и т.д.).
В [5] ст. Шалай В.В., Куденцов В.Ю., Трушляков В.И., Моделирование процессов тепломассообмена при газификации жидких остатков топлива в баках ракет // Тепловые процессы в технике, 2014. №2. С. 67-75,
В [6] ст. Трушляков В.И., Лаврук С.А., Теоретико-экспериментальное исследования взаимодействия горячих газов с жидкостью в замкнутой модельной емкости // Тепловые процессы в технике, 2014. №(6), с. 246-253, приведены теоретические и экспериментальные материалы, подтверждающие техническую реализуемость газификации невырабатываемых остатков КРТ и переменность состава ПГ в процессе газификации.
Сущность технического решения поясняется чертежом, где на чертеже изображена пневмогидравлическая схема экспериментального стенда.
ок
гор
ок
гор
В бак 1 (камеру сгорания) вводят продукты газификации горючего и окислителя ПГ, ПГ с заданными параметрами (давление, расход, температура). Для этого производят запуск экспериментального стенда (фиг. 1). Открывают вентили 2-6 и электропневмоклапаны 7-11. При этом газы, для получения ПГ ПГ из баллонов 12-16 (12 - баллон с газообразным кислородом, 13 - баллон с парами воды, 14 - баллон с гелием, 15 - баллон с теплоносителем, 16 - баллон с парообразным керосином) поступают в коллектор 17, где смешиваются. Давление и секундный массовый расход газов, поступающих из баллонов 12-16, задаются редукторами 18-22 и клапанами 23-27.
ок
гор
Полученные ПГ и ПГ с заданным расходом через электропневмоклапан 28 из коллектора 17 поступают в камеру сгорания 1, где происходит их воспламенение системой зажигания 29. Давление и температура в камере сгорания 1 определяются с помощью датчика давления 30 и датчика температуры 31. Полученные продукты сгорания удаляются из камеры сгорания 1 через выходной патрубок 32.
Предложенные технические решения позволяют расширить диапазона экспериментальных исследований сжигания газифицированных КРТ кислород, керосин, водород, сжиженный природный газ при различных ТН.
Возможность проводить автономные испытания процесса сжигания газифицированных КРТ позволяет снизить затраты на поисковые научно-исследовательские разработки по созданию активных бортовых систем спуска отделяющихся частей ступеней РН с орбит и траекторий выведения.