"Способ нагрева холодного газа гелия для системы наддува бака и устройство для его реализации"
METHOD FOR HEATING COLD HELIUM GAS FOR A TANK PRESSURIZATION SYSTEM AND A DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретения относятся к ракетной техники и могут быть использованы в системах наддува топливных баков ракет-носителей (РН) с жидкостными ракетными двигателями (ЖРД).
Известна система наддува баков РН с ЖРД, например, кн. 1 [Бирюк В. В., Капитонов В. А., Смородин А. В. Увеличение эффективности используемых систем наддува топливных баков ракет-носителей в процессе полета // Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета им. академика С.П. Королева, №3 (16), 2008 С.21-26].
Наиболее близкой по технической сущности является техническое решение по патенту США №5722232 от 3 марта 1998 г.автора H. Stephen Jones «Hybrid helium heater pressurization system and electrical ignition system for pressure-fed hybrid rockets»// Гибридная система нагрева гелия для системы наддува бака гибридных ракет и система электрического зажигания.
Основным недостатком этого технического решения для использования в РН с многократным запуском ЖРД при выведении полезных нагрузок является использование в составе системы нагрева холодного газа гелия твердотопливных генераторов, т.к. их повторный запуск представляет сложную научно-техническую задачу.
Указанный недостаток устраняется за счет введения в известный способ нагрева холодного газа гелия, хранящегося в криогенном баке ступени РН с ЖРД, для системы наддува, основанный на смешении холодного газа гелия с продуктами из газогенератора следующих действий: 1) в качестве топлива для газогенератора используют пероксид водорода (ПВ), который разлагают в каталитическом генераторе на высокотемпературную смесь газов кислорода и воды,
2) продукты разложения ПВ и холодный газ гелий (далее компоненты) подают в форсуночную головку, содержащую форсунки для каждого компонента,
3) количество форсунок, их размеры определяют на основе массовых секундных расходов компонентов, а их расположение в форсуночной головке и ориентация подачи компонентов в камеру смешения определяют из условия обеспечения на выходе из камеры смешения заданной температуры и давления смеси газов воды, кислорода и гелия,
4) охлаждение камеры смешения осуществляют за счет теплообмена холодного газа гелия, подаваемого из шар-баллонов в форсуночную головку,
5) термостатирование емкости с ПВ осуществляют за счет теплообмена с каталитическим газогенератором.
На фиг.1 - 3 приведены следующие поясняющие материалы.
Фиг.1 Общая схема системы наддува, включающая в свой состав: 1 - межбаковый отсек; 2 - емкость газа для управления подачей ПВ; 3 - управляемый клапан; 4 - теплоизоляция; 5 - нижнее днище бака горючего; 6 - шар-баллон с ПВ; 7 -магистраль подачи ПВ в газогенератор; 8 - управляющий клапан; 9 - тепловой мост; 10 - газогенератор с пакетом катализатора; 11 - форсунки гелия; 12 - форсунки продуктов разложения ПВ; 13 -охлаждающий тракт; 14 - камера смешения холодного газа гелия и продуктов разложения ПВ; 15 - теплоизоляция бака О; 16 - верхнее днище бака О; 17 - магистраль подачи парогазовой смеси (гелий+продукты разложения ПВ) в бак О; 18 - ферма крепления газогенератора; 19 - управляющий клапан подачи газа гелия; 20 - магистраль подачи газа гелия; 21 - ферма крепления шар-баллона с ПВ; 22 - обечайка первой ступени РН.
m1
m2
g
b
Фиг.2 Схема термостатирования емкости с ПВ, включающая в свой состав: 9 - тепловой мост с температурами на концах Tи T, 23 - стенка газогенератора с температурой T, 24 - стенка шар-баллона ПВ с температурой T.
Фиг.3 Форсуночная головка для смешения компонентов.
Обоснование введенных действий способа.
1) в качестве топлива для газогенератора используют ПВ, который разлагают в каталитическом генераторе на высокотемпературную смесь газов кислорода и воды
При разложении высококонцентрированного ПВ (85%) выделяется значительное количество теплоты, которое идет на нагрев продуктов разложения ПВ, а именно паров воды (53% по массе) и газообразного кислорода (47% по массе) до температуры 823 К в соответствии с [2] [Гусейнов Ш.Л. и др. Катализаторы разложения пероксида водорода, используемые в ракетных двигателях (обзор) // Журнал Прикладной Химии. 2020, №4.].
2) продукты разложения ПВ и холодный газ гелий (далее компоненты) подают в форсуночную головку, содержащую форсунки для каждого компонента
3) количество форсунок, их размеры определяются массовыми секундными расходами компонентов, а их расположение в форсуночной головке и ориентация подачи компонентов в камеру смешения определяют из условия обеспечения на выходе из камеры смешения заданной температуры и давления смеси газов воды, кислорода и гелия
Форсунки продуктов разложения ПВ выполняют функцию передачи компонента от катализатора до камеры смешения с заданным массовым расходом. Гелий по охлаждающему тракту попадает в форсуночную головку и через отдельные форсунки с заданным массовым расходом идет в камеру смешения (фиг.1, поз.12). Массовые расходы компонентов выбираются из условия постоянства температуры смеси (300 К) на выходе из камеры смешения в бак О.
Количество теплоты парогазовой смеси на выходе из камеры смешения определяется по уравнению теплового баланса:
,    (1)
где - количество теплоты парогазовой смеси на выходе из камеры смешения, продуктов разложения ПВ и газа гелия, соответственно.
Отсюда температура смеси  определяется по формуле, см. кн. 3, стр.73 [Беляев Н. М. Системы наддува топливных баков ракет //М.: Машиностроение. - 1976.]:
(1)
где:  - теплоемкости кислорода, паров воды, гелия;  - начальная температура продуктов разложения ПВ, начальная температура газа гелия, соответственно;  - массовые расходы кислорода, паров воды, гелия;  - массовая доля кислорода в продуктах разложения ПВ, равная 47%;  - массовая доля паров воды в продуктах разложения ПВ, равная 53%.
Расчет параметров форсунок (фиг.3 поз.11, поз.12) проводится в соответствии с кн. 4, стр.89 [Добровольский М. В. Жидкостные ракетные двигатели. - 2005].
Массовый расход газовой форсунки определяется по формуле:
(3)
здесь =0,7…0,85 - коэффициент расхода,  - плотность компонентов при давлении на выходе из сопла форсунки которая определяется по формуле:
(4)
где  - давление и плотность газа перед форсункой, k - коэффициент адиабаты. Давление и плотность на входе в форсунки для каждого компонента:
- для газа гелия определяется давлением и плотностью газа наддува;
- для продуктов разложения ПВ давлением и плотностью являются характеристиками каталитического генератора (см. [2]).
Скорость истечения компонента w определяется по формуле:
,    (5)
где  - соответственно газовая постоянная и температура газа перед
форсункой.
c
Площадь сечения форсунки F, которая необходима для определения ее массовых и геометрических характеристик, определяется из уравнения (2).
При проектировании пересекающихся форсунок, углы наклона стенок, расходы компонентов и скорости выбираются так, чтобы направление результирующей струи совпадало с осевым направлением, тогда:
(6)
где -массовые расходы, скорости и углы наклона струй продуктов разложения ПВ и гелия, соответственно.
4) охлаждение камеры смешения осуществляют за счет теплообмена холодного газа гелия, подаваемого из шар-баллонов в форсуночную головку
При проектировании системы охлаждения (см. кн. 4, стр.144) камеры смешения (фиг.1 поз.12) сначала определяют конструкцию охлаждающего тракта, способ охлаждения и основные размеры тракта, а затем расчетным путем проверяют, обеспечивается ли при этом охлаждение стенок камеры.
кон
Конвективный тепловой поток q от стенки камеры к газу гелию определяется по формуле:
,     (7)
где  - коэффициент теплоотдачи от стенки к газу гелию,  -температуры стенки камеры смешения и газа гелия, соответственно.
Коэффициент теплоотдачи определяется из критериального уравнения, см. кн. 5 [Михеев М.А. Основы теплопередачи. - М.: Энергия, 1977.]:
,   (8)
где  - критерии Нуссельта, Рейнольдса, Прандтля,  - коэффициент учитывающий направление теплового потока и температурный напор,  - коэффициент теплопроводности гелия,  - эквивалентный диаметр определяющийся по формуле:
,     (9)
где  -площадь поперечного канала охлаждающего тракта,  - полный (смоченный) периметр сечения, независимо от того, какая часть этого периметра участвует в теплообмене.
Коэффициент  определяется по формуле:
(10)
где  - критерии Прандтля для газа гелия и стенки камеры, соответственно.
5) термостатирование емкости с ПВ осуществляют за счет теплообмена с каталитическим газогенератором
Шар-баллон с ПВ, температура замерзания которой несколько ниже 0 градусов Цельсия (-17(С), закреплен к верхнему днищу бака О из-за чего необходимо защищать ПВ от замерзания. Для этого шар-баллон с ПВ окутан теплоизоляционным пакетом, дополнительный подогрев которого осуществляется с помощью теплопередачи по тепловому мосту от газогенератора (фиг.2).
Плотность теплового потока  от цилиндрической части газогенератора, внутри которой расположен пакет катализатора, к поясу теплового моста определяется в соответствии с кн. 4. стр.42 (Цветков, Ф.Ф. Тепломассообмен: учеб. пособие для вузов / Ф.Ф. Цветков, Б.А. Григорьев. - М.: Изд-во МЭИ, 2011. - 562 с.):
(11)
где  - температуры стенки газогенератора и теплового моста,  - внутренний радиус стенки газогенератора, внешний радиус стенки газогенератора, радиус теплового моста,  - коэффициенты теплопроводности стенки газогенератора и стенки теплового моста, соответственно (фиг.2).
Рассматривая тепловой мост в виде длинного стержня круглого сечения, в соответствии с кн. 4., температура на оси стержня имеет максимальное значение, а изменение температуры Т(r) в зависимости от радиуса определяется по формуле:
(12)
где - радиус всего стержня,  - радиус, на котором определяется температура.
Плотность теплового потока  от теплового моста к сферической обечайке шар-баллона с ПВ определяется по формуле в соответствии с кн. 4. стр.53:
(13)
где  - температуры теплового моста и обечайки шар-баллона с ПВ,  - коэффициент теплопроводности обечайки шар-баллона с ПВ,  - внутренний радиус обечайки шар-баллона с ПВ, внешний радиус обечайки шар-баллона с ПВ, радиус теплового моста.
Пример расчета предварительных радиусов теплового моста.
При расчет были приняты допущения:
- плотности тепловых поток и  равны (не учитываются потери тепла по стержню)
- температуры стержня у основания  и на конце стержня  равны.
Исходные данные расчета (см. фиг.2):
- температура цилиндрической стенки газогенератора
- температура сферической стенки шар-баллона с ПВ ;
- внутренний радиус стенки газогенератора ;
- внешний радиус стенки газогенератора ;
-внутренний радиус обечайки шар-баллона с ПВ ;
- внешний радиус обечайки шар-баллона с ПВ ;
В результате расчета по формулам (11) - (13) при значениях радиусов тепловых мостов ,  (толщина стенки теплового моста 10 мм) обеспечивается заданная температура обечайки шар-баллона . Температура теплового моста (стержня) равна 788 К.
В качестве прототипа устройства используется устройство по патенту США №5722232 от 03.03.1998 г.для подогрева газа гелия с использованием газогенераторов на твердом топливе.
Недостатком этого устройства при применении для предлагаемого способа является наличие твердотопливных генераторов для получения теплоносителя для нагрева холодного газа гелия.
В предлагаемом устройстве этот недостаток устраняется тем, что в его состав введены:
1) выжимная емкость для ПВ (фиг.1 поз.2) с системой подачи ПВ через регулируемый клапан (фиг.1 поз.8) в газогенератор с пакетом катализатора (фиг.1 поз.10), управляемые тепловые мосты (фиг.1 поз.9), соединяющие корпус газогенератора, в котором расположен катализатор с емкостью для ПВ (фиг.1 поз.6),
2) газогенератор (фиг.1 поз.10), на вход которого подается ПВ, а выход соединен через форсунки (фиг.1 поз.11, 12) в форсуночной головке с камерой смешения (фиг.1 поз.14)
3) форсуночная головка с форсунками для газа гелия и продуктов разложения ПВ, вход которой соединен с магистралями подачи гелия и продуктами разложения ПВ, а выход с камерой смешения,
4) камера смешения на вход которой подаются холодный газ гелий и продукты разложения ПВ из соответствующих форсунок, а выход соединен с магистралью подачи получившейся смеси в свободный объем бака О (фиг.1 поз.17),
5) теплообменник в виде витков прилегающей к камере смешения магистрали с холодным газом гелия (фиг.1 поз.13), один конец магистрали соединен с шар-баллонами хранения гелия через регулируемый клапан (фиг.1 поз.19), а другой с соответствующие форсунками,
6) а параметры форсуночной головки (количество форсунок для гелия и продуктов разложения ПВ, их размещение, ориентация направления впрыска в камеру смешения), камеры смешения (объем и конфигурация) и теплообменника (длина и диаметр магистрали, расстояние между витками) определяют из условия обеспечения заданных параметров смеси на выходе из камеры смешения и минимума суммарной массы форсуночной головки, массы камеры смешения и массы теплообменника.
Действие устройства поясняется на фиг.1 - 3.
Обоснование введенных дополнительных устройств.
1) выжимная емкость для ПВ с системой подачи ПВ через регулируемый клапан в каталитический реактор, управляемые тепловые мосты, соединяющие корпус газогенератора с емкостью для ПВ,
Шар-баллон с выжимной мембраной позволяет полностью опустошать емкость от ПВ без невырабатываемых остатков, которые при разгерметизации могут приводить к возгоранию ПВ. Тепловые мосты предназначены для обеспечения термостатирования шар-баллона с ПВ и теплоотвода от корпуса газогенератора.
2) газогенератор, на вход которого подается ПВ, а выход соединен через форсунки в форсуночной головке камерой
3) форсуночная головка с форсунками для газа гелия и продуктов разложения ПВ, вход которой соединен с магистралями подачи гелия и продуктами разложения ПВ, а выход с камерой смешения,
4) камера смешения на вход которой подаются холодный газ гелий и продукты разложения ПВ из соответствующих форсунок, а выход соединен с магистралью подачи получившейся смеси в свободный объем бака О,
5) теплообменник в виде витков прилегающей к камере смешения магистрали с холодным газом гелия, один конец магистрали соединен с шар-баллонами хранения гелия через регулируемый клапан, а другой с соответствующие форсунками,
Количество витков теплообменника выбирается для обеспечения охлаждения стенки до 300 К.
6) а параметры форсуночной головки (количество форсунок для гелия и продуктов разложения ПВ, их размещение, ориентация направления впрыска в камеру смешения), камеры смешения (объем и конфигурация) и теплообменника (длина и диаметр магистрали, расстояние между витками) определяют из условия обеспечения заданных параметров смеси на выходе из камеры смешения и минимума суммарной массы форсуночной головки, массы камеры смешения и массы теплообменника.
Функционирование предлагаемого технического решения.
Предлагаемая система расположена в межбаковом отсеке 1. Перед зажиганием ЖРД из емкости с газом наддува 2 после открытия управляемого клапана 3 подается газ наддува в шар-баллон с ПВ 6. ПВ по магистрали 7 после открытия клапана 8 подается на пакет катализатора для разложения на пары воды и кислород с температурой смеси 823 К. После разложения полученная парогазовая смесь подается в камеру смешения 14 через форсунки 12 в камеру смешения 14 с газом гелием, который подается из собственного шар-баллона, расположенного у нижнего днища бака окислителя, по магистрали 20 и охлаждающему тракту 13 в форсунки 11 в камеру смешения 12. Холодный газ гелий и продукты разложения ПВ смешиваются в камере и с заданной температурой и заданном давлении подаются в бак окислителя по магистрали 17 для наддува. Теплоотвод от горячего корпуса газогенератора, в котором расположен пакет катализатора проходит по тепловому мосту 9, состоящему из медный трубок, к поверхности шар-баллона ПВ, который дополнительно оснащен теплоизоляцией 4. Шар-баллон с ПВ 6 и корпус газогенератора крепятся к верхнему днищу бака окислителя с помощью ферм креплений 18 и 21.
Преимущества предлагаемого способа и устройства.
Основным преимуществом использования данного способа нагрева газа наддува гелия заключается в исключении длинных магистралей подачи гелия от шар-баллона до теплообменника, находящегося в жидкостном ракетном двигателе, теплообменника, магистралей подачи горячего газа гелия от теплообменника в топливные баки. Использование предлагаемой системы наддува в ракетах-носителях с многократным запуском жидкостного ракетного двигателя при выведении полезных нагрузок, что является недостатком существующих отечественных и зарубежных ракет-носителей с нагревом газа наддува гелия в теплообменнике жидкостного ракетного двигателя.