Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССА ГАЗИФИКАЦИИ ОСТАТКОВ ЖИДКОГО КОМПОНЕНТА РАКЕТНОГО ТОПЛИВА В БАКАХ ОТРАБОТАВШЕЙ СТУПЕНИ РАКЕТЫ-НОСИТЕЛЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ

Изобретение относится к ракетно-космической технике и может быть использовано при проведении физического моделирования процессов газификации остатков жидкого топлива в баках отработавшей ступени (ОС) ракеты-носителя (РН) на основе подачи горячих газов (теплоносителя) в топливный бак после выключения маршевого двигателя, в условиях малой гравитации после выполнения РН своей миссии.

Результатом процесса газификации остатков топлива в баке, после выключения маршевого двигателя, является появление парогазовой смеси (ПГС), содержащей газ наддува, например гелий, + испарившийся компонент жидкого ракетного топлива + теплоноситель (ТН).

Известен способ моделирования процесса газификации и устройство, его реализующее, которые описаны на стр. 163-174 в 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. Однако этот способ преимущественно ориентирован на работу с высококипящими и токсичными компонентами топлива типа несимметричный диметилгидразин, азотная кислота, азотный тетраксид.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому решению является «Способ моделирования процесса газификации остатков жидкого компонента ракетного топлива в условиях пониженного давления и устройство для его реализации» (патент РФ №2493414, МПК F02K 9/96, опубл. 20.09.2013), основанный на введении в экспериментальную модельную установку (ЭМУ) теплоносителя (ТН), обеспечении условий взаимодействия в зоне контакта ТН с поверхностью жидкого компонента ракетного топлива, проведении измерений температуры, давления в различных точках ЭМУ, перед подачей ТН осуществляют понижение давления в ЭМУ до 0,01 МПа через дренажный электропневмоклапан (ДЭПК), а в качестве газа наддува используют гелий с параметрами избыточного давления до 0,3 МПа со сбросом до 0,01 МПа абсолютного, в качестве ТН используют азот, массовый секундный расход которого равен производительности вакуумного насоса, а процентное содержание газифицированных продуктов определяют исключением из показаний газоанализатора состава ТН и газа наддува.

К недостаткам способа по прототипу относятся трудности его адаптации при проведении исследований процесса газификации компонентов топлива, в частности, такой важнейшей его составляющей, как конденсация паров в дренажных магистралях и дренажных клапанах при сбросе продуктов газификации. Появление конденсата в дренажной магистрали в ряде случаев сопровождается кристаллизацией и «забиванием» магистрали, что приводит к аварийной ситуации. Процесс конвективной газификации остатков топлива (подача горячих газов) происходит на этапе полета ОС РН после выполнения своей миссии для обеспечения извлечения невыработанных остатков топлива с целью предотвращения взрыва ОС после выключения маршевого двигателя путем подачи ТН в топливные баки.

Дальнейшая утилизации ПГС осуществляется, например, путем отработки импульсов маневра спуска ОС и т.д. (см. пат. РФ №2518918 РФ, МПК F02K 9/42, B64G 1/26. «Способ увода отделившейся части ступени ракеты-носителя с орбиты полезной нагрузки и устройство для его реализации»).

Техническим результатом предлагаемого технического решения является обеспечение возможности моделирования процесса газификации, в частности появление конденсата и его кристаллизации при конвективном процессе подачи ТН в бак с остатками топлива (подача ТН в баки после выключения маршевого двигателя РН).

Указанный технический результат достигается за счет того, что в способе моделирования процесса газификации остатков жидкого компонента ракетного топлива в баке ОС РН, основанном на введении в ЭМУ ТН, обеспечении условий взаимодействия в зоне контакта ТН с поверхностью жидкого газифицируемого компонента ракетного топлива, проведении измерений температуры, давления в различных точках ЭМУ, сбросе ПГС в вакуумную камеру через дренажную магистраль и дренажный ЭПК, дополнительно вводят следующие действия:

а) осуществляют подвод ТН и газа наддува в ЭМУ до обеспечения заданных параметров парциального давления паров жидкости, соответствующего заданной секундной массе испарения жидкости при заданном начальном давлении наддува, а суммарное давление соответствует началу сброса ПГС в вакуумную камеру,

б) осуществляют сброс ПГС из ЭМУ через ДМ и ДЭПК в вакуумную камеру на различных интервалах времени, соответствующих различным интервалам длительности работы сопел газореактивной системы ориентации и стабилизации ОС,

г) определяют области параметров ТН, температуры ДМ, ДЭПК, длительности интервалов времени сброса ПГС, при которых появляется конденсат на внутренней поверхности дренажной магистрали, ДЭПК и его кристаллизация,

д) осуществляют дополнительный подвод теплоты к ДМ, ДЭПК, минимальную величину, которой определяют из условия предотвращения кристаллизации паров жидкости в ДМ и ДЭПК.

В качестве прототипа устройства для реализации способа предлагается устройство по патенту РФ №2493414, МПК F02K 9/96, включающее в свой состав экспериментальную установку в виде модельного бака, содержащего поддон для жидкого компонента ракетного топлива, датчики температуры, давления, входной и выходной патрубки, вакуумную камеру для создания пониженного абсолютного давления до 0,01 МПа с управляемым ЭПК и газоанализатор для определения процентного содержания газифицированных компонентов ракетного топлива.

Недостатком этого устройства для реализации предлагаемого способа для кондуктивного подвода тепла являются:

- отсутствие регистрирующей аппаратуры появления конденсата и его кристаллизации;

- отсутствие системы подвода тепла к ДМ и ДЭПК.

Цель предлагаемого устройства заключается в обеспечении реализации возможности моделирования процесса появления конденсата и его кристаллизации в ДМ и ДЭПК.

Технический результат устройства достигается тем, что в устройство для моделирования процесса газификации остатков жидкого КРТ в баках ОС РН, включающее в свой состав ЭМУ, содержащую поддон для жидкости, датчики температуры, давления, входной патрубок, дренажную магистраль, дренажный ЭПК, вакуумную камеру, газоанализатор для определения процентного содержания ПГС, дополнительно введена:

а) аппаратура регистрации появления конденсата и его кристаллизации;

б) электрический нагреватель ДМ и ДЭПК;

в) настройка ДЭПК (давление срабатывания) и конструктивные параметры ДМ (диаметр, длина) в ЭМУ, определяющиеся из условия подобия динамического процесса сброса ПГС в реальной конструкции ОС,

г) ЭМУ и ДМ, ДЭПК выполнены из материала, соответствующего реальной конструкции исследуемого топливного бака ракеты-носителя.

Под условием динамического подобия предполагается равенство отношений действующих сил на одноименные элементы конструкции ЭМУ и ОС, отнесенных к единице объема. Тем самым соблюдается геометрическое и динамическое подобие, при равенстве следующих безразмерных величин: чисел Рейнольдса, Фруда, Эйлера, Грасгофа и Кутателадзе (см., например, стр. 79-83 в кн. 2 «Прикладная газовая динамика» (в 2 ч. Ч.1: Учеб. руководство) Г.Н. Абрамович, М.: Наука, 1991. 600 с.).

В качестве системы регистрации появления конденсата и факта его замерзания может использоваться система на основе измерения влажности, температуры и парциального давления паров жидкости в составе ПГС, определения процентного содержания газифицированных КРТ, а также результаты скоростной видеосъемки.

В качестве нагревателя дренажной магистрали используется, например, электрический спиральный источник тепла.

Сущность предлагаемого способа и устройства для его реализации поясняется чертежом, где на фиг. 1 изображена пневматическая схема ЭМУ для исследования процесса конденсации и кристаллизации ПГС.

ЭМУ 1 с залитой модельной жидкостью 2, соединена через гермоввод 3 с системой подачи газа наддува гелия 4, системой подачи теплоносителя 5 и через ДМ 6, с нагревателем 7, ДЭПК 8 с вакуумной камерой 9 и вакуумным насосом 10. Параметры газа наддува контролируются датчиками давления и температуры 11.

С помощью систем подачи газа наддува 4, ТН 5, в ЭМУ 1 создаются модельные условия для газификации жидкости 2 (температура ТН, массовый секундный расход ТН, химический состав ТН, давление газа наддува), т.е. обеспечение заданных параметров парциального давления паров жидкости, соответствующего заданной секундной массе испарения жидкости и для последующего сброса ПГС. Параметры ТН контролируются датчиками давления и температуры 12. Массовый секундный расход при подаче ТН регистрируется расходомером 13.

С помощью вакуумного насоса 10 создают давление Р_вк диапазоне (1,0-0,01) атм, контролируемое датчиками 14. Величина исходного давления Р_вк варьируется в соответствии с программой экспериментов.

4. С помощью ДЭПК 8, установленного на ЭМУ 1, осуществляют сброс ПГС из ЭМУ 1 в вакуумную камеру 9 с различными интервалами длительности времени Δt_i, соответствующими различным интервалам длительности работы сопел газореактивной системы ориентации и стабилизации ОС.

Параметры ПГС в ЭМУ 1 контролируются датчиками давления и температуры 15, в дренажной магистрали 6 - датчиками давления и температуры 16. Регистрация появления конденсата 17 в ДМ 6, ДЭПК 8 регистрируется устройством 18 (видео- и фотокамерой). Процентный состав паров жидкости в ПГС контролируется с помощью газоанализатора 19.

5. С помощью нагревателя 7 исследуется влияние температуры ДМ, ДЭПК на появление конденсата 17 и его концентрации внутри ДМ, ДЭПК.

Сбросом газа надува из ЭМУ 1 в вакуумную камеру 9 моделируется процесс сброса ПГС из баков ОС в окружающее космическое пространство. Происходящее резкое увеличение скорости испарения жидкости 2, соответственно, увеличивает область параметров, при которых происходит процесс образования конденсата, и массовую скорость его образования, с последующей возможностью его кристаллизации в ДМ, ДЭПК.

Эффект предлагаемого способа и устройства для его осуществления заключается в возможности проведения процесса моделирования замерзания ДМ, ДЭПК, происходящих на ОС ракет-носителей при их нахождении на орбитах после выполнения своей миссии, с целью разработки технологических, схемных и проектно-конструкторских решений для предотвращения аварийных ситуаций (взрывов), например, статья Трушляков В.И., Жариков К.И. Оценка возможности разрушения топливных баков орбитальной отработанной ступени ракеты-носителя с маршевым ЖРД // Тепловые процессы в технике. 2016. Т. 8. N 6. С. 278-287.