Спосіб вироблення залишку палива в рушійній установці рідинної ракети

Передбачуваний винахід відноситься до галузі ракетної техніки і може бути використаний у системах живлення ракетних двигунів. У процесі польоту ракети компоненти палива в баку нагріваються. Приплив тепла до них здійснюється за рахунок аеродинамічного нагріву стінок бака, від гарячих агрегатів двигуна, від газу наддування і т.д. Нагріваючись, найтепліші порції компонентів палива за рахунок інерційних і архімедових сил підіймаються вгору до межі розділу фаз, тобто відбувається їх термічне розшарування (стратифікація). Очевидно, що при подачі компонента палива з бака у двигун, найбільш нагрітий шар рідини потрапляє у двигун останнім. Двигун має обмежений діапазон працездатності за температурою компонентів палива. А температура верхнього шару може значно перевищувати максимально допустиме для двигуна значення. У результаті, для виключення можливих аварійних ситуацій, доводиться залишати в баку невиправдано завищений залишок компонента палива. Відомий ряд способів зменшення залишку компонента палива в рушійній установці рідинної ракети, в яких компонент палива в баку перемішують. Принцип перемішування в цих способах заснований на використовуванні додаткових джерел енергії. Так у "активному способі" зниження температури верхнього шару компонента, заснованому на барботуванні компонента, до пристрою введення газу, встановленого в паливному об'ємі бака, підводиться газ із балона високого тиску (див. напр.: [1], стор.723 "Пневматические перемешивающие устройства"). Такий спосіб ускладнює конструкцію системи подачі, погіршує роботу забірних пристроїв, оскільки при певному поєднанні вібраційних навантажень, що діють на ракету при польоті, спостерігається зворотна міграція барботуючи х пузирів газу (див. напр.: [2], стаття "Об устойчивости роя пузырьков воздуха в колеблющейся жидкости" і ін.). Газ не спливає вгору, перемішуючи рідкий компонент палива, а рухається вниз до забірного пристрою, що може приводити до ненормальності в роботі рушійної установки. Відомі "пасивні способи" дестратифікації, що використовують для перемішування палива поперечні кільцеві бакові перегородки, а також коаксіальний циліндр, встановлений усередині бака (див. [3], стор.234-235). Ці рішення погіршують вагові характеристики та ускладнюють конструкцію паливних систем. Найближче до запропонованого за технічною суттю є спосіб вироблення залишку компонента палива в рушійній установці рідинної ракети, заснований на струменевому перемішуванні прогрітого компонента палива (див. [3], стор.233). У цьому способі частина компонента палива відбирається за відповідним насосом і, витікаючи під високим тиском з отворів колектора, встановленого в нижній частині бака, струменями перемішує термічно розшарований компонент палива. Основними недоліками даного способу є те, що, додаткова витрата компонента, приводить до збільшення потрібної потужності турбонасосного агрегату, для відбору частини компонента на перемішування необхідні додаткові магістралі з елементами автоматики (електропневмоклапани, жиклери і т.д.), спеціальної конструкції колектор, а також додаткові команди від системи керування. Крім того, струмені рідкого компонента, що витікають із колектора не повинні виходити за вільну поверхню компонента, щоб не викликати падіння тиску в газовому об'ємі через конденсацію парової фази на струмені. Тому, для гарантованого виключення попадання струменів компонента в газовий об'єм бака перемішування закінчується задовго до вимикання двигуна, що не виключає повторного температурного розшарування компонентів палива. 3адчею винаходу є зменшення об'єму залишку компонента палива, шляхом зниження температури верхнього шару компонента за рахунок його динамічного перемішування. Рішення задачі досягається тим, що до моменту, коли середньомасова температура компонента палива досягає свого максимально допустимого значення (з умови працездатності рушійної установки), компонент перемішують різким зменшенням тяги двигуна, наприклад, шляхом вимикання маршового двигуна. Процес різкого зменшення тяги супроводиться динамічними коливаннями конструкції й перемішуванням компонента по об'єму. Після чого перемішаний компонент виробляють двигуном із витратою, меншою витрати на основному режимі роботи двигуна, наприклад, рульовим двигуном. Таким чином, запропонований спосіб має наступні, істотні відмітні ознаки: 1. До моменту досягнення середньомасовою температурою залишка компонента свого максимально допустимого значення, залишок компонента перемішують різким зменшенням тяги двигуна. 2. Після різкого зменшення тяги двигуна компонент виробляють двигуном із витратою, меншою витрати на основному режимі роботи двигуна. Сукупність нових істотних відмітних ознак і відомих істотни х ознак забезпечує рішення задачі. Технічний результат виявляється в підвищенні енергомасових характеристик ракети, здійснюваних шляхом практично повного вироблення перемішаних компонентів палива. Спосіб здійснюється таким чином. Визначається момент, коли середньомасова температура компонента палива в баку наближається до свого максимально допустимого значення (з умови працездатності рушійної установки). Цей момент часу може бути визначений розрахунковим шляхом на підставі даних експериментального відпрацювання ракети або розрахований на бортовій цифровій обчислюванній машині у процесі польоту ракети за свідченнями температурних датчиків, що розміщені в баку на різній висоті. До моменту, коли середньомасова температура компонента палива в баку наближається до свого максимально допустимого значення, різко зменшують тягу двигуна, наприклад, шляхом вимикання маршового двигуна, що приведе до різкого зменшення осьового перевантаження, яке супроводиться динамічними коливаннями конструкції паливного відсіку. Це приведе до збільшення амплітуди коливань рідини в баках. Як правило, в порожнині бака розміщено велику кількість різної арматури (забірні пристрої, трубопроводи, агрегати двигуна і т.д.), яка при збільшенні амплітуди коливань рідини сприяє руйнуванню її верхнього температурного шару й перемішуванню по об'єму. Після чого, для створення оптимальних умов перемішування компонента, його виробляють двигуном із витратою, меншою витрати на основному режимі роботи двигуна, наприклад, рульовим двигуном. Що дозволяє виробити компонент палива майже без залишку. Ефективність запропонованого способу проілюстрована експериментальними даними на Фіг.1, 2, де представлені результати льотних випробувань однієї з ракет із подібною схемою вимикання двигуна. При цьому, у момент виключення маршового двигуна тяга р ушійної установки зменшувалася від 100% до 5%. На Фіг.1 представлені профілі температури компонента по висоті бака за часом польоту ракети ( t ), а також температура верхнього шару компонента палива (tв.ш.). З даних Фіг.1 видно, що профіль температури компонента палива, побудований за показаннями температурних датчиків, після вимкнення маршового двигуна ( t =127с) починає вирівнюватися, а до кінця роботи рульового двигуна ( t =173с) стає практично незмінним по висоті. При цьому, крива зміни температури верхнього шару компонента у момент вимикання маршового двигуна зазнає злому і знижується, що свідчить про наявність інтенсивного процесу перемішування палива. На Фіг.2 представлений графік зміни температури компонента в різних точках бака, а також розрахункова середньомасова (tс.м.) температура. Аналіз Фіг.2 також підтверджує процес перемішування, що відбувається в баку . Температура верхнього шару компонента (tв.ш.) після вимикання маршового двигуна знижується, а температура в нижній частині бака (tвx.) інтенсивно зростає, оскільки руйнівний верхній шар рідини проникає в основну масу компонента і вирівнює її температуру по об'єму. При цьому температура верхнього шару, температура в нижній частині бака і середньомасова температури компонента в кінці роботи рульового двигуна стають практично рівні між собою (дивись малюнок 2, t =173с). Запропонований спосіб вироблення залишку компонента палива в рушійній установці рідинної ракети дозволяє значно зменшити об'єм невикористаних залишків компонентів палива, підвищивши масово-енергетичні характеристики ракети. Список використаних джерел: 1. А.А.Лащинский, А.Р.Толчинский. Основы конструирования и расчета химической аппаратуры. Машиностроение, М: 1970г. 2. В.М.Рамм. Адсорбция газов,. Химия, М: 1976г., стор.99, а також журнал МЖГ №3, 1969г. 3. А.А.Козлов, В.Н.Новиков, Е.В.Соловьев. Системы питания и управления ЖРДУ. Машиностроение, М: 1988г.