Спосіб наддування бака з висококиплячим пальним типу гас

Реферат: Винахід належить до галузі ракетно-космічної техніки. Спосіб наддування бака з висококиплячим пальним типу гас рушійної установки ракети-носія, що використовує як окислювач рідкий кисень, полягає в тому, що передпускове наддування проводять газом з температурою навколишнього середовища, а при роботі рушійної установки в рідинному газогенераторі одержують відновний газ з основних компонентів палива і вводять його в вільний об'єм бака. При роботі рушійної установки в газогенераторі забезпечують температуру згоряння компонентів палива на рівні 1770±100 К. Отримані продукти згоряння з цією температурою вводять в вільний об'єм бака. До опускання рівня палива в баку на відстань від зрізу газовводу, при якій динамічний напір на осі струменя газу наддування стає менше величини, здатної дробити паливо, масові витрати генераторного газу забезпечують на рівні 0,4-0,6 вид номінальних. Далі протягом роботи генераторний газ вводять в бак зі швидкістю, яка забезпечує час зниження температури генераторного газу в баку до 700 К, меншій часу протікання реакцій CH4   2H2  C ; CO 2  C  2CO .  При проведенні передпускового наддування частину газу передпускового наддування розміщують в додаткових еластичних ємностях, які розміщують над верхнім днищем паливного UA 112787 C2 (12) UA 112787 C2 бака і з'єднують ці ємності з його вільним об'ємом, доводять сумарний вільний об'єм бака до потрібного. А при роботі рушійної установки газ з додаткових еластичних ємностей подають в вільний об'єм паливного бака на верхнє днище і зменшують сумарний вільний об'єм бака. Верхнє днище бака та його верхню частину зсередини теплоізолюють. UA 112787 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до галузі ракетно-космічної техніки і може бути використаний для наддування баків з висококиплячим пальним типу гас рушійних установок ракет-носіїв, в яких окислювач - рідкий кисень. В даний час як паливо рушійних установок (РУ) сучасних ракет-носіїв (РН), особливо їх перших ступенів, поширення знаходять (і плануються до застосування) низькокиплячий окислювач - рідкий кисень, і вуглеводневе пальне типу гас (РГ-1, Т-1, Т-6, метан, синтин, далі гас). [Митиков, Ю.А. Газобаллонные системы наддува и ракеты-носители нового поколения / Ю.А. Митиков // Космическая техника. Ракетное вооружение.-2012. - №1. - С. 179-185]. Достатньо перерахувати РН "Зеніт", "Маяк" (Україна); Antares (США, Україна); численну родину РН "Союз-2", "Русь-М", "Ангара" (Росія); Atlas-V, Falcon 9 (США); KSLV-1 (Південна Корея, Росія) та ін. Передпускове наддування паливних баків усіх згаданих носіїв виконується інертним газом (як правило, азотом чи гелієм) з температурою навколишнього середовища. До теперішнього часу відомі різні способи наддування паливних баків працюючих РУ ракетносіїв. У той же час, постійно присутня тенденція використовувати все більш гарячі робочі тіла наддування, що сприяє зниженню потрібної маси і суттєвому спрощенню як рушійної установки, так і стартової позиції в цілому [Ю.А. Митиков, В.А. Антонов, М.Л. Волошин, А.И. Логвиненко. Пути повышения надежности и безопасности эксплуатации ракетных комплексов //Авиационнокосмическая техника и технология.-2012. - № 3 (90). -С. 30-36]. Найближчим до винаходу, що заявляється, за технічною суттю і досягуваному ефекту є спосіб наддування паливного бака з гасом рушійної установки ступеня ракети Р-9А (8К75), яка працює на компонентах палива гас і рідкий кисень, і полягає в тому, що передпускове наддування проводять газом з температурою навколишнього середовища, а при роботи рушійної установки в рідинному газогенераторі одержують з основних компонентів палива відновні продукти згоряння (ПЗ) і вводять їх в вільний об'єм бака після зниження температури на турбіні [Воскресенский С. Запоздалая "девятка". Режим доступа http://sersarajkin.narod2.ru/AL_OUT/TiVOut10/BRR/BRR9003.htm]. Така організація наддування, крім незаперечних переваг, має і ряд недоліків. Так, визначально температура відновних ПЗ в прототипі обмежена термічною стійкістю неохолоджуваних матеріалів лопаток турбін і соплових апаратів (~ 1100К) і становить на сьогоднішній день ~ 1400 К. Після турбіни РУ, як відомо, температура генераторного газу суттєво знижується (на 300-400 К). Споконвічно, чим нижче температура згоряння порівняно зі стехіометричною температурою, яка забезпечує продукти повного згоряння, тим більше в цих продуктах парів.У перші 5-10 секунд роботи рухової установки, коли зріз пристрою введення газу наддування в бак знаходиться безпосередньо у вільній поверхні палива, відбувається інтенсивна взаємодія струменя газу наддування з паливом. При цьому центральна частина струменя ПЗ глибоко впроваджується в паливо, дробить його, і пари, які знаходяться в ній, в своїй більшості конденсуються в рідкій фазі. Зростає температура верхнього шару палива, що наприкінці роботи двигуна має негативні наслідки. Периферійна частина струменя в результаті взаємодії з холодним паливом істотно охолоджується і після відбиття від поверхні разом зі спливаючими продуктами згоряння (з температурою палива) надходять в бак. Реалізується різке падіння тиску газу в баку, а також конденсація частини парів на граничних поверхнях, а також і об'ємна [Митиков Ю.А., Иваницкий Г.М. Расчет параметров системы наддува с учетом взаимодействия струи газа с компонентом топлива// Холодильна техніка і технологія.-2012. №3 (137). - С. 46-50]. Для парирування провалу тиску на практиці збільшують витрати газу на наддування, тим самим збільшують витрати газу в периферійній частині струменя. Після відходу рівня палива від зрізу газоввода інтенсивна взаємодія струменя ПЗ з поверхнею палива припиняється, істотно знижується інтенсивність тепломасобмінних процесів в баку. Середньомасова температура газу в баку починає різко зростати, з нею зростає і тиск газу в баку аж до налагоджування запобіжного клапана. Частина газу наддування, як правило, до кінця роботи рухової установки, скидається за борт. При цьому істотно підвищується температура запобіжного клапана і верхнього днища бака в районі його установки. Такою ціною досягається простота конструкції РУ і стартового комплексу [Митиков Ю.А., Андриевский М.В. Комбинированный наддув бака с углеводородным горючим - сверххолодная и высокотемпературная системы// Авиационнокосмическая техника и технология.-2013. -№5(102). -С. 90-96]. В основу винаходу поставлено задачу підвищення надійності, зниження маси системи наддування бака з пальним типу гас РУ ракет-носіїв, у яких окислювач - рідкий кисень, здешевлення ракетного комплексу. Поставлена задача вирішується тим, що відповідно до винаходу, при роботі РУ в рідинному відновному газогенераторі забезпечують температуру згоряння компонентів палива на рівні 1 UA 112787 C2 5 1770±100 К, отримані продукти згоряння з цією температурою вводять в вільний об'єм бака, при цьому до опускання рівня палива в баку на відстань від зрізу газовводу, при якій динамічний напір на осі струменя газу наддування (складається з ПЗ, ежектованих в струмінь парів палива і газу передпускового наддування) стає менше величини, здатної дробити паливо, масові витрати продуктів згоряння забезпечують на рівні 0,40,6 від номінальних, далі протягом роботи продукти згоряння вводять в бак зі швидкістю, яка забезпечує час зниження їх температури в баку до 700 К меншій часу протікання реакцій CH 4   2H 2  C ; CO 2  C  2CO  10 15 20 25 30 . Іншою відмінністю запропонованого технічного рішення є те, що, при проведенні передпускового наддування частину газу передпускового наддування розміщують в додаткових еластичних ємностях, які розміщують над верхнім днищем паливного бака і з'єднують ці пазухи з його вільним об'ємом, доводять сумарний вільний об'єм бака і пазух до потрібного, а при роботі рушійної установки з додаткових еластичних ємностей подають газ в вільний об'єм паливного бака на верхнє днище і зменшують сумарний вільний об'єм бака. Також верхнє днище бака та його верхню частину зсередини тепло ізолюють, наприклад, матеріалом на кшталт гніт. Термодинамічні розрахунки [Глушко В.П. Термодинамические и теплофизические свойства продуктов сгорания/ В.Е. Алемасов, А.Ф. Дрегалин и др. - М.: ВИНТИ АН СССР, т.2, 1972.-489 с] показують, що максимальне значення газової постійної ПЗ кисню з гасом складає ~ 530 . Дж/кг град. і спостерігається при температурі в газогенераторі ~ 1770 К. На фіг.1 наведено залежність газової постійної R від температури продуктів згоряння Т. Відхилення температури від цього значення в будь-яку сторону більш ніж на 100 К призводить до суттєвого падіння газової постійної. При цьому тиск у газогенераторі в межах 390-2000 КПа впливу на її величину не надає. При введенні в бак ПЗ з Т=1770 К температура газу всередині бака з відомих причин (механічна робота витиснення палива з бака, тепломасообмін) буде істотно менше. Як видно з фіг. 2, на якому наведені результати рівноважного охолодження ПЗ (ф - масова частка вуглецю), при температурі нижче 1100 К спостерігаються негативні явища - відбувається швидке зростання частки вуглецю (сажі) в ПЗ і зниження величини газової постійної. Розглянемо кінетику хімічних реакцій, що відбуваються в ПЗ палива кисень - гас. При температурі ~ 1770 К ПЗ складаються з Н2, Н2О, СО і СО2. При їх рівноважному охолодженні відбуваються наступні хімічні реакції [Беляев Н.М. Системы наддува топливных баков ракет. М. Машиностроение, 1976.-С.67-71]: CO 2  H 2   CO  H 2 O ; (1) 35 CH 4   2H 2  C ; (2) CO 2  C  2CO  40 45 , (3). У результаті реакції (1) газова постійна ПЗ не змінюється, дві інші реакції призводять до її зменшення. Реакції (2) і (3) протікають при температурах від 1100 К до 700 К. Час, необхідний для досягнення рівноваги реакцій (2) і (3) при температурі 1100 К, вимірюється секундами, причому з пониженням температури цей час тільки збільшується. Таким чином, завдання отримання чистих ПЗ зводиться до швидкого (   3 c ) проходження ПЗ температурного діапазону 1200-700 К. Цей висновок цілком реалізуємо при введенні ПЗ в бак зі швидкістю w10 м/с. При встановлені масових витрат ПЗ на рівні 0,4-0,6 від номінальних на початку роботи РУ зберігаємо частину ПЗ, які б конденсувалися при номінальному режимі, суттєво зменшуємо прогрів верхнього шару палива. Також, в цей час при невеликій потрібній витраті ПЗ їх температуру можна збільшити в бік стехіометрії для більш стабільної роботи газогенератора. 2 UA 112787 C2 5 10 15 Відстань від зрізу газовводу до рівня палива (або час включення 100 % режиму роботі газогенератора), при якому динамічний напір на осі струменя газу наддування менше величини, здатної дробити паливо, можна розрахувати за допомогою числа Вебера We [Большая энциклопедия Нефти и Газа. Число Вебера, http://www.ngpedia.ru/id597028p3.html. - С.З], або експериментально при переключені газогенератора на 100 % режиму на такій відстані від рівня палива, на якому спостерігається мінімальне падіння тиску газу в баку. Для компенсації зменшення витрат ПЗ в цей час пропонується використовувати частину газу з додаткових еластичних ємностей, який там був "зарезервований" при передпусковому наддуванні. У більшості випадків величина тиску передпускового наддування більше потрібного тиску газу в баку при роботі рушійної установки. Доцільно холодний газ з пазух подавати на верхнє днище бака для його охолодження. Також ця операція дозволяє зменшити потрібний об'єм бака за рахунок більш повного використання об'єму сухих відсіків носія. При великій величині тиску газу в баку (щільності теплових потоків) або великої тривалості роботи РУ доцільно нанести на верхнє днище бака і його верхню частину теплоізоляцію. Найбільш простим і економічним рішенням в даному випадку (відома властивість гасу - велика плинність) буде використання матеріалів на кшталт гніт, наприклад, поширених керамічних тканих матеріалів. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 20 25 30 1. Спосіб наддування бака з висококиплячим пальним типу гас рушійної установки ракети-носія, що використовує як окислювач рідкий кисень, полягає в тому, що передпускове наддування проводять газом з температурою навколишнього середовища, а при роботі рушійної установки в рідинному газогенераторі одержують відновний газ з основних компонентів палива і вводять його в вільний об'єм бака, який відрізняється тим, що при роботі рушійної установки в газогенераторі забезпечують температуру згоряння компонентів палива на рівні 1770±100 K, отримані продукти згоряння з цією температурою вводять в вільний об'єм бака, при цьому до опускання рівня палива в баку на відстань від зрізу газовводу, при якій динамічний напір на осі струменя газу наддування стає менше величини, здатної дробити паливо, масові витрати генераторного газу забезпечують на рівні 0,4-0,6 від номінальних, далі протягом роботи генераторний газ вводять в бак зі швидкістю, яка забезпечує час зниження температури генераторного газу в баку до 700 K, меншій часу протікання реакцій CH4   2H2  C ; CO 2  C  2CO .  35 40 2. Спосіб наддування паливного бака за п. 1, який відрізняється тим, що при проведенні передпускового наддування частину газу передпускового наддування розміщують в додаткових еластичних ємностях, які розміщують над верхнім днищем паливного бака і з'єднують ці ємності з його вільним об'ємом, доводять сумарний вільний об'єм бака до потрібного, а при роботі рушійної установки газ з додаткових еластичних ємностей подають в вільний об'єм паливного бака на верхнє днище і зменшують сумарний вільний об'єм бака. 3. Спосіб наддування паливного бака за п. 1, який відрізняється тим, що верхнє днище бака та його верхню частину зсередини теплоізолюють. 3 UA 112787 C2 Комп’ютерна верстка Г. Паяльніков Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4