Спосіб і пристрій наддуву паливного бака ракети-носія високотемпературним газом, що генерується у внутрішньобаковому просторі

Реферат: Група винаходів належить до ракетно-космічної техніки. В способі наддуву паливного бака ракети-носія з рідким компонентом палива високотемпературним газом наддув паливного бака ракети-носія здійснюється шляхом генерації високотемпературного газу у внутрішньобаковому просторі при взаємодії з поверхнею компонента палива, що знаходиться в баку, диспергованого рідкого реагенту (який створює з цим компонентом палива самозаймисту паливну пару) у вигляді послідовності турбулентних вихрових кілець, які формуються з суміші нейтрального газу і диспергованого реагенту і прямують уздовж осі бака до поверхні компонента палива зі швидкістю, що забезпечує необхідну далекобійність і відсутність руйнування поверхні. При цьому кількість реагенту в турбулентних вихрових кільцях регулюється відповідно до відхилень тиску у вільному газовому об'ємі бака від заданого значення. Пристрій для здійснення наддуву містить джерело нейтрального газу високого тиску, ємність з реагентом і пристрій для формування турбулентних вихрових кілець з суміші диспергованого реагенту і нейтрального газу і їх подачі до поверхні компонента палива, виконаний у вигляді газодинамічного генератора імпульсів витрати, у стінці пневматичної камери якого встановлено форсунку, сполучену магістраллю із зворотним клапаном і редукційним гідравлічним клапаном, управляюча порожнина якого сполучена з вільним газовим об'ємом бака трубопроводом, із забірним UA 108530 C2 (12) UA 108530 C2 пристроєм ємності з реагентом. Винахід дозволяє збільшити енергомасові характеристики систем живлення рідинних ракетних рухових установок ракет-носіїв. UA 108530 C2 Винахід належить до ракетної техніки і може бути використаний для підвищення енергомасових характеристик систем живлення рідинних ракетних двигунних установок (РРДУ) ракет-носіїв (РН) за рахунок ефективного перемішування вільного газового об'єму (ВГО) паливного 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 бака (ПБ) великого подовження ( НПБ  2,0  2,5 ) DБ в процесі його наддуву високотемпературним газом, яке обумовлює зменшення: - втрат тепла з ВГО в обмежуючі його стінки ПБ; - прогрівання поверхневого шару компонента палива (КП), що міститься в баку; - "теплових залишків" незабору КП з ПБ (див. с 217, 233 у кн. Козлов А. А. Системы питания и управления ЖРДУ / А.А. Козлов, В.Н. Новиков, Е.В. Соловьёв. - М.: Машиностроение, 1988. 352 с.). Відомий спосіб наддуву ПБ з рідким КП високотемпературним газом, що генерується у внутрішньобаковому просторі шляхом подачі у ВГО газу-реагенту, який створює з КП, що знаходиться в баку, самозаймисту паливну пару (див. статтю Кейди Е.С. Наддув водородного бака с использованием газообразного фтора / Е.С. Кейди, Д.В. Кендл // ВРТ. - 1972. - № 6. - С. 27-45.). Струмінь газу-реагенту, що вдувається у ПБ, забезпечує, поряд з ефективним перемішуванням ВГО бака в межах своєї далекобійності, генерацію в ньому високотемпературного газу в процесі хімічної взаємодії з поверхнею КП. При цьому непродуктивні втрати тепла, що виділяється в процесі цієї взаємодії, на прогрівання поверхневого шару КП і його випаровування складають більше 20 % від сумарного тепловиділення (див. с. 40 у статті Кейди Е.С. Наддув…). Крім того, у цьому випадку згоряння починається ще в зоні струменя газу-реагенту при його взаємодії з парами, що надходять у ВГО з поверхні КП. Це призводить до збільшення градієнта температури у ВГО і, як наслідок, до зростання теплових втрат з ВГО у стінки ПБ. У зв'язку з викладеним, область раціонального застосування вказаного способу наддуву обмежена переважно ПБ з кріогенними КП, пари яких характеризуються низькою густиною. Відомий спосіб наддуву ПБ високотемпературним газом, що генерується в його ВГО, шляхом здійснення контрольованої екзотермічної хімічної реакції між КП і рідким реагентом, який створює з ним самозаймисту паливну пару та вприскується на вільну поверхню КП або в підповерхневий шар компактним струменем без його дроблення і розбризкування (див. с. 31-32 у кн. Пневмогидравлические системы двигательных установок с жидкостными ракетными двигателями. Под ред. В.Н. Челомея. - М.: Машиностроение, 1978. - 240 с.). Уприскування реагенту на поверхню КП струменем забезпечує збільшення питомого об'єму газоподібних продуктів реакції, зменшення прогрівання поверхневого шару КП і більш високу температуру газу у ВГО при зниженій витраті реагенту. Проте застосування цього способу обмежується складністю забезпечення ідентичності умов взаємодії струменя реагенту з поверхнею КП при переміщенні її рівня у процесі витрачання КП з ПБ, особливо для баків великого подовження. Відомий пристрій для введення газоподібного реагенту у ВГО паливного бака з КП, який являє собою насадок дифузорного типу, що забезпечує максимальну далекобійність струменя газу-реагенту та інтенсивне перемішування ВГО бака у межах цієї далекобійності (див. статтю Кендл Д.В. Влияние перемешивания в подушке на характеристики системы наддува баков / Д.В. Кендл // ВРТ. - 1971. - № 6. - С. 22-35). Проте далекобійність газових струменів у ПБ обмежена як дією архимедових сил (див. с. 219-220 у кн. Козлов А.А. Системы питания…), так і обмежуючим впливом стінок бака (див. статтю Митиков Ю.А. Определение коэффициентов стеснения неизотермических турбулентных струй / Ю.А. Митиков, С.А. Куда // Проектирование сложных технических систем: Сб. науч. тр. К.: Наук, думка, 1989. - С. 153-155). Відомий пристрій для подачі на поверхню КП, що знаходиться у ПБ, рідкого реагенту, що створює з КП самозаймисту паливну пару, знаходиться в спеціальній ємкості і подається на поверхню КП у баку через форсунку, встановлену на верхньому днищі ПБ, у вигляді імпульсів витрати компактного струменя (див. с 18 у статті Кенни Р. Дж. Наддув топливного бака путём впрыска реагирующего компонента / Р. Дж. Кенни, П.А. Фридман // ВРТ. - 1966. - № 7. - С. 1327). Пристрій характеризується надійністю та високою точністю підтримки тиску у ВГО. Проте натікання струменя реагенту на поверхню КП, що супроводжується інтенсивним її розбризкуванням і прониканням углиб КП, призводить до збільшення непродуктивних втрат тепла, що виділяється у процесі екзотермічної реакції, на прогрівання приповерхневого шару КП і, як наслідок, до зменшення температури одержуваного газу і зниження працездатності ВГО в цілому. Вказані обставини зумовлюють необхідність збільшення витрати реагенту для компенсації цих втрат. 1 UA 108530 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Найближчим аналогом способу, що заявляється, вибраним як прототип, є спосіб наддуву ПБ високотемпературним газом, що генерується у внутрішньобаковому просторі, який полягає в подачі на поверхню КП імпульсів витрати диспергованого рідкого реагенту, що створює самозаймисту паливну пару з КП (див. с. 214-215 у кн. Беляев Н.М. Системы наддува топливных баков ракет / Н.М. Беляев. - М: Машиностроение, 1976. - 336 с. або с. 20-25 у статті Кенни Р. Дж. Наддув топливного бака…), при якому забезпечується мінімальне проникання реагенту в глибину КП, а, отже, мінімум непродуктивних втрат тепла екзотермічної реакції на прогрівання і випаровування КП, зменшення "теплових залишків" незабору і підвищення точності підтримки заданого тиску наддуву у ВГО ПБ (див. с. 216 у кн. Беляев Н.М. Системы наддува…). Загальними істотними ознаками відомого способу-прототипу і того, що заявляється, є генерація високотемпературного газу наддуву у внутрішньобаковому просторі в процесі екзотермічної реакції взаємодії диспергованого рідкого реагенту, який створює самозаймисту паливну пару з КП, що знаходиться в баку, з поверхнею компоненту палива. У способі-прототипі це досягається шляхом гідравлічного диспергування потоку реагенту з одночасним доданням йому руху уздовж осі ПБ до поверхні КП. Проте застосування вказаного способу призводить до значного зниження повноти продуктивного використання теплового потенціалу екзотермічної реакції взаємодії імпульсу витрати диспергованого реагенту, що вприскується у ПБ, з КП, що знаходиться в цьому ПБ, зважаючи на інтенсивне випаровування рухомих крапель реагенту у високотемпературному середовищі ВГО (див. статтю Буглаев В.Т. Эффективность охлаждения газового потока мелкодиспергированной влагой / В.Т. Буглаев, М.Н. Лифшиц, Ф.В. Васильев // Теплоэнергетика. - 1986. - № 5. - С. 45-49), що призводить до охолоджування газу у ВГО, збільшення вмісту пари реагенту в ньому, зменшення швидкості генерації високотемпературного газу наддуву за рахунок зменшення витрати реагенту, який приходить до поверхні КП, і, зрештою, до зменшення працездатності газу - (RТ)ЭФ у ВГО (див. с. 210 у кн. Беляев Н.М. Расчёт пневмогидравлических систем ракет / Н.М. Беляев. - М.: Машиностроение, 1983. - 219 с.). При цьому в міру збільшення висоти ВГО в процесі опускання рівня КП при спорожненні ПБ вплив вказаних обставин зростає. Найближчим аналогом пристрою, що заявляється, вибраним як прототип, є пристрій для вприскування імпульсів витрати диспергованого реагенту на поверхню КП, що створює з ним самозаймисту паливну пару, у паливному баку, виконаний у вигляді встановленого на верхньому днищі бака клапана вприскування, вхід якого з'єднаний газовою магістраллю, що включає запірно-регулюючий клапан, з ємністю з нейтральним газом високого тиску, а гідравлічною магістраллю із запірним клапаном - з місткістю для зберігання реагенту. При цьому на виході клапана вприскування встановлена розпилююча форсунка, а управління його роботою здійснюється по сигналу від реле тиску, що знаходиться у ВГО бака (див. фіг. 2 на с. 19 у статті Кенни Р. Дж. Наддув топливного бака путём впрыска…). Загальними істотними ознаками відомого пристрою і того, що заявляється, є наявність в їх складі ємності з реагентом, джерела нейтрального газу високого тиску і пристрою для подачі імпульсів витрати розпиляного реагенту на поверхню КП у баку, регульованих відповідно до відхилення тиску в його ВГО від заданого значення. У пристрої-прототипі це досягається установкою на верхньому днищі бака клапана вприскування, управління роботою якого здійснюється в релейному режимі ("відкритийзакритий) за сигналом від датчика тиску, що знаходиться у вільному газовому об'ємі ПБ. Вказаний пристрій, хоча й забезпечує необхідну точність підтримки тиску наддуву ПБ, проте розпилювання клапаном вприскування імпульсу витрати реагенту супроводжується збільшенням об'єму його факела і сумарної поверхні реагенту в ньому (див. с. 10 у кн. Абрамов Ю.А. Моделирование процессов в пожарных стволах / Ю.А. Абрамов, В.Е. Росоха, Е.А. Шаповалова. - Харьков.: Фолио, 2001. - 195 с.). Наслідком цього є інтенсифікація випаровування реагенту як при його русі у високотемпературному середовищі ВГО (див. с. 11 у кн. Абрамов Ю.А. Моделирование…), так і в процесі взаємодії крапель з поверхні КП у ПБ (див. с. 75 у статті Боначина Капельное охлаждение / Боначина, Дель Джудиче, Комини // Теплопередача. Trans ASNE: 1979. - Т. 101, № 3. - С. 69-76 та с. 114 у кн. Майер В.В. Кумулятивный эффект в простых опытах / В.В. Майер. - М.: Наука, 1989. - 192 с.). Вказані процеси призводять до інтенсивного зростання маси пари реагенту у ВГО, збільшення молекулярної маси парогазового середовища у вільному газовому об'ємі і, як наслідок, до збільшення витрати реагенту на забезпечення необхідного тиску наддуву (див. табл. 1 на с. 21 у статті Кенни Р. Дж. Наддув…). В основу винаходу поставлено задачу удосконалення способу наддуву ПБ РН високотемпературним газом, що генерується у внутрішньобаковому просторі при взаємодії 2 UA 108530 C2 5 10 15 20 25 30 компоненту палива з диспергованим рідким реагентом, що подається на поверхню КП та створює з ним самозаймисту паливну пару, шляхом організації нового способу формування імпульсів витрати диспергованого реагенту і їх подачі до поверхні КП, що знаходиться в баку, який забезпечує: - високу далекобійність в обмежених умовах внутрішньобакового простору: - зменшення інтенсивності випаровування диспергованого реагенту на шляху руху імпульсів його витрати у ВГО; - відсутність руйнування поверхні КП імпульсом витрати реагенту, що натікає на неї; - збільшення площі взаємодії реагенту з поверхнею КП у баку і зменшення прогрівання і випаровування КП; - підвищення інтенсивності перемішування газового середовища у ВГО бака при здійсненні наддуву. Реалізація вказаних заходів дозволить зменшити витрату реагенту на наддув ПБ, підвищити працездатність - (RT)EФ вільного газового об'єму ПБ і зменшити "теплові залишки" незабору КП при його витраті з бака. У основу винаходу поставлено також задачу удосконалення пристрою для наддуву ПБ високотемпературним газом, що генерується у внутрішньобаковому просторі при взаємодії КП з диспергованим реагентом, що подається на його поверхню, в якому шляхом введення нових конструктивних елементів і зв'язків між ними здійснюватиметься формування і подача на поверхню КП у ПБ імпульсів витрати реагенту з параметрами, що дозволяють зменшити непродуктивні втрати реагенту на забезпечення заданих параметрів наддуву ПБ і зменшити "теплові залишки" незабору КП з ПБ. Поставлена задача розв'язується тим, що в способі наддуву ПБ РН високотемпературним газом, що генерується у внутрішньобаковому просторі при взаємодії КП з диспергованим рідким реагентом, що подається на поверхню КП та створює з ним самозаймисту паливну пару, подачу реагенту здійснюють у вигляді послідовності локалізованих у просторі формоутворень з суміші диспергованого реагенту і нейтрального газу у вигляді турбулентних вихрових кілець (ТВК), що утворюються при імпульсному виштовхуванні порції суміші у вигляді струменя кінцевої довжини через діафрагму (див. с. 45-47 у дисертації Тарасова В.Ф. Экспериментальное исследование турбулентных вихревых колец. Дисс. … канд. физ.-мат. наук. - Новосибирск, 1975 - 146 с.) і направляються уздовж осі ПБ до поверхні КП в ньому з початковою швидкістю U0, що забезпечує далекобійність ТВК LTBK>НПБ, де НПБ - висота бака, та визначається за співвідношенням (див. с. 136 у кн. Тарасов В.Ф. Экспериментальные исследования…): U0  35 При дотриманні умови про неруйнування поверхні КП турбулентним вихровим кільцем, що натікає на неї, яка виходить з балансу сил динамічної дії ТВК на поверхню КП і сил поверхневого натягнення, U0  40 3 HПБС . 1000R0 34 gnXКПКП 0,5 , C де R0 - початковий радіус ТВК;  С , C - кінематична в'язкість і густина суміші нейтрального газу і диспергованого реагенту, яка створює ТВК, відповідно; КП , КП - густина і коефіцієнт поверхневого натягнення КП, відповідно; n X - осьове перевантаження, діюче на ПБ РН; g - прискорення вільного падіння на поверхні Землі. 45 50 55 Поставлена задача розв'язується також тим, що ТВК формують у вигляді еліпсоїдних ТВК, характерною особливістю яких є мінімальна втрата диспергованого реагенту, який входить до складу суміші, що створює ТВК, на шляху руху кільця до поверхні КП (див. с. 31 у статті Андрианкин Э.И. О потере пассивной примеси турбулентным вихревым кольцом / Э.И. Андрианкин, П.А. Прядкин // ПМТФ. -1986. - Т. 50, № 1. - С. 31-39.). Це пояснюється збільшеною швидкістю руху в ядрі вихору, що супроводжується виникненням градієнта тиску, скерованого до центру вихору (див. фіг. 5, 6 на с. 209 у статті Sallet D.W. An Experimental Investigation of Laminar and Turbulent Vortex Rings in Air / D.W. Sallet, R.S. Widmayer // Z. Flugwiss. - 1974. - Bd. 22, Heft 6. - S. 207-215), а також додатковим дробленням крапель диспергованого реагенту в ядрі вихору і відповідним зменшенням швидкості їх седиментації (див. с. 17-18 у кн. Цетлин В.М. Аэрозольные баллоны / В.М. Цетлин. - Л.: Химия, 1970. - 160 с.). 3 UA 108530 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Поставлена задача розв'язується також тим, що ТВК формують з частотою 10