CC BY
103
УДК 629 76 А. Ю. КАЗАКОВ
А. С. КУРОЧКИН И. Ю. ЛЕСНЯК
Омский государственный технический университет
РАЗРАБОТКА
АВТОНОМНОЙ БОРТОВОЙ СИСТЕМЫ СПУСКА ОТДЕЛЯЮЩИХСЯ ЧАСТЕЙ СТУПЕНЕЙ РАКЕТ
КОСМИЧЕСКОГО НАЗНАЧЕНИЯ_____________________________
Статья посвящена разработке автономных бортовых систем спуска (АБСС) отделяющихся частей (ОЧ) ступеней ракет космического назначения (РКН) с жидкостными ракетными двигателями (ЖРД); рассмотрен основной состав и структура взаимодействия подсистем АБСС; обозначены основные критерии при проектировании каждой подсистемы; предложены рекомендации по разработке АБСС.
Ключевые слова: тепло- и массообмен, система газификации, внутрибаковые устройства, теоретико-экспериментальные исследования, граничные условия, газовый ракетный двигатель.
Работа выполнена при поддержке государственного контракта Минобрнауки
№ 02.740.11.0178и грантов РФФИ № 10-08-00064-а, РФФИ №10-08-05016-б и РФФИ № 11-08-05047-б.
Введение. Для снижения техногенного воздействия ОЧ ступеней РКН с жидкостными ракетными двигателями (ЖРД) на окружающую среду предлагается использовать АБСС, работа которой основана на использовании энергии, содержащейся в жидких остатках компонентов ракетного топлива (КРТ) после выключения ЖРД, для совершения маневров с применением газовых ракетных двигателей (ГРД). Наличие остатков КРТ обусловлено различными причинами и может составлять до 3 % от начальных запасов топлива, а остатки сжатого газа в шар-баллонах могут составлять до 30 % от начальных запасов, представляя потенциальную угрозу взрыва ОЧ на орбитах выведения полезных нагрузок или преждевременного взрыва при спусках в районы падения [1].
В работах [2] рассмотрены различные системы снижения техногенного воздействия ОЧ ступеней РКН на окружающую среду, в том числе система газификации и сброса остатков КРТ через сопла сброса в окружающее космическое пространство.
Работа АБСС определяется в первую очередь протеканием процесса газификации жидких остатков КРТ в условиях невесомости и неопределенности граничного и фазового состояния газожидкостной смеси.
1. Особенности и общая схема системы газификации жидких остатков компонентов ракетного топлива. Под понятием «газификация» подразумевается преобразование в горючие газы органической части твердого или жидкого топлива при высокотемпературном нагреве (1000...2000 °С) с окислителем или газифицирующим агентом (кислород, воздух, углекислый газ и т.д.) [3]. Все способы газификации топлив, несмотря на их большое разнообразие, характеризуются одними и теми же химическими реакциями и процессами.
Для предлагаемого способа газификации характерна общность физико-химических процессов, однако имеется ряд существенных отличий в виде дополнительных ограничений, накладываемых спецификой предлагаемого способа:
— ограничение диапазона давлений в баках ОЧ ступеней РКН из условия термопрочностного нагружения конструкции;
— ограничение диапазона температур протекания процесса газификации из условия термопрочностного нагружения конструкции;
— максимально возможное сохранение химического состава газифицируемых КРТ с целью достижения максимального удельного импульса ГРД.
Последнее требование накладывает дополнительные ограничения на состав теплоносителя (ТН), допустимую концентрацию ТН в составе газифицированных КРТ, позволяющую реализовать процесс химического взаимодействия в камере ГРД.
Функционирование предлагаемой системы газификации (СГ) жидких остатков КРТ основано на подаче ТН в бак с остатками КРТ, получаемого за счет работы газогенератора.
Состав системы газификации жидких остатков КРТ представлен на рис. 1.
Ключевым элементом в СГ является газогенератор, выбор которого осуществляется по следующим исходным данным:
— расход ТН,
— процентное соотношение продуктов газификации, входящих в состав ТН,
— количество теплоты, необходимое для газификации заданных остатков КРТ,
— время работы системы газификации,
— параметры струи ТН.
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 3 (113) 2012 МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ
МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 3 (113) 2012
Рис. 1. Обощённый состав системы газификации жидких остатков КРТ
В качестве критериев выбора типа ГГ и его проектно-конструктивных параметров принимаются:
— масса системы газификации тСГ,
— объем системы газификации, как функция от массы УСГ = 1:(тСГ).
В качестве примера приведем схему системы газификации жидких остатков КРТ (керосин —кислород) для РКН «Русь-М».
На рис. 2 приведена пневмогидравлическая схема системы газификации жидких остатков КРТ, например керосина.
Газ высокого давления (до 25 МПа), заключенный в баллоне 1, поступает через клапан 2 в газовый редуктор 3, где его давление снижается до необходимого значения. Далее газ поступает в выжимные емкости 4,5, откуда топливо вытесняется и по трубопроводам поступает через дроссели 6 в камеру газогенератора 8, разрывая установленную на трубопроводе мембрану 7. Поступившее в газогенератор топливо воспламеняется и полученный теплоноситель поступает через газоструйный излучатель 9 в бак с остатками керосина.
Принципиальная схема системы получения ТН для газификации кислорода схожа с системой газификации керосина. Отличие лишь в используемом газогенераторе (однокомпонентный) и параметрах получаемого теплоносителя (массовый секундный расход и химический состав).
Применительно к топливной паре кислород — керосин, были рассмотрены различные типы ГГ: твердотопливные, жидкостные однокомпонентные и двухкомпонентные [4].
На основе проведенных исследований были выбраны следующие типы ГГ:
— двухкомпонентный ЖГГ, для газификации керосина, работающий на топливной паре кислород —керосин. Данный ЖГГ был выбран из условий обеспечения заданного химического состава ТН;
— однокомпонентный ЖГГ на перекиси водорода — для газификации кислорода.
— твердотопливный ГГ (ТГГ), применение которого возможно как для газификации керосина, так и кислорода. В зависимости от вида газифицируемого компонента выбирается химический состав ТГГ.
Использование ТГГ позволяет формировать заранее заданный состав теплоносителя (ТН), при этом достигается следующее:
— исключаются элементы жидкостного газогенератора (емкости для топлива с мембранами, сжатого газа, соответствующие магистрали и автоматика);
— упрощается эксплуатация РН при подготовке к пуску (нет заправочных станций, этапа заправки).
Расход, температура ТН и циклограмма работы ГГ выбираются из условия полной газификации
Рис. 2. Элементарная схема системы получения теплоносителя для газификации керосина:
1 — шар-баллон с газом высокого давления; 2 — клапан; 3 — редуктор давления; 4 — шар-баллон с керосином;
5 — шар-баллон с кислородом; 6 — дроссели;
7 — мембраны; 8 — газогенератор;
9 — газоструйный излучатель
остатков КРТ и в соответствии со схемой полета отделяющейся части РКН.
Другим ограничением при выборе ЖГГ, согласно температурно-прочностным свойствам применяемых материалов топливного бака, являются температура и параметры струи ТН.
Основными критериями при разработке системы газификации остатков КРТ являются масса и объем проектируемой системы, которые выбираются из условия заданной массы тСаГд и заданного объема УСзГд:
mCT = mT + mБ + m^ + mCT + mCP < mCT,
VCT = VБ + V^ + VCT + VCp < V^,
(1)
(2)
^ V Б —
mrr Vt
где mcr, Vcr — масса и объем системы газификации; тТ — масса топлива;
масса и объем баллонов топлива;
- масса и объем ГГ; тСВ, VCB масса и объем системы ввода ТН в бак с остатками КРТ;
тСР, Vcp — масса и объем системы регулирования подачи топлива в ГГ.
Из проведенных предварительных оценок (рис. 3) следует, что наибольшая масса в (1) приходится на массу топлива тТ, необходимого для газификации остатков КРТ, а максимальный объем в (2) занимают емкости под топливо для ГГ.
Исходя из этого, предлагается использовать дополнительные методы для интенсификации процесса газификации остатков КРТ, и тем самым уменьшить как затраты энергии, расходуемой на нагрев и испарение жидких КРТ, нагрев конструкции и газовой подушки, так и массы топлива тТ и т Б, VE под него. В качестве возможного метода предлагается исполь-
Масса системы газификации
3%1%
27%
69%
Топливо Шар-баллоны I Автоматика ■ Газогенератор
Рис. 3. Диаграмма массы системы газификации керосина и окислителя для РКН «Русь-М»
зование акустического воздействия на ТН, с применением штуцеров ввода ТН в топливные баки ОЧ ступени РКН, снабженных газоструйными излучателями. Наиболее предпочтительным вариантом газоструйного излучателя является генератор Г артмана, работающий на сверхкритическом перепаде давления и сокращающий запасы топлива т Т для обеспечения процесса газификации на 15 — 20 % [5].
Внутрибаковые устройства. Существует несколько способов повысить эффективность работы системы газификации жидких остатков КРТ, используя внутрибаковые устройства. Оптимизация процесса газификации осуществляется по нескольким критериям:
— полное время газификации остатков КРТ;
— время достижения концентрации паров КРТ значения, позволяющего запустить газовый ракетный двигатель;
— концентрация паров топлива в баке РКН;
— энергетические затраты необходимые для полной газификации КРТ.
При протекании процесса газификации часть энергии, получаемая от теплоносителя, уходит на нагрев конструкции бака, а также газа наддува, находящегося в баке РН. Эта энергия относится к потерям, и ее минимизация приведет к увеличению эффективности системы газификации в целом. Кроме того, низкая концентрация продуктов газификации, вследствие разбавления газифицированных КРТ инертным газом наддува, приводит к снижению эффективности
работы газового ракетного двигателя.
Для решения данных проблем предлагается использовать такие внутрибаковые устройства, как:
— сетчатый фазоразделитель (СФ);
— клапан сброса газа наддува.
Значительное влияние на систему газификации
жидких КРТ накладывает условие расположения остатков КРТ в баках ОЧ РКН. Для снижения энергетических затрат требуется целенаправленное воздействие горячего теплоносителя на КРТ. В условиях неопределенности расположения относительно небольшого количество КРТ (1—3 %) сделать это весьма затруднительно. Целью разработки СФ является оптимизация расположения КРТ и уменьшение энергетических затрат при газификации КРТ.
Использование СФ позволяет ограничить объем, в котором находятся остатки КРТ, и задержать их при перегрузках в процессе отделения ОЧ. Принцип работы СФ основан на капиллярном эффекте. Размер ячеек сетки определяется из условия протекания КРТ при действии перегрузки, давления наддува, при допустимом гидродинамическом сопротивлении.
FH = s2prcos©;
Fa = pph2a;
s • 2p • cos 0
r =-----------r
pha
где r — радиус капиллярного отверстия в сетке, s— сила поверхностного натяжения жидкости, © — угол смачивания жидкости, p — плотность жидкости, h — высота столба жидкости над сеткой, a — ускорение жидкости при движении по направлению к сетке, Fa — сила, с которой жидкость воздействует на элемент сетки, FH — сила поверхностного натяжения.
Размер ячеек разделительной сетки выбирается в зависимости от типа жидких остатков КРТ (несимметричный диметилгидразин, керосин, азотная кислота и т.д.), что связано с коэффициентом поверхностного натяжения каждого из компонентов, например, расчет сетки для РКН «Русь-М». КРТ (керосин) в баке подвергается перегрузкам при отключении двигателя первой ступени и воздействии маршевого двигателя второй ступени. Топливо с определенным ускорением движется из нижней части
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 3 (113) 2012 МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ
МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 3 (113) 2012
Рис. 5. Зависимость остаточного давления после сброса газа наддува к конечной концентрации инертного газа в продуктах газификации
Рис. 6. Схема системы сброса гелия, интегрированная в систему газификации для РН «Русь» 1 — комплект запорных клапанов и регуляторов расхода; 2 — редуктор;
3 — клапан на магистрали двигателей;
4 - газовый ракетный двигатель
бака к верхней и сталкивается с сеткой. Сетка должна иметь размер ячейки, позволяющий ей оставаться непроницаемой (рис. 4).
Для повышения энергетической эффективности газового ракетного двигателя предложено использовать сброс газа наддува перед началом газификации жидких остатков КРТ. Сброс газа наддува позволяет:
— снизить процентное содержание инертных газов в газовой подушке бака, что, в свою очередь, позволяет обогатить конечные продукты газификации парами КРТ (рис. 5);
— получить дополнительный импульс при сбросе инертных газов через сопла сброса (рис. 6) и осуществить маневр или получить приращение скорости;
Мгаза = Р'
Уб
ю = 2 •-
к -1
• Я • Т
1 -|^а
Рк
ДУ = ю- іп^0, М,
где М газа — масса газа наддува в баке РКН, Р — давление в баке, УБ — объем газа, Я — газовая постоянная, ТГ — температура газа в баке, АУ — приращение скорости, М0 — масса ОЧ до сброса газа наддува, М1 — масса ОЧ после сброса газа наддува, ра — давление на срезе сопла, рк — давление в камере сгорания, Т — температура газа в камере сгорания.
— снизить давление в баке РКН, тем самым приблизив его к давлению насыщенных паров жидких КРТ. Это позволяет достичь максимально эффективного процесса газификации — кипения.
Сброс газа наддува приводит к значительной потере внутренней энергии и падению его температуры, однако при этом падение температуры жидких КРТ и металлической конструкции бака незначительно.
В результате оптимизации процесса газификации энергетические затраты сокращаются на 15 — 20 %, а эффективность двигателя повышается до 25 %. Энергия вырабатываемая системой газификации напрямую зависит от массы необходимого топлива, которое необходимо дополнительно включить в мас-
су систему газификации, вследствие этого уменьшение энергетических затрат приводит и к общему уменьшению массы системы газификации.
Газовый ракетный двигатель. Одним из важнейших элементов в АБСС является газовый ракетный двигатель, работающий на нестационарных компонентах ракетного топлива. Данное научное исследование является новым и для теоретических, и для экспериментальных работ в области газовых ракетных двигателей. Необходимо отметить, что есть в отечественном ракетном двигателестроении действующие газовые ракетные двигатели как маршевые, например РД-270 [6], где газификация обоих компонентов происходит в раздельных газогенераторах, так и двигатели малой тяги, но это двигатели либо на однокомпонентном газе (сжатый воздух или азот), либо на комбинированной основе (кислород —газ или жидкий керосин) — газовый РД малой тяги М15, РД малой тяги 17Д16, разработка НИИ МАШ.
При разработке методики проектирования ГРД были приняты следующие допущения [7]:
— распределение зон смешения и горения по длине КС остается неизменным, однако остальные зоны (распыление и испарения) отсутствуют из-за специфики подачи КРТ;
— рассматриваемая система является гомогенной газовой системой;
— при определении проектно-конструктивных параметров ГРД используют методики определения проектно-конструктивных параметров для ЖРД как функции от теплофизических характеристик (ЯТ) и показателя адиабаты к для химически обедненных КРТ, рассчитанных в программе «Тепа» [8].
На рис. 7 представлена принципиальная схема ГРД с вихревой камерой сгорания.
Выводы
1. Определен состав системы газификации, сформулированы основные теоретические положения, допущения и гипотезы, в том числе о снижении энергомассовых затрат, граничных условиях жидкого топлива в баках при протекании процесса газификации в условиях малой гравитации.
2. Определены граничные условия процесса газификации жидких остатков КРТ. Рассмотрены различные варианты схем системы газификации с учетом вида газифицируемого КРТ. Рассмотрены методы интенсификации процесса газификации жидких остатков КРТ с целью уменьшения энергомассовых затрат.
к
/ і 7 2 З
Рис. 7. Схема ГРД с вихревой камерой сгорания:
1 — форсуночная головка,
2 — камера сгорания (зона смешения и горения),
3 — сверхзвуковое сопло, 4 — патрубок подачи О, 5 — патрубок подачи Г,
6 — система воспламенения (лазерная форсунка),
7 — вихревая предкамера
3. Рассмотрены внутрибаковые устройства для увеличения эффективности работы СГ. Описан принцип работы внутрибаковых устройств.
4. Проведен обзор существующих ракетных двигателей по схеме «газ —газ», разработанных ранее, существующих и перспективных ЖРД. Определены основные допущения при проектировании ГРД с нестационарными КРТ. Представлена предварительная принципиальная схема ГРД.
Библиографический список
1. Трушляков, В. И. Снижение техногенного воздействия ракетных средств выведения на жидких токсичных компонентах ракетного топлива на окружающую среду : моногр. / В. И. Трушляков, В. В. Шалай, Я. Т. Шатров ; ред. В. И. Трушляков. — Омск : Изд-во ОмГТУ, 2004. — 220 с.
2. Трушляков, В. И. Газификация жидких остатков ракетного топлива в условиях малой гравитации / В. И. Трушляков, В. Ю. Куденцов // Полет. - 2011. - № 3. - С. 33-39.
3. Химическая энциклопедия. В 5 т. Т. 1 / под ред. И. Л. Кнунянца. - М. : Советская энциклопедия, 1988. - 624 с.
4. Теория ракетных двигателей : учебник для студентов высших технических учебных заведений / В. Е. Алемасов [и др.] ; под ред. В. П. Глушко. - М. : Машиностроение, 1989. - 464 с.
5. Ультразвук. Маленькая энциклопедия / Гл. ред. И. П. Го-лямина. - М. : Советская энциклопедия, 1974. - 400 с.
6. Добровольский, М. В. Жидкостные ракетные двигатели. Основы проектирования : учеб. для вузов / М. В. Добровольский ; под ред. Д. А. Ягодникова. - 2-е изд., перераб. и доп. -М. : Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2005. - 488 с.
7. Обоснование и создание дополнительных бортовых систем РН с ЖРД из условия снижения техногенного воздействия на окружающую среду : отчет о НИР (промежуточный). Шифр «Синева-О», этап 4, Ч. 1 / ОмГТУ ; науч. рук. В. И. Трушляков; исполн. : В. Ю. Куденцов [и др.]. - Омск, 2010. - 171 с. -Инв. № 02201054123. - Гос. рег. №01200960927.
8. Теоретические и экспериментальные исследования рабочих процессов в газовом ракетном двигателе : отчет о НИР (промежуточный). Шифр «Синева-Т», этап 4, Ч. 2 / НИИПММ при ТГУ ; науч. рук. В. А. Архипов [и др.]. - Томск, 2010. -313 с. - Инв. № 02201054123, - Гос. рег. № 01200960927.
КАЗАКОВ Александр Юрьевич, аспирант кафедры авиа- и ракетостроения.
Адрес для переписки: a.yu.kazakov@gmail.com КУРОЧКИН Андрей Сергеевич, аспирант кафедры авиа- и ракетостроения.
Адрес для переписки: raptor686@gmail.com ЛЕСНЯК Иван Юрьевич, аспирант кафедры авиа-и ракетостроения.
Адрес для переписки: tigid86@gmail.com
Статья поступила в редакцию 13.06.2012 г.
© А. Ю. Казаков, А. С. Курочкин, И. Ю. Лесняк
Книжная полка
Ракетно-космическая техника и высокие технологии : сб. материалов I Рос.-Итал. семинара, 26 апр. 2010 г. / ОмГТУ, Милан. политехн. ун-т ; редкол. : В. В. Шалай [и др.]. - Омск, 2010. -122 с. - ISBN 978-5-8149-0956-5.
В сборнике представлены материалы Первого Российско-Итальянского семинара «Аэрокосмическая техника и высокие технологии», проведенного совместно с Миланским политехническим университетом. Содержание издания отражает основные научные направления, представляющие взаимный интерес и актуальные для развития космической техники в настоящее время. Помещены статьи по методике определения основных параметров системы получения теплоносителя, теоретические исследования по газификации жидкостей в экспериментальной модельной малой установке, выбор проектно-конструкторских характеристик тросовой системы и др.
Маневский, С. Е. Конструкционные материалы в автомобиле- и тракторостроении : учеб. пособие для вузов по специальности «Автомобиле- и тракторостроение» / С. Е. Маневский ; под ред. В. М. Зинченко ; Моск. гос. индустр. ун-т, Ин-т дистанц. образования. - М. : Изд-во
МГИУ, 2010. - 230 с. - ISBN 978-5-2760-1769-3.
В учебном пособии представлены разделы по основным группам конструкционных материалов, применяемых в автомобильной и тракторной промышленности. Представлены критерии, позволяющие дать предварительную оценку конструкционной прочности металлических сплавов как наиболее востребованных в автомобиле-и тракторостроении. Изложены рекомендации по обеспечению конструкционной прочности сталей.
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 3 (113) 2012 МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ
