Анализ теплофизических параметров газовой фазы при работе активных систем увода ступеней ракет Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

УДК 629.76

В.Ю. Куденцов, V. Yit. Kudentsov В.И. Труишяков, V.I. Trushfyakov

Омский государственный технический университет, г. Омск. Россия Omsk |State Teclmieal University, Omsk, Russia

АНАЛИЗ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ГАЗОВОЙ ФАЗЫ ПРИ РАБОТЕ АКТ1ШНЫХ СИСТЕМ УВОДА СТЕПЕНЕЙ РАКЕТ

ANALYSIS ОТ THERMO PHYSICAL PARAMETERS OF THE GAS PHASE IN THE WORK OF ACTIVE SYSTEMS OF THE WITHDRAWAL OF THE ROCKET STAGES

Проведено численное моделирование теплофшнческнх параметров газовой фазы при проведении процесса газификации жцдкня остатков ракетного топлива в баках ракет космического назначения.

A numerical ¡umilatioc of thermal parameters of the gas phase during the process of gasification of liquid residual propellaiits in the tanks of space rockets

Ключевые слова: топливные баки, газификация, топливо, газовая фаза

Keywoids .fuel tanks, gasification, fuel, gas phase

С целью минимизации проблемы техногенного воздействия ракетно-космических комплексов ни окружающую среду предложена технология использования энергетических ресурсов невыработанных остатков компонентов ракетного топлива (КРТ) в отделяющихся частях (ОЧ) ступеней раке1 космического назначения (РКН) [1]

В этой связи, функционирование бортовых систем газификации жидких остатков КРТ должно происходить при условии максимального сохранения химического состава газнфи-

238

Динамика систем, механизмов и машин, № Л 2014

ццруемых КРТ с целью достижения высоких характеристик удельного импульса газового ракетного двигателя (ГРД).

Реализация низкотемпературной газификации жидких остатков КРТ в топливных баках осуществляется на основе термодинамического способа без химического взаимодействия теплоносителя (ТН) с жидкими остатками КРТ.

Состав газовой фазы в объёме топливного бака при проведении процесса газификации жидких остатков КРТ будет определяться секундными расходами ТН. подаваемого в объём ёмкости, газифицированным КРТ и газом наддува, находящегося в объёме тоитивиого бака до начала процесса газификации, используемого для вытеснения жидкого КРТ на активном участке траектории в камеры основного двигателя.

Уравнение изменения массы газовой фазы в объёме ёмкости за время процесса газификации имеет вид:

г т т т

.-таг G L ^^ L

\тъс!т= JnimHdr + ¡m^dr + M^- JmEpddr,

(1)

где i)!„m, i>iKpm, ~ соответственно массовые расходы вводимого ТН. газифицированного КРТ и газовой смеси, поступающей в камеру ГРД; М2„ - масса газа наддува топливного бака до момента начала процесса газификации; тгвз - время процесса газификации.

Предполагается, что состав газовой смеси, поступающей в камеры ГРД. будет идентичен составу газа в свободном объёме ёмкости в процессе газификации.

Теплоёмкость газовой фазы вычисляется по составу газовой смеси и теплоёмкостяы отдельных её составляющих. Используя свойства аддитивности, с учётом (1) формула для расчёта теплоёмкости газовой фазы применительно для процесса газификации жидких остатков КРТ. примет вид [2]

m 1

а г™'

Jгн.}""pj 1 "'iriH.k1- рк '

—

Т bjM^jCpj + XVW^T + m„_e„ ,„,„r

k=0

кр/п р.крт

1

(2)

X bjM?u.j + ZV'w

ткртТ

а

/=о ~ к=о

где Ь]. Ьк - соответственно доли газов, входящих в состав газа наддува и вводимого ТН.

Коэффициент теплопроводности газовой фазы, в составе которой находятся компоненты. имеющие малую молекулярную массу (в качестве газа наддува используется гелий), с учётом (1) рассчитывается по следующей формуле

m hf

:

ш=

J.о '' VM2

V

rZH.J

i=0

m

тн.к

w.

2

ппн.к

JLt(T)r+

ль.

VM

\ -1 ncpm

Tbj

M

HH.J

+ Z h k= 0

111

imtk

-T + -

3 M2

\ 1X1 пан.к

'"jcpm

3 ¡Ы2 \ nqrm

(3)

где л, . - соответственно коэффициент теплопроводности при температуре газификации и молекулярная масса ¡-го компонента в составе газовой фазы.

Расчёт коэффициента теплопроводности компонентов газовой фазы при температуре процесса газификации ведём по формуле Сатерленда [3]

Динамика систем, механизмов и машин, № 2, 2014

,ГМ о 273,2+С (т) = л

7о(т) 273,2_

1,5

(4)

Г0(т)+С

где Л° - коэффициент теплопроводности при 0°С: С - постоянная Сатерленда. То - температура газовой фазы внутри ёмкости.

Постоянная С определяется по зависимости С ~ \,5Ткип . где Ткы„ - температура кипения компонента газовой смеси.

Вязкость газовой фазы, содержащие компоненты, имеющие малые молекулярные массы определяется:

Мо(т) = -

Z bjMzH.jRjf<Lj{*\iMKHjT™j + У bk m„ kRk/^Hk(f -J м, 1

j=0 ■ -

it=0

Zbj^jR^M^jT-j j=0 k=0

ТГ , (5)

^крт^-кртРкрт (^V\^¡"крт^кр"

у,b,M,H JRj^Мггн ]T^J + Tbkm„kRkTjU,

j=o

k=0

) '' , J . ' ^ " >>>!■■ : И; л "г" УуГ" ' ' ''' i.-'-'JJ '

где 11 j - вязкость компонентов газовой фазы при температуре газификации. R,. Rt, R*pni - соответственно газовые постоянные компонентов газовой фазы.

Расчет вязкости компонентов газовой фазы при температуре протекания процесса газификации остатков КРТ ведем по формуле Сатерленда [3]

-|1,5

(6)

Т( , о 273,2 + С

ft (г) = // т( v г

ZoM

273,2

где - вязкость компонента газовой фазы при О С. Постоянная С определяется по зависимости С = 1,47 TKim.

Моделирование теплофизнческих параметров газовой фазы при обеспечении процессов низкотемпературной газификации жидких остатков КРТ проводилось на примере топливных баков первой ступени РКН «Союз 2,1в» (топливная пара: кислород (ж)+керосин).

Для обеспечения процесса низкотемпературной газификации жидких остатков КРТ используются следующие газогенераторы (ГГ):

- для газификации жидкого кислорода (бак окислителя) - ГГ. работающий на 90% перекиси водорода:

- для газификации керосина (бак горючего) - ГТ. работающий на основных КРТ (ки-сдород(ж)+керосин). с коэффициентом избытка окислителя скО.З.

Состав ГН содержит следующие компоненты: дтя бака с керосином (ССЬ. НЮ. керосин (парообразная фаза): для бака с кислородом (ж) (Oi. НЮ). На начало процесса газификации доля газообразного КРТ составляет до 20% по массе в составе газа наддува.

По окончании процесса газификации массовый состав газовой фазы (ТН/газ наддува/газифицированный КРТ) в соответствии с формулой (1) составил: для бака с кислородом (ж) (0.07/0.09/0.84): для бака с керосином (0.14/0.08/0.78)

На рис. 1 представлены графики изменения теплофизических параметров газовой фазы по времени процесса газификации. Результаты исследования показали:

1) Теплоёмкость газовой фазы в начальный момент времени определяется параметрами газовой подушки, где доминирующим компонентом является гелий, имеющий высок™