CC BY
5УДК 629.78.048.015:004.94
имитационное моделирование при проектировании регенерационных систем жизнеобеспечения пилотируемого космического аппарата
© 2017 г. глебов и.в.1, Коган и.Л.2
'Ракетно-космическая корпорация «Энергия» имени С.П. Королёва (РКК «Энергия») Ул. Ленина, 4А, г. Королёв, Московская обл., Российская Федерация, 141070, e-mail: post@rsce.ru
2АО «Научно-исследовательский и конструкторский институт химического машиностроения» (АО «НИИхиммаш») Ул. Б. Новодмитровская, 14, г. Москва, Российская Федерация, 127015, e-mail: info@niichimmash.ru
Статья посвящена рассмотрению вопросов использования имитационного моделирования для анализа технических требований к ре генерационным системам жизнеобеспечения пилотируемого космического аппарата на этапе проектирования. Определен типовой набор показателей назначения (технических требований) регенерационных систем жизнеобеспечения. Рассмотрены структура и назначение имитационной модели функционирования интегрированной ре генерационной системы обеспечения газового состава пилотируемого космического аппарата. Предложены формализованные описания процессов, происходящих в реакторе гидрирования диоксида углерода, проведены вычислительные эксперименты с использованием имитационной модели. Представлен сравнительный анализ экспериментально полученных данных и результатов вычислительных экспериментов, а также определены оптимальные значения входных параметров функционирования реактора гидрирования.
Ключевые слова: пилотируемый космический аппарат, регенерационная система жизнеобеспечения, показатели назначения, математическая модель, реактор гидрирования диоксида углерода.
simulation modeling in designing regenerative life support systems FOR manned spacecraft
Glebov I.V.1, Kogan I.L.2
1S.P. Korolev Rocket and Space Public Corporation Energia (RSC Energia) 4A Lenin str., Korolev, Moscow region, 141070, Russian Federation, e-mail:post@rsce.ru
2Research and Design Institute of Chemical Engineering (Nllchimmash)
14 B. Novodmitrovskaya str., Moscow, 127015, Russian Federation, e-mail: info@niichimmash.ru
The paper concentrates on the discussion of using simulation modeling for analysis of technical requirements for the regenerative life support systems of manned spacecraft in the design phase. Defined is a standard set of target indicators (technical requirements) for the regenerative life support systems. The structure and purpose of the simulation functional model of the integrated regeneration atmosphere revitalization system of the manned spacecraft are considered. Formalized descriptions of processes occurring in the carbon dioxide hydrogenation reactor are proposed, computational experiments using the simulation model are carried out. A comparative analysis of experimentally obtained data with the results of computational experiments is presented, and the optimal values of input parameters of the hydrogenation reactor operation are determined.
Key words: manned spacecraft, regenerative life support system, target indicators, mathematical model, carbon dioxide hydrogenation reactor.
ГЛЕБОВ Игорь Васильевич — заместитель начальника отделения РКК «Энергия», e-mail: igor.glebov4@rsce.ru
GLEBOV Igor Vasilyevich — Deputy Chief of Division at RSC Energia, e-mail: igor.glebov4@rsce.ru
КОГАН Иоанн Лазаревич — научный сотрудник НИИхиммаш, e-mail: I-kogan@niichimmash.ru KOGAN Ioann Lazarevich — Research scientist at NIIchimmash, e-mail: I-kogan@niichimmash.ru
глебов и.в.
коглн и.л.
введение
По мере развития пилотируемой космонавтики все большую актуальность приобретает задача разработки перспективных систем пилотируемого космического аппарата (ПКА), основанных на процессах регенерации продуктов жизнедеятельности экипажа [1].
При анализе свойств регенерационной системы жизнеобеспечения как объекта проектирования необходимо учитывать, что она является сложной функциональной системой и характеризуется наличием общесистемных свойств, а также техническими требованиями, такими как показатели назначения, надежности, эргономичности и др.
Номенклатура показателей (технических требований) закладывается на этапе проектирования (модернизации) ПКА и окончательно формируется при разработке конструкторской документации системы. Далее, на этапе производства, эти показатели находят свое воплощение в конструкции системы. Первоочередной интерес представляют показатели назначения (ПН), так как именно они обусловливают пригодность продукции к выполнению определенных требований в соответствии с ее назначением, а также определяют соответствие системы ее функциональному назначению в составе ПКА и характеризуют способность системы эффективно выполнять свою функцию [2].
Для регенерационных систем жизнеобеспечения ПКА можно выделить типовой набор ПН, например, таких как:
• производительность системы (количество получаемых воды и кислорода);
• количество удаляемого диоксида углерода, газообразных микропримесей и т. д.;
• качество выходного продукта (электрическая проводимость полученной воды и содержание в ней свободного газа, степень концентрации удаленного из атмосферы ПКА и собранного диоксида углерода и т. д.);
• температура нагрева внешних поверхностей оборудования для обеспечения безопасности экипажа ПКА.
Проектирование и наземная экспериментальная отработка — важнейшие этапы создания систем регенерационного типа, так как последующие летные испытания, совмещенные со штатной эксплуатацией, не позволяют использовать их результаты для устранения последствий ошибочных конструкторских решений. В связи с этим важной задачей в совершенствовании процесса разработки данных систем является обеспечение достоверной оценки ПН систем регенерационного типа на этапе проектирования.
Структура и назначение имитационной модели функционирования интегрированной регенерационной системы обеспечения газового состава пкА
На стадии проектирования использование конструкторско-технологических макетов для оценки и анализа ПН разрабатываемой системы является экономически невыгодным в силу сложности систем регенерацион-ного типа. Более рациональным подходом является применение виртуальных имитаторов разрабатываемых регенерационных систем жизнеобеспечения и взаимосвязанных
с ними других систем ПКА, объединенных в единую имитационную модель [3].
Исследования проводились на вновь разрабатываемой РКК «Энергия» и АО «НИИхиммаш» системе переработки
диоксида углерода — части интегрированной регенерационной системы обеспечения газового состава ПКА для длительных автономных космических полетов, структура имитационной модели которой приведена на рис. 1.
Рис. 1. Структура имитационной модели интегрированнойрегенерационной системы обеспечения газового состава
Рассматриваемая система, как и любая перспективная регенерационная система жизнеобеспечения ПКА для длительных автономных полетов, характеризуется сложными взаимосвязями между входящими в нее блоками и сложным взаимодействием при их функционировании [4].
Основным блоком системы переработки диоксида углерода, определяющим ее производительность по целевому продукту, является блок гидрирования диоксида углерода, осуществляющий получение воды по реакции Сабатье (рис. 2).
Основным агрегатом блока является реактор, именно он определяет степень
извлечения целевого продукта. Выбор оптимальных режимов функционирования и конструктивных решений при его проектировании может быть произведен на основе имитационного моделирования химических и тепловых процессов.
(Х>
(со>
целевой продукт
РЕГУЛЯТОР СООТНОШЕНИЯ ГЛЗОР.
^[рр Л ТС.Т ()р] [ РА 3 Л Е Л И ТЕ Л Та] к
ТУПИКОВЫЕ ПРОДУКТЫ
Рис. 2. Структурная схема блока гидрирования
имитационная модель реактора гидрирования диоксида углерода
Имитационная модель функционирования реактора гидрирования, предназначенная для выбора его конструктивного исполнения и оптимальных выходных параметров функционирования, позволяет проводить анализ технических требований, определяемых техническим заданием, и оценку показателей назначения системы.
При разработке имитационной модели и проведении вычислительных экспериментов были приняты следующие допущения:
• реактор представляется в виде «модели идеального вытеснения» [5];
• уравнения переноса заменяются уравнениями материального и теплового балансов при задании на границах раздела конструктивных элементов граничных условий третьего рода [5];
• факторы, влияющие на функционирование исследуемой системы (входные
¿Т
(Ст) = —^ = N - аД(Т - Т.),
4 р ' наг ¿т наг . . наг .
(Ср^Х -г- = -(СС). + а^Тнаг - Т) - а^Т - Тст1),
параметры модели), являются независимыми величинами [6].
Схема реактора представлена на рис. 3.
Рис. 3. Схема реактора гидрирования диоксида углерода по реакции Сабатье: 1 — оболочка; 2 — полость; 3 — стенка 3; 4 — катализатор; 5 — стенка 2; 6 — рекуператор; 7 — стенка 1; 8 — зазор; 9 — нагреватель
Формализованное описание процессов, происходящих в реакторе, может быть записано в форме системы дифференциальных уравнений первого порядка с частными производными:
(С„рУ)
(СрУ)
(СрУ)
(СррУ) (СррУ)
(СррУ) ах
с
дТ.
. дт
дТ . ст1
'ст1 дт
5Т2
2 дт
дТ 2 ст2
ст2 дт
дТ
г
дт
дТ 3 стз
стз дт
дТ3
з дт
дТ б об
об дт
= -а2^3(Гст1 - Т2) + аА(Т1 -
= (СЯ2
дТп
дх
«2^3(Тст1 - Т2) - а2Р4(Т2 - Тст2)
= а2^4(Т2 - Тст2) - ^5(Тст2 - Т)'
дТ
г
-С) ""Г"
р г дх
+ №ст2 - Т) - ШТг - Тстз) + Т)у1
= кМТг - Тстз) - ^(Тс4з - Тоб) - аз^7(Тст3 - ТзХ
= (СрС)з
дх
+ а3^7(Тст3 - Т3) - а3^8(Т3 - Тоб)
= ^пр^ - Тб) + а3^8(Т3 - Тоб) - а4^9(Тоб - Токр)
с0у т
0 вх Г
дт
W(х, Т) =
V т
к вх
5 р
уда к
дх
дх
- + vпW(X, Т),
К(а - 4Х)(1- Х)р
( (в + Х)(у + 2Х)2$? \ 1
3600 Уц $(К (а - 4Х) + 1 - X + ($/р)К3) ^ К (1 - Х)(а - 4Х)4р2
р
В системе уравнений использованы следующие обозначения: Тнаг — температуры поверхности нагревательного элемента; Т1 — температура в зазоре между нагревателем и стенкой 1; Тст1 — температура внутренней стенки рекуператора; Т2 — температура газа в рекуператоре; Тст2 — температура стенки между рекуператором и реакционной зоной; Т — температура катализатора; Тст3 — температура внешней стенки реакционной зоны; Т3 — температура газа в теплоизолирующей полости; Гоб -температура оболочки теплоизолирующей капсулы; Гокр — температура окружающей среды; Ср — массовые теплоемкости соответствующих элементов, Дж/кг/К; р — плотности соответствующих элементов, кг/м3; V — объемы соответствующих элементов, м3; ш1 — массы соответствующих элементов, кг; Г. — площади поверхности соответствующих элементов, м2; Ыиат — мощность нагревателя, Вт; а. — коэффициент теплопроводности стенки, Вт/(м2К); к1 — коэффициент теплопередачи, Вт/(м2К); С — массовый расход газов, кг/с; ДД — энтальпия, Дж/моль;
IV — скорость реакции, моль/с; Х — количество прореагировавшего вещества; 5уд — удельная площадь поверхности катализатора, м2/г; К123 — кинетические коэффициенты; впр — приведенная степень черноты системы стенок; А, р, у, 5 — соотношения газов, служащие для определения идеального приведенного объема 5 простого и эталонного веществ; 5 = 1 + А + р + у + 5 - 2Х;
А = С0 н2 /Со со2; Р = С0 сн4 /Со со2;
V = Со н2о /Со со2; 5 = Сок2 /Со со2;
К = 1,о3 X 1о9 ехр(-Ю 32о/Г); К2 = 7,64 х 1о-2 ехр(2 62о/Г); К3 = 2,о2 х 1о4 ехр(-5 3оо/г).
В ходе имитационного моделирования были определены наиболее значимые факторы (входные параметры модели), варьирование которых приводит к изменению основного показателя назначения — «выход по воде», это:
• объемные соотношения исходных реагентов СО2 и Н2;
• объемная скорость подачи газовой смеси СО2 и Н2 в реактор;
• температура протекания процесса гидрирования, определяемая конструкцией реактора.
Математическое описание с достаточной степенью точности отражает структуру и конструктивные особенности агрегата, а также характерные особенности осуществления процессов теплового и массового обменов в конструктивных элементах.
анализ результатов вычислительных экспериментов
По результатам моделирования выбраны конструктивные параметры внешней теплоизоляции, геометрические размеры реакционной зоны и рекуператора, а также определены оптимальные значения входных параметров БГДУ. Варьировались следующие параметры:
• присутствие/отсутствие внутреннего рекуператора, отделяющего катализатор от нагревателя;
• размер канала рекуператора;
• геометрические размеры полости с катализатором, высота слоя;
• материал и расположение внешней теплоизоляции;
• давление углекислого газа в защитной капсуле;
• расход реагентов;
• допустимое содержание неинертных примесей в газах.
На основе полученных данных при проведении вычислительных экспериментов в АО «НИИхиммаш» с использованием имитационной модели был разработан, а затем изготовлен экспериментальный реактор гидрирования, на котором с середины 2о15 г. было наработано более 8оо ч на различных режимах; испытания подтвердили адекватность имитационной модели.
Зависимости показателя назначения «выход по воде» от температуры протекания процесса и соотношения реагентов, полученные при проведении вычислительных экспериментов с использованием имитационной модели (обозначены линиями) и усредненные значения, полученные на экспериментальном реакторе (обозначены маркерами), показаны на графиках рис. 4 и 5.
Рис. 4. Зависимость выхода по воде от соотношения реагентов при подаче СО2: ™ — результаты моделирования; X — экспериментальные значения
350 400 450 Темпетатут, °С
Рис. 5. Зависимость выхода по воде от температуры реакции (определяющий критерий: параметры теплоизоляции): ™ — результаты моделирования; X — экспериментальные значения
Таким образом, определены оптимальные входные параметры функционирования реактора:
• соотношение исходных компонентов реакции Сабатье Н2 : СО2 должно быть
(5-5,5) : 1;
• температура протекания реакции 320...360 °С;
• частичная теплоизоляция, обеспечивающая более полный профиль температур.
При этих значениях входных параметров достигается максимальный выход по воде 61-62 г/ч при расходе СО2 40 л/мин.
Выводы
имитационного
Использование метода моделирования позволяет:
1. Проводить анализ соответствия разрабатываемой системы своему функциональному назначению на стадии проектирования.
2. Интенсифицировать процесс проектирования сложных регенерационных систем
пилотируемого космического аппарата, так как отсутствует необходимость изготавливать конструкторско-технологические макеты и проводить испытания для выбора конструктивных характеристик системы и определения оптимальных значений факторов, влияющих на ее функционирование.
3. Прогнозировать функционирование регенерационных систем жизнеобеспечения пилотируемого космического аппарата на всех этапах их разработки.
Список литературы
1. Романов С.Ю., Гузенберг А.С. Космические системы жизнеобеспечения: основные требования к разработке средств жизнеобеспечения экипажей длительных космических экспедиций // Инженерная экология. 2013. № 2(110). С. 2-15.
2. ГОСТ 15467-79. Управление качеством продукции. Основные понятия. Термины и определения. М.: Стандартинформ, 2009.
3. Советов Б.Я., Яковлев С.А. Моделирование систем. М.: Высшая школа, 1998. 319 с.
4. Глебов И.В., Курмазенко Э.А., Романов С.Ю., Железняков А.Г. Прогнозирование функционирования перспективной системы обеспечения газового состава для длительных пилотируемых космических полетов // Труды МАИ. 2014. № 73. С. 5-8.
5. Наумов В.А. Катализ и регенерация газовой среды в космонавтике. Части 1, 2. М.: Логос, 2004. 606 с.
6. Кобзарь А. И. Прикладная математическая статистика. Для инженеров и научных работников. М.: Физматлит, 2006. 816 с. Статья поступила в редакцию 07.07.2017 г.
Reference
1. Romanov S.Yu., Guzenberg AS. Kosmicheskie sistemy zhizneobespecheniya: osnovnye trebovaniya k razrabotke sredstv zhizneobespecheniya ekipazhei dlitel'nykh kosmicheskikh ekspeditsii [Space life support systems: Key requirements for developing crew life support systems for long-duration space missions]. Inzhenernaya ekologiya, 2013, no. 2( 110), pp. 2-15.
2. GO ST 15467-79. Upravlenie kachestvom produktsii. Osnovnye ponyatiya. Terminy i opredeleniya [Product quality control. Fundamental concepts. Terms and definitions]. Moscow, Standartinformpubl., 2009.
3. Sovetov B.Ya., Yakovlev S.A Modelirovanie system [Simulation of systems]. Moscow, Vysshaya shkola publ., 1998. 319p.
4. Glebov I.V., Kurmazenko E.A., Romanov S.Yu., Zheleznyakov A.G. Prognozirovanie funktsionirovaniya perspektivnoi sistemy obespecheniya gazovogo sostava dlya dlitel'nykh pilotiruemykh kosmicheskikh poletov [Predicting the functional performance of an advanced environmental support system for long-duration manned space light]. Trudy MAI, 2014, no. 73, pp. 5-8.
5. Naumov V.A. Kataliz i regeneratsiya gazovoi sredy v kosmonavtike. Parts 1, 2. [Catalysis and regeneration of gaseous environment in spaceflight. Parts 1, 2]. Moscow, Logos publ., 2004. 606 p.
6. Kobzar' A.I. Prikladnaya matematicheskaya statistika. Dlya inzhenerov i nauchnykh rabotnikov [Applied mathematical statistics. For engineers and scientists]. Moscow, Fizmatlitpubl., 2006. 816p.
