CC BY
29
Динамика систем, механизмов и машин, № 2, 2014
УДК 621.454.2
М.Е. Белькова, M.E. BelkovaE-8691-2014, e-mail: [email protected] Омский государственный технический университет, г. Омск, Россия Omsk State Technical University, Omsk, Russia
ОБОСНОВАНИЕ ЦЕЛЕСООБРАЗНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ
ПРОЦЕССА ГАЗИФИКАЦИИ ОСТАТКОВ ЖИДКИХ КОМПОНЕНТОВ РАКЕТНОГО ТОПЛИВА В БАКАХ ОТДЕЛЯЮЩИХСЯ ЧАСТЕЙ СТУПЕНЕЙ РАКЕТ КОСМИЧЕСКОГО НАЗНАЧЕНИЯ
SUBSTANTIATION OF EXPEDIENCY OF GASIFICATION PROCESS OF LIQUID PROPELLANT RESIDUES INSIDE TANKS OF SEPARATED PARTS OF SPACE LAUNCH VEHICLE STAGES
В работе рассматривается процесс газификации остатков компонентов ракетного топлива (КРТ) в баках отделяющихся частей (ОЧ) ступеней ракет космического назначения (РКН). В предыдущих статьях [1, 2] рассматривалось количество КРТ, равное 3% от начальной заправки баков (для второй ступени РКН «Союз-2.1.в»). Был произведен расчет и анализ целесообразности применения технологии газификации, в итоге полученные значения подтвердили необходимость ее применения. В данной статье представлены результаты расчетов для случаев, когда в баках маршевого жидкостного ракетного двигателя могут остаться 15 - 20% КРТ от начальной заправки топлива. Целью исследования является определение степени влияния типа газогенерирующей смеси и соответствующее изменение параметров процессов.
Present article is related to technology of gasification of liquid propellant residues inside tanks of separated parts of space launch vehicle stages. Previous work [1, 2] considered the amount of residues equal to 3% of initial fueling of the stage tanks (for second stage of "Souyz-2.1.v" space launch vehicle). Calculations were performed and analysis of expediency of gasification technology use was made. The necessity of such method was ensured by means of research and calculations. The article contains results of two versions when there are 15 and 20% of propellant residues left inside tanks after mission finish. The goal of research is identification of influence degree of gas-generating mixture type and corresponding process parameters changes.
Ключевые слова: газификация, остатки жидких КРТ, ступень ракеты, газогенерирующие смеси
Key words: gasification, liquid propellant residues, rocket stage, gas-generating compositions
В соответствии с разработанной методикой расчета [1] газогенерирующих смесей (ГГС) был произведен пересчет значений влияющих величин и обосновано применение технологии газификации жидких КРТ с помощью ГГС в условиях значительных остатков компонентов топлива (15% - 3350 кг, 20% - 4467 кг).
Все расчеты проводились согласно схеме:
1. Расчет теплоты, требуемой для испарения заданного количества остатков КРТ (данные представлены в таблице 1).
Теплоты, необходимые для испарения остатков КРТ
Таблица 1
Обг Обо
15% 710640 484702
20% 947520 646340
2. На основании полученных результатов необходимо рассчитать количество ГГС, требуемой для осуществления процесса прогрева жидкости с последующей ее газификацией.
190
Динамика систем, механизмов и машин, № 2, 2014
Составляющие ГГС перечислены в таблице 2. В таблице 3 представлены значения масс ГГС на основе смеси компонентов, входящих в ее состав.
Данные о ГГС (состав смеси, процентное соотношение компонентов)
Таблица 2
№ Компоненты ГГС Процентное содержание вещества в смеси, %
Бак горючего (керосин C7.2H13.2)
1 Октоген C4H8N8O8 55
2 Алюминий Al 20
3 Активное связующее C18.96H3464N19.16O29.32 15
4 Перхлорат аммония NH4ClO4 10
Бак окислителя (жидкий кислород O2)
1 Пероксид водорода H2O2 100
Расчетные значения промежуточных величин и массы для испарения 15, 20% остатков КРТ
Таблица 3
КРТ в баке, % от начальной заправки БГ БО
А1см., кДж/кг Qпотреб., кДж/кг Шггс, кг А1см., кДж/кг Опотреб^ кДж/кг Шггс, кг
15% 6516 710640 120 3090 484702 173
20% 947520 160 646340 231
3. Используя информацию из расчетов, необходимо получить скорость истечения W2 продуктов газификации, газообразных КРТ и газа наддува гелия из сопла газового ракетного двигателя с помощью программного пакета «Терра» [2], чтобы, применяя формулу Циолковского [1], рассчитать величины интересующих характеристических скоростей ступени на различных этапах ее перемещения и обосновать применение технологии газификации.
В табл. 4 представлены значения скоростей истечения продуктов реакции взаимодействия газа наддува, газообразных КРТ и продуктов газификации.
Скорости истечения продуктов реакции взаимодействия газа наддува, газообразных КРТ и продуктов газификации
Таблица 4
Количество остатков КРТ в баках W2, м/с
15% 2261
20% 2254
4. Следующим шагом является исследование величины характеристической скорости, являющейся определяющим параметром при оценке целесообразности использования принципа газификации в рассматриваемом случае (см. п.3). Для сравнения необходимо рассчитать значения скоростей на нескольких этапах движения ракеты:
AVo - скорость ступени ракеты на участке выведения, м/с; AVi - скорость на участке выработки КРТ до величины 15 - 20%, остающихся в баках после завершения ступенью миссии, м/с; AV2 - скорость на участке, когда ступень продолжает свое движение без отделения ПН, м/с.
А значение 5V, показывающее выигрыш от применения системы газификации, определялось согласно формуле: 5V = AV0-AV1+AV2.
В табл. 5 представлены данные расчетов скоростей.
191
Динамика систем, механизмов и машин, № 2, 2014
Значение влияющих величин - скоростей ступени РКН на различных этапах движения
Таблица 5
Наименование расчетной величины Значение расчетной величины
% КРТ от начальной заправки
15% 20%
AVo 3937,6 3647,0
AVi 3868,3 3567,6
av2 1306,2 1607,2
5V 1237,0 1527,8
Из приведенных значений следует, что газификация остатков КРТ в баках ОЧ для случаев, когда в баках остается около 15 - 20% от начальной заправки, как и в случае с малым остатком КРТ (3% [2]), имеет положительную оценку. С помощью системы газификации, ГГС, которые будут взяты на борт до пуска ракеты, можно полностью утилизировать остатки КРТ, тем самым обеспечить сокращение вредного воздействия ракетно-космической отрасли на окружающую среду (использовав газифицированные компоненты в качестве метода увода ступени с орбиты функционирования или для сокращения районов падения на поверхности Земли). Приведенные величины подтверждают, что выигрыш от применения данного подхода к решению проблем экологической безопасности окружающей среды может быть применен успешно.
Предыдущие результаты были основаны на данных, применимых в стандартных условиях (при t = 20°C и p = 0,1 МПа). С целью повышения достоверности исследований были введены поправки, которые позволили учесть специфические начальные условия (реальные) - р.у., для процесса газификации КРТ (табл. 6). Расчеты представлены для случая, когда в баке остается до 3% КРТ.
Реальные условия начала процесса газификации остатков КРТ в баках
Таблица 6
Наименование параметра БГ БО
Объем бака, м3 12,6 21
Температура в баке на момент остановки двигателя, K 280 92
Давление наддува в баке, Мпа 0,25 0,475
Масса остатков компонентов топлива, кг 210 460
Температура кипения КРТ (в зависимости от давления), K 350 108
Удельная теплота парообразования КРТ (в зависимости от давления и температуры КРТ), L, кДж/кг 302 195
Удельная теплоемкость КРТ, с, кДж/кг-K 2,155 1,732
Для получения значений уточненных данных и сравнения с величинами предыдущих исследований был повторно произведен расчет по вышеуказанной схеме с учетом изменения н.у. Результаты приведены в табл. 7.
Результаты расчетов при уточненных начальных условиях
Таблица 7
БГ БО
Q, кДж/кг н.у. 156341 106634
р.у. 104608 112692
Шггс, кг н.у. 24 35
р.у. 16 36,5
Согласно таблице масса ГГС, требуемой для осуществления процесса газификации остатков жидкого кислорода и керосина, не изменилась значительно. Следовательно, предыдущие результаты расчета можно считать удовлетворяющими всем требованиям. Следующим шагом станет усовершенствование схемы расчета за счет включения в нее условий теп-
192
Динамика систем, механизмов и машин, № 2, 2014
лообмена между газообразными веществами и элементами конструкций, жидкостью на стенках и дне бака, а также учета излучения в окружающее пространство и поглощаемого воздействия тепла от Солнца и Земли.
Библиографический список
1. Trushlyakov, V. I. Applying of solid gas-generating compositions to improve effectiveness of liquid rocket engine space launch vehicles / V. I. Trushlyakov, D. B. Lempert, M. E. Belkova // Materials of Vth EUCASS - 2013, July, 1 - 5. - Munich, 2013.
2. Trusov, B. G. Program System TERRA for Simulation Phase and Thermal Chemical Equilibrium / B. G. Trusov // Proceedings of the XIV In. Symp. on Chemical Thermodynamics. -St-Petersburg, 2002. - P. 483-484.
3. Белькова, М. Е. Газификация жидких остатков компонентов ракетных топлив: газогенерирующие композиции / М. Е. Белькова // Труды VI Общеросс. молодеж. науч.-техн. конф.,19 - 21 марта / БГТУ «ВОЕНМЕХ». - СПб., 2014. - № 21. - С. 14 - 15.
