Министерство образования и науки РФ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Омский государственный технический университет»
УДК 629.76
№ госрегистрации 01201350952
Инв. №
УТВЕРЖДАЮ
Первый проректор - Проректор по научной
работе Омского государственного
технического университета
_____________ д.т.н., доц. А.В. Косых
15 декабря 2012 г.
НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ОТЧЁТ
В рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы
Шифр заявки «2012-1.2.1-12-000-4001»
Соглашение на предоставление гранта от 06.08.2012 г. №14.В.37.21.0433
ПРОВЕДЕНИЕ ТЕОРЕТИКО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ДЛЯ
РАЗРАБОТКИ МЕТОДИКИ ПОВЫШЕНИЯ ТАКТИКО-ТЕХНИЧЕСКИХ
ХАРАКТЕРИСТИК РАКЕТ КОСМИЧЕСКОГО НАЗНАЧЕНИЯ С МАРШЕВЫМИ ЖИДКОСТНЫМИ РАКЕТНЫМИ ДВИГАТЕЛЯМИ НА ОСНОВЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ РЕСУРСОВ, ЗАКЛЮЧЁННЫХ В НЕВЫРАБАТЫВАЕМЫХ ОСТАТКАХ ЖИДКОГО ТОПЛИВА В ОТДЕЛЯЮЩИХСЯ ЧАСТЯХ СТУПЕНЕЙ РКН
(промежуточный, этап №1)
Наименование этапа: «Теоретические исследования и постановка задачи
экспериментальных исследований»
Руководитель проекта д.т.н., профессор,
Член-корр. СО МАН ВШ В.И. Трушляков
Омск 2012
Список исполнителей
Научный руководитель, д.т.н., профессор, г.н.с.
|
|
Трушляков В.И.
|
Введение, содержание, 1.1, 1.2, 1.3, 1.4, 3.4, 4.4, Заключение, Приложение 1
|
к.т.н., доцент, с.н.с., кафедры АВиРС
|
|
Куденцов В.Ю.
|
1.2, 2.1, 2.2, 2.3, 2.4
|
м.н.с. кафедры АВиРС
|
|
Лесняк И.Ю.
|
3.1, 3.2, 3.3, 5.1, 5.2, 5.3
Приложение 2,3
|
м.н.с. кафедры АВиРС
|
|
Казаков А.Ю.
|
1.3, 3.2, Приложения 1,2,3
|
м.н.с. кафедры АВиРС
|
|
Курочкин А.С
|
1.2, 4.1, 4.2, 4.3, Приложение 2,3
|
Аспирант кафедры АВиРС, м.н.с.
|
|
Белькова М.Е.
|
3.2
|
Аспирант кафедры АВиРС
|
|
Рожаева К.А.
|
3.3, Приложение 1
|
Аспирант кафедры АВиРС
|
|
Юткин Е.А.
|
1.3
|
Аспирант кафедры АВиРС
|
|
Савин Н. А.
|
1.3
|
Зав. лабораториями кафедры АВиРС
|
|
Власов В.Ю.
|
3.3, Приложение 3
|
Магистрант кафедры АВиРС
|
|
Кисловский В.
|
4.2
|
Магистрант кафедры АВиРС
|
|
Лаврук С.
|
4.2
|
Нормоконтролёр
|
|
Бабенко О.И.
|
|
Отчёт 164 с., 93 рис, 7 табл., 48 источников, 3 приложения.
Ключевые слова: испарение, тепло - и массообмен, вакуумная установка, физическое и математическое моделирование, невесомость, жидкость, ультразвуковое воздействия, граничные условия, газодинамические параметры, экспериментальная установка, ступенчатый сброс давления, отделяющиеся части ступеней ракет космического назначения, невырабатываемые остатки ракетного топлива.
Объект исследования: фазовые переходы первого рода (испарения) жидкости в условиях невесомости и неопределённости фазового и граничного состояния, повышение интенсивности процессов тепло-и массообмена жидкости, в том числе и за счёт ступенчатого сброса давления в процессе испарения, ввода дополнительных внутрибаковых устройств.
Цель работы: заключается в разработке технологий испарения (газификации) невырабатываемых остатков жидких компонентов ракетного топлива в баках ступеней ракет космического назначения для их последующего использования для отработки тормозного импульса с целью реализации управляемого спуска российских ракет на компонентах топлива кислород-керосин по аналогии с управляемым спуском вторых ступеней ракет космического назначения, таких как: «Delta-4» (США), «HII-B» (Япония), «Ariane-5» (Франция) на криогенных компонентах топлива кислород-водород, на основе проведения теоретико-экспериментальных исследований.
Теоретическая часть исследований включает в себя:
- анализ состояния вопроса по фазовому переходу 1-рода (испарению) жидкостей, в том числе и в промышленных выпарных установках на основе информационных исследований;
- анализ информации по проведённому натурному эксперименту на вторых ступенях ракеты космического назначения «Delta-4» (США), «HII-B» (Япония) по повторному запуску маршевых двигателей на основе испарённых невыработанных остатков кислорода и водорода для реализации управляемого спуска;
- проведение исследований газодинамических параметров потоков теплоносителя в типовых топливных баках и экспериментальной модельной ёмкости на основе численного решения полной системы уравнений Навье-Стокса на основе программного пакета ANSYS;
- разработка алгоритма расчёта параметров процесса тепло-и массообмена в топливном баке (температурные режимы стенок бака, продуктов испарения, газовой подушки, жидкости) на основе уравнений теплового баланса;
- обоснование необходимости проведения физических экспериментов в соответствии с теорией подобия на экспериментальной модельной установке, моделирующий характерный объём топливного бака.-
Экспериментальная часть исследований включает в себя:
- разработка предложений по модернизации экспериментального стенда позволяющий подавать в экспериментальную модельную установку различные составы теплоносителя под различными углами с различными массовыми секундными расходами, температурами, ступенчатым сбросом давления с использованием вакуумной камеры, дополнительным ультразвуковым излучением, проведения измерений параметров процесса, в том числе концентрации газифицированной смеси;
- проведение технологической отладки экспериментального оборудования и серии установочных экспериментов;
- разработка аналого-цифрового комплекса для параллельного моделирования физических и математических процессов.
На основании проведенных исследований разработана методика выбора основных проектно-конструктивных параметров системы газификации. Показано, что основные затраты масс системы газификации составляет топливо.
СОДЕРЖАНИЕ
|
|
|
стр.
|
|
Список исполнителей
|
|
2
|
|
Реферат
|
|
3
|
|
Содержание
|
|
5
|
|
Обозначения и сокращения
|
|
7
|
|
Введение
|
|
8
|
Глава 1. Анализ состояния вопроса по газификации жидкостей
|
|
10
|
1.1
|
Фундаментальные вопросы газификации жидкости по материалам обзора литературных источников
|
|
10
|
1.2
|
Обзор исследований проведённых НОЦ «Космическая экология» по исследованию процессов динамики жидкости в условиях невесомости
|
|
12
|
1.3
|
Анализ результатов лётных экспериментов по газификации невырабатываемых остатков кислорода и водорода в баках вторых ступеней Дельта-4, HII-B, Ариан-5 для реализации манёвра прямого спуска с орбиты выведения после завершения миссии
|
|
26
|
1.4
|
Выводы по главе 1
|
|
32
|
Глава 2. Формализация задачи исследования. Разработка моделей и проведение аналитических оценок
|
|
33
|
2.1
|
Аналитические оценки распределения векторов скоростей газового потока в типовых топливных баках
|
|
33
|
2.2
|
Обоснование типоразмера экспериментальной модельной установки
|
|
49
|
2.3
|
Аналитические оценки распределения векторов скоростей газового потока в экспериментальной модельной установке
|
|
57
|
2.4
|
Выводы по главе 2
|
|
71
|
Глава 3 Обоснование целесообразности проведения экспериментальных исследований при пониженном давлении и разработка программы экспериментов
|
|
72
|
3.1
|
Исследование процессов газификации при пониженном давлении. Постановка задачи
|
|
72
|
3.2
|
Разработка программы экспериментов
|
|
76
|
3.3
|
Разработка пневматической схемы экспериментального вакуумного стенда
|
|
78
|
3.4
|
Выводы по главе 3
|
|
85
|
Глава 4 Разработка аналого-цифрового комплекса для параллельного математического моделирования исследуемых на экспериментальном стенде процессов
|
|
86
|
4.1
|
Назначение аналого-цифрового комплекса
|
|
86
|
4.2
|
Математические модели АЦК
|
|
92
|
4.3
|
Физические модели АЦК
|
|
100
|
4.4
|
Выводы по главе 4
|
|
102
|
Глава 5 Выбор проектно-конструкторских параметров системы газификации
|
|
104
|
5.1
|
Основные задачи и схема системы газификации
|
|
104
|
5.2
|
Состав системы газификации и основные конструктивные параметры. Критерии выбора конструктивных параметров
|
|
107
|
5.3
|
Методика выбора проектно-конструктивных параметров
|
|
115
|
5.4
|
Выводы по главе 5
|
|
117
|
|
Заключение
|
|
118
|
|
Список использованных источников
|
|
121
|
|
Приложение 1. Материалы патентно-информационного поиска
|
|
125
|
|
Приложение 2. Техническое задание на экспериментальный стенд
|
|
146
|
|
Приложение 3. База данных результатов экспериментов (протоколы экспериментов)
|
|
155
|
Обозначения и сокращения
АБСС – автономная бортовая система спуска ступеней РКН
АЦК – аналого-цифровой комплекс для параллельного математического моделирования исследуемого на экспериментальном стенде процесса
ATV – европейский автоматический транспортный космический корабль
ВК – вакуумная камера
ГГ – газогенератор
ГРД – газовый ракетный двигатель
ЖРД – жидкостной ракетный двигатель
КРТ – компоненты ракетного топлива
EPC – вторая ступень РКН «Ariane-5» (Vulkain), использующая криогенные КРТ кислород-водород
EPS – третья ступень РКН «Ariane-5», использующая КРТ монометилгидразин-азотный тетраксид
RL-10B-2 - ЖРД второй ступени американской РКН «Delta-4»
LE-5B-2 - ЖРД второй ступени японской РКН «H-IIB»,
HM7-B-2 - ЖРД второй ступени (Vinchi) европейской РКН «Ariane-5»
HTV –японский (H-II) транспортный космический корабль
ОЧ – отделяющаяся часть ступени РКН
РКН – ракета космического назначения
ТН – теплоноситель на основе горячих газогенераторных газов
ЭМУ – экспериментальная модельная установка
ЦФП – цикл фазового перехода, используемый в RL-10B-2, LE-5B-2, Vinchi
Введение
Снижение техногенного загрязнения используемых орбит из защищаемых областей околоземного космического пространства крупногабаритным космическим мусором предусматривает спуск отделяющихся частей ступеней РКН после выполнения ими своей миссии.
В соответствии с требованиями национального стандарта (NASA) по снижению космического мусора в США в 2006 г. был проведён успешный управляемый спуск второй ступени РКН среднего класса «Delta-4» после выведения метеорологического спутника DMSP-17 [1]
Повторный запуск безгенераторного маршевого ЖРД второй ступени RL-10B-2, используемого цикл фазового перехода и компоненты топлива кислород – водород, осуществлялся уже на газифицированных КРТ.
В Японии в сентябре 2011 г. при выведении транспортного корабля HTV к международной космической станции был проведён успешный управляемый спуск второй ступени РКН «HII-B» в заданный участок акватории Мирового океана [2-5]
Повторный запуск безгенераторного маршевого ЖРД LB-5B-2, используемого цикл фазового перехода и компоненты топлива кислород – водород, осуществлялся уже на газифицированных КРТ. При номинальной тяге по схеме «жидкость - жидкость» (Normal thrust level burn) тяга ЖРД соответствовала 137 kN, а на режиме «газ - газ» (Idle-mode born) тяга ЖРД составила 4 kN т.е. в ~ 35 раз меньше. Отработав заданное приращение скорости в ΔV=50 м/с за 60 сек , измеряемое бортовой аппаратурой системы управления, ЖРД выключился.
Во Франции в марте 2012 г. при 61-ом полёте РКН «Ariane-5ES» при выведении третьего автоматического транспортного корабля ATV было реализовано третье включение 3-ей ступени EPS для её управляемого спуска с орбиты.
При спуске второй ступени EPC (Vulcain) используются боковые сопла бака с водородом с целью минимизации дисперсии разброса точек падения ступени при возвращении [6]:
- во избежание взрыва от перегрева остатков водорода;
- обеспечения стабилизации ступени вращением вокруг продольной оси
ЖРД третьей ступени EPS использует высококипящие КРТ монометилгидразин и азотный тетраксид и имеет возможность многократного запуска, по аналогии с российскими модификациями ЖРД С5.92 для разгонных блоков «Фрегат», «Бриз-М».
Ведутся разработки безгенераторного ЖРД «Vinchi» HM7-B-2 с циклом фазового перехода для ступени EPC (РКН «Ariane-5») на компонентах топлива кислород-водород по аналогичной схеме с ЖРД RL-10B-2 (США), ЖРД LB-5B-2 (Япония), который также будет обеспечивать возможность повторного запуска маршевого ЖРД [1-5]
Проведённые лётные экспериментальные спуски РКН подтвердили эффективность предложенного в ОмГТУ в конце 90-ых годов метода использования невырабатываемых остатков топлива для совершения манёвров ступенями РКН не только на криогенных, но и высококипящих КРТ [7]
Следует отметить, что реализация схемы ЖРД с циклом фазового перехода эффективна и применима только для ЖРД на криогенных КРТ кислород, водород, сжиженные природные газы, т.е. для КРТ с малой теплотой межфазового перехода, которую можно получить в рубашке охлаждения ЖРД.
Российские ЖРД таких РКН как «Зенит», семейство РКН «Союз-2»,, семейство РКН «Ангара» используют топливную пару кислород - керосин, что не позволяет реализовать схему с циклом фазового перехода т.к. теплота межфазового перехода керосина превышает сбрасываемое тепло от камеры сгорания ЖРД.
Кроме того, остатки керосина, который после выключения маршевого ЖРД, остаётся в баке горючего в жидком фазовом состоянии и неопределённых граничных условиях и для его газификации необходима дополнительная подача тепла для совершения фазового перехода 1-го рода (испарение).
Испарение остатков керосина в баке ступени ракеты в условиях микрогравитации представляет собой научно-техническую проблему, на решение которой и направлено предлагаемое исследование.
Проведённый предварительный обзор по информационно-патентному поиску показал наличие широкого класса промышленного использования фазового перехода 1-го рода для жидкостей. Имеется широкая номенклатура аппаратов химических производств, реализующих процессы испарения, выпаривания.
