5.3 Методика выбора проектно-конструктивных параметров
Структурная схема методики по выбору проектно-конструктивных параметров системы газификации представлена на рисунке 5.10.
Структурно разрабатываемая методика включает в себя:
- модель массовой оценки элементов системы газификации;
- модель прочностного нагружения конструкции;
- модель термодинамических процессов, происходящих в топливных баках ОЧ РКН;
- оценка акустического воздействия на процесс газификации жидкости;
- выбор конструктивно-компоновочной схемы;
- оценка влияния сброса газа наддува на процесс газификации жидкости;
- требования и ограничения, накладываемые при работе системы газификации:
 а) минимальные затраты энергии;
 б) минимальная масса конструкции;
в) минимальная масса остатков КРТ
 
Рисунок 5.10 - Структурная схема методики выбора проектно-конструктивных параметров системы газификации ОЧ РКН
5.4 Выводы по главе 5
1. Проведена постановка задачи системы газифкации жидких остатков компонентов ракетного топлива. Разработаны схема системы газификации в зависимости от типа компонентов ракетного топлива.
2. Определен состав системы газификации, основанный на использова-нии газогенерирующих систем, отличающихся от известных (обеспечение наддува баков/ максимальная потенциальная энергия газа, обеспечение работы турбонасосного агрегата/ максимальная кинетическая энергия газа тем) тем, что получаемый газ должен обладать максимальной тепловой энергией и заданным химическим составом. Определены требования к параметрам ТН.
3. Проведена постановка задачи расчётно-экспериментальной методики определения проектно-конструкторских параметров системы газификации, в том числе: масса топлива для получения теплоносителя, температура и массовый-секундный расход теплоносителя.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В соответствии с целями НИР получены следующие основные результаты
1. Проведён анализ отечественных открытых источников литературы по исследованию процессов, связанных с испарением жидкости, в том числе в промышленных установках в наземных условиях. Выявлен ряд отечественных источников для последующего углубленного изучения математических и экспериментальных исследований рассматриваемого процесса, сформулированы задачи на поиск соответствующих материалов по данным зарубежных источников.
2. Для более глубокого понимания гидродинамических процессов остатков жидкого топлива, происходящих в баке ступени ракеты после её отделения, а также формирования исходных данных для установки фазового разделителя (в виде сетки) в топливный бак проведён анализ экспериментальных исследований динамики жидкости в башне невесомости.
3. На основании анализа имеющихся зарубежных материалов по проведённым демонстрационным управляемым спускам вторых ступеней ракет космического назначения «Дельта-4» (США), «HII-B» (Япония) на основе использования газифицированных остатков невырабатываемых компонентов жидкого кислорода и водорода с орбит выведения в акватории Мирового океана.
Получены общие сведения о процессах, происходящих в маршевых безгенераторных ЖРД, использующих цикл фазового перехода, на основном режиме «жидкость-жидкость», когда из бака подаётся жидкое топливо, и режиме повторного запуска по схеме «газ-газ», когда из бака подаётся газифицированное топливо.
4. Показана целесообразность исследования газодинамической картины внутри типовых топливных баков и экспериментальной модельной ёмкости при подаче теплоносителя с помощью программного пакета ANSYS для определения поля скоростей натекания на конструктивные элементы внутрибаковых устройств (стрингеры, демпферы, шпангоуты, тоннельный трубопровод).
5. На основании теории подобия сформулированы требования к экспериментальной модельной установке, моделирующий типовой объём топливного бака для проведения лабораторных экспериментов по испарению модельной жидкости (определение коэффициентов тепломассообмена) в зависимости от параметров теплоносителя (температура, скорость, углы входа), дополнительного ультразвукового воздействия.
6. Полученные результаты исследования поля скоростей теплоносителя в типовом топливном баке при наличиии силового набора и тоннельного трубопровода (при скорости ввода 500 м/с) показали:
- векторы скоростей могут менять направление своего движения, имеет место турбулизация потока, образование застойных зон, наблюдается пульсационный характер распределения скорости движения;
- усреднённые параметры скорости в пристеночной области топливного бака и области тонельного трубопровода находятся в диапазоне от 3 до 15 м/с, на отдельных участках скорость может увеличиваться до 20 – 50 м/с;
- преобладающий диапазон изменения угла набегающего потока к поверхности стенки составляет от 00 до 500. 1. Проведено обоснование целесообразности проведения экспериментальных исследований газификации жидкости в вакуумной камере, позволяющее определить коэффициента тепло-и массообмена, теплоотдачи, а в перспективе текущий состав газифицированных продуктов.
7. На основе теории планирования экспериментов разработана программа экспериментальных исследований, включающая в себя проведение дополнительных измерений и экспериментов с целью подтверждения верификации и валидации проводимых экспериментов.
8. Проведена разработка пневматической и электрической схем экспериментального вакуумного стенда для работы в следующих диапазонах по давлению 0.1 – 2 атм. , по температуре 300 - 400 °К, по массовым секундным расходам в диапазоне 100 – 400 л/мин. Разработано техническое задание на вакуумную камеру.
9. Рассмотрен состав и назначение аналого-цифрового комплекса для параллельного математического моделирования процессов, исследуемых на стенде. Показаны возможности АЦК для решения задач валидации и верификации исследуемых на стенде процессов.
10. Приведена математическая модель для исследования процесса тепло-и массообмена, алгоритм её интегрирования, определены возможные физические измеряемые параметры (температура, давление, массовый секундный расход теплоносителя) и места их использования в алгоритме интегрирования для использования в математическом моделировании.
Введены критерии, расчёт которых подтверждает (или опровергает) достоверность получаемых результатов.
11. Представлена физическая модель АЦК в составе экспериментального стенда. Сформированы основные требования к функционированию АЦК, в частности, разработки алгоритма синхронизация математического и физического времени.
12. Показана возможность повышения достоверности и точности получаемых результатов математического моделирования за счёт использования в математическом моделировании физических измерений, учитывающих нелинейные эффекты, которые затруднено описать в упрощённой математической модели, например, углы ввода теплоносителя, введение ультразвукового акустического взаимодействия с различной ориентацией зон воздействия и т.д.
13. Проведена постановка задачи системы газифкации жидких остатков компонентов ракетного топлива. Разработаны схема системы газификации в зависимости от типа компонентов ракетного топлива.
14. Определен состав системы газификации, основанный на использова-нии газогенерирующих систем, отличающихся от известных (обеспечение наддува баков/ максимальная потенциальная энергия газа, обеспечение работы турбонасосного агрегата/ максимальная кинетическая энергия газа тем) тем, что получаемый газ должен обладать максимальной тепловой энергией и заданным химическим составом. Определены требования к параметрам ТН.
15. Проведена постановка задачи расчётно-экспериментальной методики определения проектно-конструкторских параметров системы газификации, в том числе: масса топлива для получения теплоносителя, температура и массовый-секундный расход теплоносителя.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
R. P. Patera, K. R. Bohman, M. A. Landa, Controlled deorbit of the DELTA IV upper stage for the DMSP-17 mission, Proceedings of the 2nd IAASS Conference “Space Safety in a Global World” 14-16 May 2007, Chicago, USA (ESA SP-645, July 2007).
Kazuo Takase, Masanori Tsuboi, Shigeru Mori, Kiyoshi Kobayashi, Successful demonstration for upper stage controlled re-entry experiment by «H-IIB» launch vehicle, Mitsubishi Heavy Industries Technical review Vol. 48 No. 4 (December 2011).
Makoto, A. et al., H-IIB Launch Vehicle Result of Test Flight and Plan of 2nd Flight, Aeronautical and Space Sciences Japan, Vol. 59, No. 684 (2011) p. 24-27
Kazuo, T. et al., Upper Stage Controlled Re-entry Experiment by H-IIB Launch Vehicle, 28th ISTS Paper, 2011-g-16.
http://www.astrium.eads.net/
http://www.arianespace.com/index/index.asp
Трушляков В.И. Снижение техногенного воздействия ракетных средств выведения на жидких токсичных компонентах ракетного топлива на окружающую среду: монография / В.И. Трушляков, В.В. Шалай, Я.Т. Шатров; ред. В.И. Трушляков. – Омск: изд-во ОмГТУ, 2004. – 220 с.
Обоснование и создание дополнительных бортовых систем РН с ЖРД из условия снижения техногенного воздействия на окружающую среду: отчет о НИР. Шифр «Синева-О», / ОмГТУ; науч. рук. В.И. Трушляков; исполн.: В.Ю. Куденцов и др. – Омск, 2010 – 2012.
Ландау Л.Д. Теоретическая физика: учебн. пособие. В 10 т. Гидродинамика / Л.Д. Ландау, Е.М. Лифшиц. – Т.4. – М.: Наука. – 1986. - 736 с.
Шалай В.В. Теоретические основы и методология процессов термического обезвреживания остатков топлива в отделившихся частях ракет: дис… докт. техн. наук.- Омск: ОмГТУ, 2000. – 493 с.
Касилов В.Ф. Справочное пособие по гидрогазодинамике для теплоэнергетиков. – М.: Издательство МЭИ, 2000. – 272 с.
Одинцов П.В. Разработка методики выбора проектных параметров бортовых систем газификации жидких остатков топлива ракетных средств выведения: дис… канд. техн. наук.- Омск: ОмГТУ, 2009. – 128 с.
Мишин В.П. Основы проектирования летательных аппаратов. Учебник для технических вузов / В.П. Мишин, В.К. Безвербый, Б.М. Панкратов и др.: Под ред. В.П. Мишина. – М.: Машиностроение, 1985. – 360 с.
Беляев Е.Н., Чванов В.К., Черваков В.В. Математическое моделирование рабочего процесса жидкостных ракетных двигателей: Учебник. / Под ред. В.К. Чванова.- М.: Изд-во МАИ, 1999.- 228 с.
www.ansys.ru
www.ansyssolutions.ru
www.ansys.com
Трушляков В.И. Газификация жидких остатков ракетного топлива в условиях малой гравитации // В.И. Трушляков, В.Ю. Куденцов // Полёт. – 2011. №3 – С.33-40.
Беляев Н.М. Системы наддува топливных баков ракет / Н.М. Беляев. – М.: Машиностроение, 1976. – 336 с.
Андресон Д. Вычислительная гидромеханика и теплообмен Т.1., Т.2, Д.Андресон, Дж.Таннехилл, Р.Плетчер –. М.: Мир. 1990
Амосов А.А. Вычислительные методы для инженеров / А.А. Амосов, Ю.А. Дубинский, Н.П. Копченова. - М.: Высшая школа, 1994. – 544 с.
Теоретические основы процесса газификации низкокипящих и высококипящих остатков компонентов жидкого топлива в отделяющихся частях ракет-носителей в условиях невесомости при нарушении сплошности и неопределённости положения: отчет о НИР (промежуточный) / ОмГТУ; науч. рук. В. И. Трушляков; исполн.: В.Ю. Куденцов и др. – Омск, 2009. – 264 с. – Гос. рег. №01200960927 (шифр «Синева-0» этап 2)
Островский Г.М. Прикладная механика неоднородных сред. СПб: Наука, - 2000. – 359 с.
Теоретические основы хладотехники Теоретические основы хладотехники. Тепломассообмен: учеб. пособие для вузов по специальности "Холодильные и компрессорные машины и установки" / С. Н. Богданов [и др.] ; под ред. Э. И. Гуйго, 1986. – 319 с.
Трушляков В.И. / Экспериментальные исследования процесса низкотемпературной газификации жидкости / В.И. Трушляков и др. // Омский научный вестник. – 2011. – №2 (100). – С. 150 – 154.
Трушляков В.И. Разработка критериев для оценки параметров процесса газификации жидкого ракетного топлива в условиях малой гравитации / В.И. Трушляков и др. // Омский научный вестник. – 2010. – №2 (90). – С. 97 – 100.
Основы теплопередачи в авиационной и ракетно-космической технике: Учебник для авиационных специальностей вузов / Под общ. ред. академика В.С. Авдуевского и проф. В.К. Кошкина. - М.: Машиностроение, 1992. - 528 с.
Лариков Н.Н., Теплотехника - М.: Стройиздат, 1985.
Алтунин В.А. Исследование особенностей теплоотдачи к углеводородным горючим и охладителям в энергетических установках многоразового использования. Книга первая./ В.А. Алтунин. – Казань: КГУ им. В.И. Ульянова – Ленина, 2005. – 272 с.
Гортышов Ю.Ф., Дресвянников Ф.Н., Идиатуллин Н.С. Теория и техника теплофизического эксперимента, (под ред. В. К. Щукина). М.: Изд-во «Энергоатомиздат», 1985. С. 20-99.
Гортышов Ю.Ф., Олимпиев В.В. Теплообменные аппараты с интенсифицированным теплообменом. Казань: Изд-во КГТУ-КАИ им. А.Н. Туполева. 1999. 176 с.
ГОСТ Р 5184.7 – 2005 Оценка систем менеджмента качества. Москва Стандартинформ. 2005.
ГОСТ Р ИСО 10006-2005. Руководство по менеджменту качества при проектировании. Стандартинформ. 2005.
Проведение теоретико-экспериментальных исследований процесса газификации невыработанных остатков жидких компонентов ракетного топлива в баках отделяющихся частей ступеней космических ракет-носителей для реализации манёвров по изменению координат точек приземления / ОмГТУ; науч. рук. В. И. Трушляков; исполн.: В.Ю. Куденцов и др. – Омск, 2011. – 153 с. (шифр «Газификация»)// Государственный контракт от 01.04.2011 № 851-2118/11.
Рабинович И.М. Вычислительный эксперимент и его роль в решении задач проектирования сооружений. М., 1988. – 293с.
Н.А. Пахомова. “Методика формирования понятия “Вычислительный эксперимент”. Москва 1994. - 250с.
Вашкевич Н.П., Сергеев Н.П. Основы вычислительной техники. 2-е переработанное и дополненное издание. – М.: Высш.шк., 1988. – 311 с.
Гавриленко Е.Т. «Программирование и алгоритмические языки» 1974 г. - 424 с.
Луканин В.Н., Шатров М.Г. Теплотехника. Учебник для вузов. – М.: Высшая школа, 2000. – 671 с.
Экологические проблемы и риски воздействий ракетно-космической техники на окружающую среду: справочное пособие / ред. В.В. Адушкин, С.И. Козлов, А.В. Петров – М.: Издательство «Анкил», 2000. - 640 с.
Position Paper on Space Debris Mitigation: Implementing Zero Debris Creation Zones / edited by: Bonnal Christophe and Hussey John. – Paris. - International Academy of Astronautics (IAA), May 2006. – 64 p.
Шатров Я.Т. Обеспечение экологической безопасности ракетно космической деятельности: учебное пособие в 3-х частях.- г. Королев, М.о., ЦНИИмаш, 2010.
Алемасов В.Е. и др. Теория ракетных двигателей: Учебник для студентов высших технических учебных заведений / В.Е. Алемасов, А.Ф. Дрегалин, А.П. Тишин; под ред. В.П. Глушко. – М.: Машиностроение, 1989. – 464 с.
Березанская Е.Л. Газогенераторы жидкостных ракетных двигателей: учебное пособие / под ред. В.Д. Курпатенкова. - М., 1982.- 55 с.
Лойцянский Л. Гидроаэромеханика, Механика жидкости и газа, М., 1970.
Ультразвук. Маленькая энциклопедия. Главный редактор И.П. Голямина. – М.: «Советская энциклопедия», 1974. – 400 с.
Физика и техника мощного ультразвука. Физические основы ультразвуковой технологии. В 3 томах. Под редакцией проф. Л.Д. Розенберга. М.: Издательство «Наука». – 1970.
Третьяков А.П. Влияние ультразвука на интенсификацию теплообмена / А.П. Третьяков, Чен Хуа-дин // Теплоэнергетика. – 1960. – № 11. – С. 64 – 66.
|
