СПОСОБ МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССА ГАЗИФИКАЦИИ ОСТАТКОВ ЖИДКОГО КОМПОНЕНТА РАКЕТНОГО ТОПЛИВА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ Российский патент 2017 года по МПК G01N33/22 

Изобретения относятся к ракетно-космической технике и могут быть использованы при проведении физического моделирования процессов газификации остатков жидких компонентов ракетного топлива (КРТ) в баках отделяющихся частей (ОЧ) ступени ракет-носителей (РН) с использованием экспериментальных модельных установок в земных условиях.

Известен способ моделирования процесса газификации, описанный на стр. 163-174 в кн. 1 «Снижение техногенного воздействия ракетных средств выведения на жидких токсичных компонентах ракетного топлива на окружающую среду» (Монография) / Под ред. В.И. Трушлякова. - Омск: Изд-во ОмГТУ, 2004. 220 с. Непосредственное использование этого способа, основанного на получении теплоносителя (ТН) путем термохимической реакции взаимодействия самовоспламеняющихся КРТ, которые, как правило, токсичны, требует дорогостоящего оборудования, специализированных стендов и аттестованного персонала для работы с взрывоопасными, токсичными КРТ.

Наиболее близким по технической сущности является способ по патенту РФ №2461890 G09B 23/00 «Способ моделирования процесса газификации остатков жидкого ракетного топлива в баках отделяющейся части ступени ракеты-носителя», который включает в себя введение в экспериментальную установку (ЭУ) газовой струи с заданными параметрами, обеспечение заданных условий взаимодействия в зоне контакта газовой струи с поверхностью жидкого газифицируемого КРТ, проведение измерений температуры, давления в различных точках бака, отличающийся тем, что моделирование осуществляют путем введения ТН в ЭУ с жидким КРТ, осуществляют выбор оптимальных параметров подаваемого ТН - температура, массовый секундный расход, угол входа в ЭУ относительно продольной оси ЭУ, давление внутри ЭУ из условия минимума критерия, например энергомассовые затраты, количество теплоты, поданной в ЭУ для газификации заданного количества жидкости, времени газификации заданного количества жидкости.

Использование этого технического решения связано со следующим недостатком: выбор оптимальных параметров подаваемого ТН - температура, массовый секундный расход, угол входа в ЭУ относительно продольной оси ЭУ, давление внутри ЭУ угла входа ТН в ЭУ осуществляется из условий минимума критериев, например энергомассовые затраты, количество теплоты, поданной в ЭУ для газификации заданного количества жидкости, времени газификации заданного количества жидкости, т.е. с заранее заданными параметрами на весь эксперимент.

При проведении исследовательских экспериментов, а не решения конкретной задачи, например, приведенных в прототипе, возникают другие задачи, например, обдув заданного участка стенки ЭУ для определения коэффициента ее теплоотдачи, управляемый обдув элементов конструкции ЭУ и исследуемых образцов внутрибаковых элементов, нагрев газа и конструкции в ЭУ в режиме подготовки к проведению эксперимента и т.д.

Предлагаемое техническое решение направленно на устранение указанного недостатка, что достигается за счет того, что в известный способ моделирования процесса газификации остатков жидкого КРТ в баках ОЧ ступени РН, включающий введение в ЭУ теплоносителя, обеспечение заданных условий взаимодействия в зоне контакта теплоносителя с поверхностью модельной жидкости, проведение измерений температуры, давления в различных точках экспериментальной установки, вводят дополнительное действие: в процессе эксперимента параметры ТН определяют из условий решения текущих задач, например, обеспечения заданных углов натекания ТН на стенки ЭУ и модельную жидкость, обдув заданного участка стенки ЭУ для определения коэффициента ее теплоотдачи, обдув элементов конструкции ЭУ и исследуемых образцов внутрибаковых элементов, нагрев газа и конструкции в ЭУ в режиме подготовки к проведению эксперимента и т.д.

В результате применения предлагаемого способа возникает возможность в процессе одного эксперимента за счет изменения параметров ввода ТН, например угла ввода ТН, увеличить информативность эксперимента.

Устройство для реализации способа

Известно устройство для моделирования процесса газификации, описанное на стр. 163-174 в кн. 1 «Снижение техногенного воздействия ракетных средств выведения на жидких токсичных компонентах ракетного топлива на окружающую среду» (Монография) / Под ред. В.И. Трушлякова. - Омск: Изд-во ОмГТУ, 2004. 220 с.

Устройство содержит ЭУ в виде модельного бака, который состоит из обечайки сферического днища, поддона с двумя вваренными стаканами, температурные датчики, заправочно-сливную арматуру, датчики давления, дренажный трубопровод, расходомер, весоизмерительное устройство, утилизатор, газоанализатор, основанный на использовании катализатора.

Непосредственное использование этого устройства практически затруднено, т.к. требует дорогостоящего оборудования, специализированных стендов и аттестованного персонала для работы с взрывоопасными и токсичными КРТ.

Наиболее близким по технической сущности является устройство по патенту РФ №2461890 G09B 23/00 «Устройство для реализации способа моделирования процесса газификации остатков жидкого ракетного топлива в баках отделяющейся части ступени РН», которое включает в свой состав ЭУ, выполненную в виде прямоугольного параллелепипеда, большие боковые стенки которого выполнены из прозрачного стекла, на основании ЭУ через тепловые изоляторы установлен съемный поддон с элементами силового набора, изготовленный из материала, аналогичного материалу бака топливного отсека ОЧ, три входных патрубка газового потока размещены на малой боковой стенке с углами ввода 0°, 30° и 45°, соответственно, относительно основания ЭУ и ориентированы на съемный поддон, выходной патрубок газифицированных продуктов расположен в верхней части противоположной стенки ЭУ.

Использование технического решения по прототипу имеет следующий недостаток: ЭУ имеет три входных патрубка газового потока с фиксированными углами ввода 0°, 30° и 45° соответственно относительно основания ЭУ и ориентированы на съемный поддон, т.е. изменение угла ввода ТН в ЭУ в ходе эксперимента не является возможным, соответственно, и реализация предлагаемого способа на данной ЭУ связана со значительными затратами.

Предлагаемое техническое решение направленно на устранение указанного недостатка, что достигается за счет того, что в устройство для моделирования процесса газификации остатков жидкого КРТ в баках ОЧ ступени РН, включающее в свой состав ЭУ, выполненную в виде прямоугольного параллелепипеда, большие боковые стенки которого выполнены из прозрачного стекла, на основании ЭУ через тепловые изоляторы установлен съемный поддон с элементами силового набора, изготовленный из материала, аналогичного материалу бака топливного отсека ОЧ, выходной патрубок газифицированных продуктов расположен в верхней части противоположной стенки ЭУ, вводят входной патрубок, выполненный в виде шаро-шарнирного соединения и размещенный на противоположной боковой стенке от выходного патрубка.

Реализация предлагаемого способа и устройства поясняется на фиг. 1, где: 1 - ЭУ, 2 - поддон, 3 - модельная жидкость (капля), 4 - патрубок со сферическим шарниром, 5 - привод для отклонения потока ТН, 6 - гайка монтажная, 7 - уплотнительное кольцо, 8 - профилированное прижимное кольцо, 9 - фланец, 10 - выходной патрубок, 11 - технологический патрубок.

Предложенный способ моделирования процессов газификации осуществляется следующим образом.

Непосредственно перед проведением эксперимента проводят предварительную подготовку, заключающуюся в следующем: выбирают ТН с определенными начальными параметрами, а именно температура, давление, расход, угол ввода и скорость на входе в ЭУ, которые определяются по программе проведения эксперимента. Выбирают жидкость, моделирующую реальный КРТ, руководствуясь теорией подобия. Подобие процессов тепло- и массобмена можно частично обеспечить, подбирая модельную жидкость, параметры ТН и характеристический размер; например, газифицируя воду можно с некоторой погрешностью смоделировать газификацию азотной кислоты, так как ее критериальные значения в той или иной степени схожи со значениями критериев воды. Количество модельной жидкости выбирают из условия минимума критерия, например: энергомассовые затраты, количество теплоты, поданной в ЭУ для газификации заданного количества жидкости, время газификации заданного количества жидкости.

В процессе эксперимента параметры ТН определяют из условий решения текущих задач, например, обеспечения заданных углов натекания ТН на стенки ЭУ и модельную жидкость, обдув заданного участка стенки ЭУ для определения коэффициента ее теплоотдачи, обдув элементов конструкции ЭУ и исследуемых образцов внутрибаковых элементов, нагрев газа и конструкции в ЭУ в режиме подготовки к проведению эксперимента и т.д.

В ЭУ 1 вводят струю ТН с заданными параметрами, определенными заранее.

Остатки газифицируемого КРТ размещают на поддоне 2. ТН достигает до патрубка со сферическим образованием 4 и попадает в ЭУ 1. ТН поступает к зеркалу жидкости (капле) 3, тем самым осуществляется процесс газификации. Газифицированные пары утилизируются через выходное отверстие 10. Для слива остатков жидкости предусмотрено технологическое отверстие 11.

Тепловую энергию, находящуюся в газифицированных продуктах, после выхода их из ЭУ, утилизируют посредством теплообменника, для снижения затрат на подготовку ТН. Для этого определяют состав газифицированных продуктов, выходящих из ЭУ, и при достижении предельно допустимой концентрации токсичных веществ их обезвреживают, например, в факеле или катализаторе. Состав газифицированных продуктов определяют расчетным, а также на основе измерения химического состава.

Конструкция шаро-шарнирное соединение представляет собой патрубок со сферическим шарниром 4, который размешается в специальном фланце 9 и фиксируется с помощью профилированного прижимного кольца 8, выполненного из твердых полимеров, и гайки 6. Для обеспечения герметичности соединения в конструкции приспособления применяются два уплотнительных кольца 7, выполненных из полиуретана.

Шаро-шарнирное соединение дает возможность изменять угол ввода ТН в ЭУ в ходе проведения эксперимента, с помощью привода 5.

Использование предлагаемого устройства позволяет существенно расширить границы предлагаемого способа газификации остатков топлива в баках, например, на исследование технологии сушки топливных баков в процессе их изготовления после ряда технологических процессов, предусматривающих заполнение бака технологической жидкостью (для тарировки объема бака по различным уровням заполнения, мытья от технологических загрязнений).

Группа изобретений относится к методам и средствам исследования процесса газификации ракетного топлива в баках изделия. Способ включает введение в экспериментальную установку (ЭУ) теплоносителя в диапазоне углов ввода, обеспечивающих заданные углы натекания теплоносителя на стенки ЭУ и модельную жидкость (в виде капель на поддоне). Поддон изготовлен из материала, аналогичного материалу топливного бака, и установлен на основании ЭУ через тепловые изоляторы. Стенки ЭУ выполнены из стекла, а входной патрубок - в виде шаро-шарнирного соединения, размещенного на боковой стенке, противоположной стенке с выходным патрубком. В ходе эксперимента измеряют температуры и давления в различных точках ЭУ, определяя, при желании, коэфф. теплоотдачи стенки ЭУ, выполняя обдув элементов конструкции ЭУ и исследуемых образцов внутрибаковых элементов, нагрев газа и конструкции в ЭУ в режиме подготовки к проведению эксперимента и т.д. Техническим результатом является расширение функциональных возможностей ЭУ и повышение информативности моделирования. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ моделирования процесса газификации остатков жидкого компонента ракетного топлива в баках отделяющейся части ракеты-носителя, включающий введение в экспериментальную установку (ЭУ) теплоносителя, обеспечение заданных условий взаимодействия в зоне контакта теплоносителя с поверхностью модельной жидкости, проведение измерений температуры, давления в различных точках экспериментальной установки, отличающийся тем, что в процессе моделирования угол ввода теплоносителя определяют из требований обеспечения заданных углов натекания теплоносителя на стенки ЭУ и модельную жидкость относительно основания ЭУ в ходе проведения эксперимента.

2. Устройство для реализации способа по п. 1, включающее в свой состав ЭУ в виде прямоугольного параллелепипеда, большие боковые стенки которого выполнены из прозрачного стекла, на основании ЭУ через тепловые изоляторы установлен съемный поддон с элементами силового набора, изготовленный из материала, аналогичного материалу бака топливного отсека отделяющейся части ракеты-носителя, выходной патрубок газифицированных продуктов расположен в верхней части противоположной стенки ЭУ, отличающееся тем, что входной патрубок выполнен в виде шаро-шарнирного соединения и размещен на противоположной боковой стенке от выходного патрубка.