Введение к работе
Актуальность темы. На всех этапах эксплуатации ракет-носителей (РН) различных классов происходит неблагоприятное воздействие па окружающую среду (ОС). Для РН с жидкостными ракетными двигателями (ЖРД) на токсичных компонентах ракетного топлива (КРТ) наибольшую опасность для ОС представляют выбросы токсичных КРТ. Максимальное количество выбросов приходится на районы падения отработанных ступеней, когда оставшиеся в них неизрасходованные КРТ попадают в ОС при разрушении ступени в верхних слоях атмосферы или при ударе о- грунт. Количество неизрасходованных КРТ может достигать значительных величин, так, для I ступени РН "Космос" остатки горючего могут составлять свыше 1000 кг.
Возможен целый ряд бортовых систем снижения вредного воздействия КРТ на ОС. Оценка эффективности подобных систем на основе суммарного стоимостного критерия, включающего в себя затраты на разработку системы и затраты на компенсацию ущерба окружающей среде показала преимущество бортовой системы обезвреживания (БСО) на основе термохимического метода нейтрализации остатков горючего в баках отработавших ступеней ракет на пассивном участке траектории. Такой метод обладает достаточно высокой скоростью обезвреживания, что в условиях малого времени пассивного полета отработавших ступеней имеет существенное значение. При этом сброс продуктов реакций из бака горючего происходит в основном в верхние слои атмосферы, на высотах более 50 км, что способствует их дальнейшему полному разложению под действием ультрафиолетового излучения Солнца.
Работа проводилась при поддержке грантов в областях «Фундаментальные проблемы охраны окружающей среды и . экологии», 1994-96гг. и «Фундаментальные исследования в области авиационной и ракетно-космической техники»', 1994-97гг. Результаты работы использовались: при выполнении межвузовских профамм «Конверсия и высокие технологии», 1994-97гг. и «Технические университеты», 1994-97гг.; региональных профамм «Омский регион», 1994-95гг. и «Алтай-Р», 1997г.
Цель диссертации. Основной целью исследования является разработка методики для определения теплового нафужения конструкции бака ракеты и эффективного режима функционирования БСО, обеспечивающего за время пассивного полета ступени на внеатмосферном участке траектории обезвреживание заданного количества остатков КРТ. Для решения этой задачи необходимо: обосновать выбор метода исследования процесса термохимического обезвреживания; выполнить математическое моделирование процессов тепломассообмена химически неравновесных течений с учетом впрыска и испарения отдельных компонентов; найти решение полученной системы дифференциальных уравнений методами численного интегрирования; провести идентификацию методики численного расчета по результатам экспериментальных исследований; провести численное ис-
следование п|х>иссса термохимического обезвреживания в топливном баке ракеты.
Методы исследования. Теоретические исследования проводились на основе математического моделирования процессов тепломассообмена несжимаемых химически неравновесных течений с учетом впрыска и испарения отдельных компонентов.
Разработанная система дифференциальных уравнений со сформулированными условиями однозначности решалась методами численного интегрирования на ЭВМ.
Научная новизна и основные результаты. Установлено, что при проведении процесса термохимического обезвреживания топливного бака ракеты происходит диффузионное горение, характеризующееся существенной неравномерностью распределения температур и концентраций исходных компонентов к продуктов их взаимодействия.
Разработана математическая модель для общего случая ламинарного течения вязкого, несжимаемого газа, состоящего из нескольких компонентов, между которыми могут происходить химические реакции с учетом впрыска и испарения отдельных компонентов.
Предложена упрощенная модель химических превращений несимметричного днметидгидразина (НДМГ), сводящая все химические взаимодействия к трем одностадийным, подчиняющимся закону Аррениуса реакциям.
Для численного исследования процесса термохимического обезвреживания была разработана программа, которая методами численного интегрирования решает полученную систему дифференциальных уравнений сохранения совместно С уравнениями кинетики.
Исследованы распределения температуры, концентраций химических компонентов внутри рабочего объема и особенности прохождения процесса термохимического обезвреживания.
Достоверность результатов исследований. Проведена идентификация результатов численного моделирования термохимического процесса с результатами натурных экспериментов. На основе этого уточнены механизм прохождения химических реакций, значения кинетических констант и коэффициентов лучистого теплообмена.
Практическая ценность. Создана методика для определения теплового на-гружения конструкции бака ракеты л эффективного режима функшюннроаамия БСО. БСО является принципиально новой системой в ракетной технике, подобные исследования ранее не проводились.
По результатам исследований разработаны рекомендации, позволяющие улучшить рабочие характеристики бортовой системы обезвреживания: время обезвреживания, химический состав сбрасываемых продуктов нейтрализации путем изучения злішіия иа температурный режим конструкции ступени различных
вариантой взаимного расположении форсунок впрыска окислителе, жидкою горючего и выхлопного отверстия, а также скорости, дисперсности и угли наклона подаваемой струи окислителя. Определены значения конструктивных параметров системы обезвреживания и получены критериальные уравнения для инженерных расчетов применительно к Ш «Космос».
Разработанная методика расчета'полей температуры, концентрации химических компонентов и скоростей универсальна и может найти применение в задачах конвективного теплообмена, конвективного массопереноса, для исследования химически реагирующих смесей в несло маемых средах с учетом впрыска и испарения отдельных компонентов, например, в моделировании химических реакторов и топочных устройств.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на . Всероссийской межвузовской конференции «Конверсия ВУЗов - защите окружающей среды» (Екатеринбург, 1994г.}, . Международной конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы охраны окружающей среды»( Томск, 1995г.), Международной научно-технической конференции "Динамика систем, машин и механизмов" (Омск, 1995,1997гг.).
Публикации. По тематике диссертации опубликовано 5 работ.
Структура диссертации. Диссертация состоит из взедения, четырех глав, заключения. Объем диссертации: 124 страницы, включая 74 рисунка и библиографию на 45 наименований.
