Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Методические аспекты проведения испытаний двигательных установок на криогенных компонентах топлива 12
1.1. Особенности испытаний с имитацией эксплуатационных условий на эта пе автономной отработки ДУ 14
1.2. Особенности испытаний с имитацией эксплуатационных условий на этапе комплексной отработки ДУ 30
1.3. Постановка задач исследований 38
Глава 2. Имитация интенсивности тепло-массообмена при отработке внутри-баковых процессов 41
2.1. Определение интенсивности тепло-массообмена в топливном баке 41
2.1.1. Экспериментальные установки и средства измерений 41
2.1.2. Интенсивность массообмена при вынужденном движении газа через топливо 48
2.1.3. Влияние направления ввода газа наддува и скорости подачи его в газовый объем на энергораспределение в баке 61
2.1.4. Влияние демпфирующих перегородок на прогрев топлива в баке 68
2.1.5. Интенсивность тепло-массообмена при низкочастотных колебаниях свободной поверхности топлива в баке 73
2.2. Методы расчета параметров состояния топлива в баке 89
2.2.1. Определение параметров состояния топлива при подаче газа наддува в свободный объем бака 89
2.2.2. Определение параметров состояния топлива при движении газа наддува через жидкость 97
2.3. Рекомендации по результатам исследований и их применение 101
2.3.1. Определение характеристик систем наддува при отработке внутрибако-
вых процессов 101
2.3.2.Соершенствование внутрибаковых процессов : 107
Заключение по главе 2 112
Глава 3. Имитация газосодержания и паросодержания в компонентах топлива при стендовой отработке двигателей 119
3.1. Методы термодинамического расчета параметров состояния насыщенно го топлива на входе в двигатель 119
3.1.1. Определение параметров состояния топлива при газовыделении 119
3.1.2. Определение параметров состояния топлива при парообразовании ,.133
3.2. Параметрическая идентификация двухфазного состояния топлива в стендовой системе питания 137
3.3. Экспериментальное изучение процессов при образовании двухфазного состояния криогенного топлива 142
3.3.1. Особенности проведения исследований 142
3.3.2. Результаты исследований газовыделения и парообразования в баке и магистрали питания 150
3.3.3. Результаты исследований смешения газа и топлива в потоке 161
3.4. Определение характеристик систем топливоподачи при отработке двига
телей 164
3.4.1. Определение характеристик насосов двигателей в замкнутом контуре подачи топлива с регулированием паросодержания 168
3.4.2. Оценка влияния состава двухфазного потока на работоспособность насосов двигателей 172
3.4.3. Особенности проведения испытаний с образованием двухфазного потока при смешении неконденсируемого газа и топлива 182
Заключение по главе 3 185
Глава 4. Имитация режимов совместного функционирования систем питания при комплексной отработке двигательных установок 190
4.1. Стратегия безопасного проведения испытаний 190
4.2. Оценка риска испытаний и его уменьшение 194
4.3. Предупреждение возникновения аварийной ситуации 204
4.4. Распознавание и парирование нештатных или аварийных ситуаций... 217
4.5. Уменьшение последствий аварии 229
Заключение по главе 4 230
Основные результаты и выводы 233
Сокращения и условные обозначения 236
Литература
- Особенности испытаний с имитацией эксплуатационных условий на эта пе автономной отработки ДУ
- Определение интенсивности тепло-массообмена в топливном баке
- Методы термодинамического расчета параметров состояния насыщенно го топлива на входе в двигатель
- Стратегия безопасного проведения испытаний
Введение к работе
Развитие ракетной техники и практическое применение транспортных космических систем связано с использованием двигательных установок (ДУ), работающих на криогенных компонентах топлива. Технические возможности двигательных установок, а также их количественные и качественные характеристики могут быть определены лишь в результате испытаний при наземной и летной экспериментальной отработке. Испытания при наземной отработке не обеспечивают в полной мере воспроизведения полетных условий функционирования ДУ. Испытания при летной отработке с экономической и технической точек зрения не позволяют получить требуемый объем информации о надежности и безопасности функционирования агрегатов и систем ДУ. Одним из путей эффективного решения проблемы экспериментального определения технических характеристик и подтверждения безотказного функционирования ДУ является проведение автономной и комплексной отработки на созданных для этого специальных стендах, оснащенных необходимыми средствами измерений и обеспечивающих имитацию предстартовых и полетных условий эксплуатации ДУ. Опыт создания ряда ракетных транспортно-космических систем (Н1-ЛЗ и "Энергия-Буран" в России, "Сатурн-Ашюлон" и "Спейс-Шатлл" в США) подтверждает целесообразность указанного подхода.
Актуальность темы диссертации связана с решением научно-технической проблемы эффективного проведения экспериментальной отработки ракетных двигательных установок, работающих на криогенных компонентах топлива, в результате создания методологии стендовых испытаний с имитацией эксплуатационных условий функционирования систем питания.
Термодинамические процессы в системах питания ДУ обуславливают прогрев криогенных ракетных топлив и загрязнение их растворенным газом, возникновение термомеханических нагрузок на элементы конструкции. Это приводит к появлению насыщенного и двухфазного состояния компонентов топлива на входе в насосы двигателей, ухудшению энергомассовых характеристик или нарушению нормального функционирования ДУ. Термомеханические
нагрузки являются потенциальными источниками разгерметизации систем питания и возникновения аварии. Обеспечение безотказного функционирования ДУ в условиях эксплуатации требует создания систем питания с высокими гидродинамическими характеристиками и повышенной стойкостью к термомеханическим нагрузкам, применения качественной теплоизоляции, всесторонней проверки в наземных условиях влияния теплофизических характеристик компонентов топлива и явлений, сопутствующих термодинамическим процессам, на энергомассовые характеристики и надежность функционирования ДУ.
В период создания кислородно-керосиновых и кислородно-водородных ДУ ракетных блоков организациями РКК "Энергия" им. СП. Королева, КБХМ, ЦНИИМАШ (г.Королев, Московская обл.), КБ "Энергомаш" ( г.Химки, Московская обл.), КБХА (г.Воронеж) , КБ "Салют", ИЦ им. М.В. Келдыша (г.Москва), РНЦПХ (г.Санкт Петербург), НИИХМ (г.Сергиев Посад, Московская обл.), НПО "Криогенмаш" (г.Балашиха, Московская обл.) при участии автора диссертации разработаны основы методологии испытаний систем питания ДУ на криогенных компонентах топлива. Отдельные аспекты методологии стендовых испытаний нашли отражение в научных работах сотрудников указанных организаций. Анализ известных исследований и разработок показал, что их применение не обеспечивало необходимого качества отработки создаваемых
ДУ.
Высокие технические требования к системам питания в части их надежного и безопасного функционирования на жидком водороде обусловили необходимость создания методик испытаний, основанных на результатах исследований процессов, характерных для условий предстартовой и полетной эксплуатации, а также методов управления имитационными процессами и операциями безопасного проведения испытаний при стендовой отработке ДУ.
Целью настоящей работы являлось создание методологии испытаний с имитацией эксплуатационных условий подачи криогенных компонентов топлива для эффективного проведения стендовой отработки ракетных двигательных установок.
7 В задачи входило проведение исследований процессов в системах питания и разработка методик (стратегий):
определения характеристик систем наддува при отработке внутрибаковых процессов с имитацией эксплуатационных условий интенсивности тепломассообмена;
определения характеристик систем топливоподачи при отработке двигателей с имитацией эксплуатационных условий газосодержания и паросодержания в компонентах топлива;
безопасного определения характеристик двигательных установок при комплексной отработке с имитацией эксплуатационных условий совместного функционирования систем питания.
Для решения указанных задач применялись:
анализ и обобщение опыта проведения стендовых испытаний с использованием теории технических систем и научных положений экспериментальной отработки ДУ ракетно-космической техники;
способы решения обратных задач тепло-массообмена для получения эмпирических зависимостей и методы численного определения параметров состояния топлива с использованием этих зависимостей;
идентификация эксплуатационных условий тепло-массообмена на основе физического и математического имитационного моделирования процессов с применением законов технической и химической термодинамики, а также зависимостей, характеризующих подобие процессов.
Исследования осуществлялись на комплексе водородно-кислородных стендов (КВКС 106) в НИИХМ в соответствии с Государственными ракетно-космическими программами при проведении опытно-конструкторских работах с ДУ ракетных блоков, их агрегатами и системами.
Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем: 1. Применен системный подход к рассмотрению методологии стендовых испытаний. На концептуальном, оперативном и детальном уровнях предложены научно-технические решения задач по имитации эксплуатацион-
8 ных условий функционирования систем питания ДУ, работающих на криогенных компонентах топлива.
Получены и обобщены данные по интенсивности теплообмена в баке при низкочастотных колебаниях свободной поверхности жидкости и массообмена при движении газа наддува через жидкость. Обосновано влияние на энергораспределение в баке условий ввода газа наддува, режимов колебаний поверхности жидкости, установки демпфирующих перегородок
В результате определения влияния на интенсивность тепломассообмена колебаний поверхности жидкости и условий подачи в бак газа наддува усовершенствованы. методы расчета параметров состояния топлива в баке.
Разработаны методы термодинамического расчета параметров состояния насыщенного топлива на входе в двигатель, учитывающие изменения состава фаз при газовыделении и парообразовании в баке и магистрали питания.
Получены и обобщены данные по интенсивности процессов газовыделения в неподвижном и движущемся криогенном топливе, смешения его с газом или паром в спутном потоке. Подтверждена возможность равновесного термодинамического анализа процессов газовыделения и парообразования, происходящих в баке и магистрали питания.
Предложены способы оперативного определения концентрации ие-конденсируемого газа, растворенного в криогенной жидкости, и амплитуды колебаний поверхности жидкости в стендовом модельном баке, осуществления поверок средств измерений температуры и сплошности криогенной жидкости.
Определены соотношения физических параметров для получения в модельном баке и стендовых системах питания двигателя интенсивности тепло - массообменных процессов, прогнозируемой для условий эксплуатации ДУ. Рекомендованы зависимости для определения режимов имитационных процессов, позволяющих при автономной стендовой отработке агрегатов и систем ДУ осуществлять идентификацию параметров состояния топлива.
Рекомендована методика определения характеристик систем наддува при отработке внутрибаковых процессов с имитацией интенсивности тепло- массообмена в модельном баке и предложены способы эффективного проведения внутрибаковых процессов на переохлажденных компонентах топлива.
Рекомендована методика определения характеристик систем топли-воподачи при отработке двигателей с имитацией газосодержания и паросодер-жания в стендовой системе питания и определено влияние состава двухфазного потока водорода на кавитационные характеристики насосов натурных двигателей.
10. Систематизированы методы управления операциями безопасного
проведения испытаний при комплексной отработке ДУ с имитацией совместно
го функционирования систем питания и предложен критерий оценки эффек
тивности применяемых методов.
Новизна ряда научно-технических решений подтверждена авторскими свидетельствами на изобретения и регистрацией методов расчета в Фонде алгоритмов и программ.
Апробация работы и публикации.
Основные положения настоящей работы докладывались и обсуждались на научно-технических семинарах и конференциях:
«Кавитационные колебания и динамика гидравлических систем», ИТМ АН Украины, г. Днепропетровск, 1986 и 1990 г.; «Системы питания ЖРДУ» НИИХМ, г. Загорск, 1988 и 1989 г.; «Процессы в системах питания ЖРДУ», МАИ, г. Москва, 1988 и 1993г.; «Проблемы пожарной безопасности», ВНИИПО, г. Москва, 1991 г.; «Международная конференция по аэрокосмическим системам», НПО «Молния» и РИА, г. Зеленоград, 1992 г.;
«Проблемы применения криогенных компонентов топлива в авиации», ВВИА им. Жуковского Н.Е., г. Москва, 1994 г.;
«Российская национальная конференция по теплообмену», МЭИ и АН России, г. Москва, 1994 г.;
10 «Применение криогенных топлив в перспективных летательных аппаратах», Координационный Совет по водородной энергетике и технологии, ВВИА им. Жуковского Н.Е., АНТК им. Туполева АЛ., г. Москва, 1996 г.; «Международный форум по тепло-массообмену», ИТМО АН Белоруссии, г, Минск, 2000 г.
Ряд предложенных технических решений апробирован в промышленных условиях при проведении экспериментальной отработки в НИИХМ двигательных установок, их агрегатов и систем.
Результаты исследований и разработок по теме диссертации опубликованы в 42 статьях, защищены 32 авторскими свидетельствами на изобретения, нашли отражение в 2 программах для ЭВМ, учебном пособии для студентов высшего учебного заведения и 4 нормативно-методических документах, изложены в 30 отчетах по результатам испытаний.
Практическая ценность работы. Разработана методология стендовых испытаний, включающая современную концепцию отработки систем питания, методики определения характеристик систем питания с имитацией эксплуатационных условий подачи криогенных компонентов топлива, методы управления имитационными процессами и операциями безопасного проведения испытаний. Это позволило повысить эффективность стендовой экспериментальной отработки систем питания и способствовало техническому прогрессу в создании кислородно-водородных двигательных установок.
Результаты исследований и разработок, изложенные в диссертации, нашли практическое применение в организациях НИИХМ, РКК «Энергия», КБ «Салют», КБХА, КБХМ при стендовой отработке двигателей РД56, РД0120, КВД1 и двигательных установок РН «Энергия», 12КРБ.
В связи с перспективой применения жидкого водорода как экологически чистого и энергетически выгодного рабочего тела полученные в диссертационной работе данные могут быть использованы в дальнейшем при создании ракетных и аэрокосмических систем, энергоустановок для авиационного, морского и наземного транспорта.
Достоверность результатов паботы обеспечена:
использованием современных физико-математических методов для решения инженерных задач по определению характеристик систем питания ДУ;
получением и обобщением большого объема данных по результатам испытаний на натурных испытательных стендах и крупномасштабных экспериментальных установках, действующих на водороде и кислороде;
согласованием результатов теоретических и экспериментальных исследований с точностью, необходимой для определения характеристик натурных агрегатов и систем ДУ;
применением разработанных расчетных и экспериментальных методов при автономной и комплексной отработке кислородно-водородных ДУ.
Основные положения, представляемые к защите:
Системная методология испытаний с имитацией эксплуатационных условий подачи криогенных компонентов при стендовой отработке ракетных двигательных установок.
Результаты теоретических и экспериментальных исследований процессов прогрева криогенного топлива и его газонасыщения в баке, образования и имитации двухфазного состояния газосодержащего и паросодержащего топлива в магистрали питания двигателя; аналитические и эмпирические зависимости, позволяющие рассчитывать изменения термодинамических параметров состояния компонентов топлива в баке и магистрали питания,
Методика определения характеристик систем наддува с имитацией тепло-массообмена в модельном баке.
Методика определения характеристик систем топливоподачи с имитацией газосодержания и паросодержания в компонентах топлива.
Стратегия безопасного определения характеристик двигательных установок при комплексной отработке.
Рекомендации по практическому применению результатов исследований и разработок при создании кислородно-водородных'двигательных установок.
Особенности испытаний с имитацией эксплуатационных условий на эта пе автономной отработки ДУ
При автономной отработке ДУ объем и содержание испытаний обусловлены необходимостью подтверждения работоспособности конструкции двигателя и пределов его безопасного функционирования, прочности элементов конструкции при термомеханических нагружениях, тепло-гидравлических характеристик элементов систем топливоподачи, работоспособности теплоизоляции топливных баков и трубопроводов и др. Имитация эксплуатационных условий при автономной отработке позволяет исследовать механизмы термодинамических процессов, определить соответствие расчетных характеристик элементов систем топливоподачи опытным данным и область безотказного функционирования.
Имитация тепло-массообменных и гидродинамических процессов предполагает, что конструкторской документацией определены параметры топлива, характеризующие его состояние в системе питания ДУ: рабочая температура компонентов топлива в баке и на входе в двигатель; давление в топливных баках и допустимое минимальное давление на входе в двигатель; концентрация растворенных в топливе конденсируемых и неконденсируемых газов; возможное объемное содержание легкой (газовой или паровой) фазы в топливе; концентрация механических частиц, влаги и масла в топливе. Изменения во время полета ракеты частоты и амплитуды колебаний давления в магистрали питания и поверхности топлива в баке, а также изменения перегрузки и аэродинамиче- ского нагрева в полете оказывают влияние на значения этих параметров. Области допустимых изменений параметров состояния водорода и кислорода в системах тогагавоподачи современных ДУ приведены в таблице 1.1.
Определение количественных значений и характера изменений указанных параметров связано с рассмотрением эксплуатационных условий прогрева и загрязнения ЮКРТ, изменений давления в баках и магистралях питания. Значения давления и температуры КЖРТ на входе в двигатель связана с изменениями аналогичных параметров в топливном баке. Известные методы расчетного определения изменений давления и температуры топлива при подаче его из бака в двигатель с использованием энергии газа наддува базируются на численном решении дифференциальных уравнений с распределенными параметрами в жидком топливе, газовом объеме и стенке бака [5, 66, 119, 126]. При этом для описания интенсивности взаимодействия газа, жидкости и стенки бака используются эмпирические данные, которые зависят от рода жидкого топлива и его рабочей температуры, рода газа наддува и условий ввода его в бак, харак тера движения жидкого топлива в баке, конструктивного исполнения внутриба-ковых устройств. Это не позволяет решать только аналитически задачу нестационарного сопряженного тепло-массообмена для прогнозирования изменений давления и температуры топлива в баке ДУ во время ее функционирования или пассивного полета.
В общем случае, прогрев КЖРТ в баке и магистрали питания ДУ осуществляется за счет внешней тепловой нагрузки, контактного взаимодействия с газом наддува и несмоченной стенкой бака. Процесс прогрева интенсифицируется при турбулизации верхнего слоя топлива в баке. При этом увеличивается коэффициент турбулентной теплопроводности жидкости, что приводит к существенному прогреву верхнего слоя топлива: Прогрев криогенного топлива в баке является результатом суммарного теплового потока q = qCM+ qCB. Исходя из условия аддитивности, принято считать [65], что внешняя тепловая нагрузка через смоченную поверхность (qCM) приводит к увеличению среднемассовой температуры, а тепловая нагрузка через свободную поверхность (qCB) - к прогреву верхнего слоя топлива. Величина температурного расслоения зависит от соотношения qCB/qcM и имеет место при qCB qCM- Температурное расслоение реализуется, если жидкость способна принять qCB, в противном случае происходит ее испарение. Величина qCB определяется теплоотдачей от газа и несмоченной стенки бака. Передача тепла в жидкость возможна за счет естественной конвекции и турбулизации верхнего слоя жидкости. Турбулизация верхнего слоя топлива характеризуется коэффициентом эффективной температуропроводности жидкости є= аэ/аж. Безразмерный коэффициент эффективной температуропроводности в случаях естественной конвекции (єе) и контактного взаимодействия газа наддува и жидкости (є„), определенный по результатам экспериментальных исследований, имеет значения se= 5 ... 20; єн = 20 ... 50, соответственно. При колебаниях поверхности жидкости этот коэффициент может иметь значения єк = 50... 10s [29,44].
Определение интенсивности тепло-массообмена в топливном баке
Экспериментальное изучение внутрибаковых процессов осуществлялось при рассмотрении следующих факторов, оказывающих влияние на интенсивность тепло-массообмена: условий ввода газа наддува в топливный бак, коле-баний свободной поверхности топлива и наличия демпфирующих перегородок в баке. Для исследования и отработки внутрибаковых процессов были созданы модельные экспериментальные установки, выбраны средства и способы определения основных параметров процессов, усовершенствованы способы и устройства безопасного и достоверного определения интенсивности процессов, обоснованы методические аспекты проведения испытаний с применением интегрального способа анализа экспериментальных данных.
Созданы 4 модельные экспериментальные установки. На установке ЭУ1 (см. рис.2.1) с использованием рабочих тел жидкий водород и газообразные гелий и водород изучалось влияние условий ввода газа наддува на энергораспределение в баке и изменения состава газовой и жидкой фаз. На установках ЭУ1, ЭУ2 и ЭУЗ (см. рис.2.2) с применением рабочих тел жидкий водород, вода и жидкий азот, соответственно, изучалось влияние демпфирующих перегородок на прогрев топлива. На установке ЭУ4 (см. рис.2.3 и 2.4) с использованием жидкого водорода, газообразных водорода и гелия исследовалось влияние колебаний поверхности жидкости и демпфирующих перегородок на тепломассообмен в баке. Технические возможности установок по созданию режимов испытаний иллюстрирует таблица 2.1.
Экспериментальные установки были оснащены средствами измерений следующих параметров: температуры по высоте объема жидкости, газового объема, а также стенок бака (см. рис.2.5); уровня жидкости и давления в баке; концентрации растворенного газа; расхода газа при наддуве бака и жидкости при сливе из бака; сплошности топлива; температуры и давления в магистрали, слива. Предельные величины погрешности измерений имели значения: температуры жидкости - 1% от измеряемых величин, уровня жидкости - 2% на длине 1 м, расхода жидкости - 1%, расхода газа - 5%, давления - 1,2%, мольной концентрации газа в зависимости от применяемого способа от 5 до 15%, сплошности топлива - 5% объемных.
Эксперименты с использованием криогенных компонентов проводились в нижеследующей последовательности. После очистки баков от воздуха производилось охлаждение конструкции и заправка их криогенным топливом. Осуществлялась подготовка топлива к проведению экспериментов путем нагрева его или охлаждения. Охлаждение осуществлялось вакуумированием газового объема бака с помощью газового эжектора, а нагрев - конденсацией одноименного с топливом газа при его вынужденном движении через жидкость. Регулирование расхода жидкости при сливе топлива из бака проводилось с применением дистанционного управляемого гидравлического дросселя, а регулирование расхода газа наддува - путем дистанционного изменения давления перед соплом, обеспечивающим сверхкритический перепад давления.
При имитации режимов предпусковых операций и операций подачи топлива из бака в двигатель осуществлялась дистанционная регистрация измеряемых параметров и их обработка в реальном масштабе времени или после завершения каждого эксперимента. Безопасная и эффективная эксплуатация ЭУ1 и ЭУ4 на жидком водороде обеспечивалась применением ряда способов и устройств, защищенных авторскими свидетельствами на изобретения, существо которых изложено в работах [133,147,155,156,159].
Созданные в НИИХМ совместно с РКК "Энергия" и при участии автора настоящей работы крупномасштабные модельные установки ЭУ1 (Н = Н / DE = 2,57) и ЭУ4 (Н= 1,56) обеспечивали геометрическое подобие водородных баков "Р" Н1-ЛЗ (Н = 1,49) и 12КРБ (Н = 1,89), а также частичное подобие в начале работы ДУ блока "Ц" РН "Энергия" (Н = 3,66).
В ряде случаев эксплуатации ДУ наддув топливных баков осуществляют подачей неконденсируем ого газа через топливо. Реализация такого способа позволяет обеспечить: перемешивание топлива для исключения его температурного расслоения; значение температуры в газовом объеме бака, близкое к температуре жидкости; уменьшение падения давления в газовом объеме за счет газовыделения из топлива при безнаддувном хранении топлива и изменениях направления сил, действующих на летательный аппарат.
В результате экспериментальных исследований подтверждено, что при подаче газа в жидкость через распылитель, представляющий собой коллектор с отверстиями, происходит идеальное перемешивание раствора, а изменениями массы жидкости можно пренебречь. Анализ результатов измерений концентрации газа, растворенного в жидкости, и температуры жидкости датчиками, установленными по высоте бака, показал, что поля концентраций и температур в жидкой фазе по высоте бака в пределах погрешностей измерений можно считать однородными [26].
Методы термодинамического расчета параметров состояния насыщенно го топлива на входе в двигатель
В реальных стендовых и бортовых системах топливоподачи при хорошем качестве теплоизоляции и длительном процессе захолаживания конструкции всегда существуют условия, при которых за счет теплопритока по тепловым мостам стенки магистрали питания или бака несколько перегреты по сравнению с температурой жидкости. Это создает условия для образования и тепловой стабилизации микроскопического ядра (зародыша) газопаровой фазы. Количество и размеры таких пузырьков зависят от теплофизических свойств материала поверхности и топографии шероховатостей на ней. На основе расчетов было установлено [26], что:
- для криогенных жидкостей существование микроскопического зародыша газопаровой фазы возможно при перегреве стенки существенно меньшем, чем для высококипящих жидкостей;
- при течении криогенного топлива перенасыщенного газом в магистрали питания переход газа и пара в свободное состояние для криогенных жидкостей из-за турбулентного характера течения и наличия интенсивного переноса вещества через границу раздела фаз должен осуществляться быстрее, чем для высококипящих; из-за разницы скоростей газопаровая фаза незначительно опережает жидкую фазу (не более чем на 3%), что позволяет пренебречь влиянием скольжения фаз на термодинамическое равновесие параметров в потоке.
Можно допустить, что десорбция гелия из его раствора в жидком водороде и кислороде с образованием газопаровой фазы происходит равновесно. Это положение позволяет при построении расчетной модели прогнозируемого на 120
турного процесса для определения параметров потока рассматривать его интегральные характеристики без учета кинетики фазовых переходов, а при регулировании на стенде параметров потока (в случае его установившегося движения) обеспечивать максимальное значение газопаросодержания.
При построении расчетной схемы процесса образования газопаровой фазы из перенасыщенных газом криогенных компонентов топлива была принята модель с осредненными параметрами при следующих допущениях (см. рис.3.1):
- в реальных системах топливоподачи существование в микропорах шероховатостей «жизнеспособных» газопаровых зародышей обеспечивается при установлении равновесия между подводом тепла от стенки магистрали в пузырек через микро-слой соприкосновения со стенкой и отводом тепла в жидкость через поверхность соприкосновения его с основной массой жидкости;
- в любом сечении бака и магистрали топливоподачи обеспечиваются условия термодинамического равновесия в фазах; жидкая и газопаровая фазы состоят их двух компонентов, между которыми не происходит химических реакций;
- в баке отсутствует изменение параметров каждой фазы по направлениям продольной оси и радиуса бака;
- осредненные по сечению магистрали топливоподачи параметры каждой фазы изменяются только в одном направлении - по длине магистрали; движение фаз является стационарным, скольжение фаз отсутствует;
- изменение теплосодержания жидкого топлива происходит за счет теплопри-тока через стенки бака и магистрали топливоподачи, теплообмена между фазами, расширения потока по длине магистрали; изменениями теплосодержания раствора за счет увеличения скорости при уменьшении его плотности и выделения растворенного газа из жидкой фазы можно пренебречь; изменениями теплосодержания газопаровой фазы также можно пренебречь;
- массообмен с окружающей средой через стенки бака и магистрали топливоподачи отсутствует; при массообмене между фазами изменениями массы жидкого растворителя можно пренебречь; значение массы растворенного газа пренебрежимо мало по сравнению с массой жидкого растворителя; - газопаровая фаза, образованная в результате процесса десорбции, представляет собой смесь идеальных газов; - изменения параметров потока по времени связаны с изменениями уровня газонасыщения топлива в баке и допустимых значений давления и температуры на входе в объект испытаний.
Изложенные физические представления о процессе газовыделения позволяют при разработке математического аппарата для описания тепломассообмена в неподвижной и движущейся жидкости ограничится применением уравнений движения теплового и массового баланса.
В соответствии с принятыми допущениями для описания изменений в баке давления, температуры жидкого топлива, мольной концентрации газа в жидкой фазе, парциального давления газа в баке (РБ , Тж , п г , Рг) в процессе выработки топлива были использованы приведенные ниже уравнения.
Стратегия безопасного проведения испытаний
Основной целью проведения комплексной отработки при совместном функционировании систем питания является определение количественных и качественных характеристик ДУ, подтверждение ее готовности к летно-конструкторским испытаниям (ЛКИ). Комплексная отработка включает этапы холодных и огневых испытаний (ХСИ и ОСИ).
При ХСИ имитация тепло-массообменных процессов и гидравлических характеристик, термомеханических нагрузок осуществляется в результате проведения операций охлаждения и заправки топливных баков, предпускового охлаждения конструкции двигателя, проведения сливов компонентов топлива из баков для подтверждения безотказного функционирования систем наддува и топливоподачи. При ОСИ дополнительно к перечисленным факторам имитируются циклограмма работы пневмо-гидравлических систем и функционирование систем питания на переходных и установившихся режимах работы двигателя. Управление процессами осуществляется в основном автоматически по программам, выполняемым в соответствии со штатными алгоритмами и командами. Основное внимание сосредоточено на управлении операциями, связанными с безопасным проведением испытаний.
Изложенные соображения отражает функциональная модель испытаний на рис.4.1. Подготовка и проведение ХСИ и ОСИ функционально связаны с распознаванием и парированием логических и физических нештатных ситуаций (ЛНШС и ФНШС). ЛНШС - это нарушение нормативных требований, заложенных в технические и программные документы. Распознание ЛНШС производится на основе количественных или качественных критериев. При невозмоас-ности парирования ЛНШС на этапе комплексной отработки необходим возврат к этапам автономной отработки отдельных агрегатов и систем. ФНШС - это отклонение основных параметров процессов в системах двигательной установки, рабочих объемах или системах стенда за допустимые пределы в процессе испытаний. ФНШС включают НШС, которые могут привести к невыполнению программы испытаний, и АС, при которых потенциально существует угроза разгерметизации или разрушения элементов конструкции с последующим аварийным выбросом компонентов топлива. Распознавание ФНШС производится с применением различных методов диагностирования объекта испытаний и стенда, а парирование заключается в обеспечении их работоспособного состояния. При невозможности парирования АС необходимо производить аварийное прекращение испытаний.
Эффективность проведения испытаний ДУ - это мера выполнения целевых установок для принятия решений о готовности к ЛКИ, достижению которых способствует выбранная стратегия безопасного проведения работ. Совокупность методов, определяющих стратегию безопасного проведения испытаний, можно представить в виде структурной схемы, приведенной на рис.4.2.
Для оценки эффективности стратегии безопасного проведения испытаний может быть предложен критерий в виде многомерного показателя в векторном пространстве, зависящий от показателей эффективности применяемых методов Кэс (Ki - ai + +Кц an) -» max Кэс, (4.1) где Кх - результирующий вектор эффективности стратегии безопасного проведения испытаний; К] ... Кц - показатели эффективности операций, мероприятий и способов, применяемых при реализации показанных на рис. 4.2 методов А, Б, В и Г; ai ... ац - весовые коэффициенты, устанавливаемые на основе экспертных оценок. Зависимость (4.1) позволяет оценить альтернативные варианты стратегии безопасного проведения испытаний и выбрать наилучший из них для проведения комплексной отработки ДУ конкретных ракетных блоков.
Оценка риска проведения испытаний связана с определением потенциального ущерба в результате аварии и вероятности ее возникновения (см. блок . А на рис.4.2).
Определение и уменьшение потенциального ущерба при аварии. В главе 1 показано, что наиболее опасная аварийная ситуация связана с разгерметизацией системы топливоподачи, так как ее развитие может привести к значительным разрушениям в промышленной и жилой зонах. Механизм развития аварийной ситуации может быть представлен следующим образом: из-за механического разрушения или сгорания конструкционного материала происходит разгерметизация топливной системы, компонент топлива истекает в окружающее пространство и частично испаряется с образованием пожаро-взрывоопасной смеси, облако смеси воспламеняется с возникновением пожара или взрыва. Это приводит к аварии с разрушениями.
В общем случае, потенциальное развитие процессов, связанных с выбросом водорода и кислорода, можно представить в виде схемы на рис.4.3. Эта схема показывает, что физическая модель развития аварийной ситуации неоднозначна, но независимо от пути ее реализации основными поражающими факторами являются взрыв, пожар и ударное действие осколков. Учитывая особенности конструкции существующих стендов, имеющих большое количество теплоемких металлоконструкций и оборудования технологических систем, наиболее вероятна схема развития событий, приводящая к взрыву в атмосфере (воздушный взрыв).
