CC BY
54
Авиационная и ракетно-строительная техника
УДК 629.74/.78.001.43; 629.74.05
В. В. ШАЛАЙ В. И. ТРУШЛЯКОВ П. В. ОДИНЦОВ
Омский государственный технический университет
К ВОПРОСУ О ВЫБОРЕ ПРОЕКТНО-КОНСТРУКТИВНЫХ ПАРАМЕТРОВ БОРТОВОЙ СИСТЕМЫ ГАЗИФИКАЦИИ И ВЫБРОСА ОСТАТКОВ ЖИДКИХ ТОКСИЧНЫХ КОМПОНЕНТОВ РАКЕТНОГО ТОПЛИВА
Предложены пути уменьшения количества жидких остатков ракетного топлива в баках и магистралях на основе их газификации и выброса в окружающее пространство на пассивном участке траектории полета отделяющейся части. Проведен анализ экспериментальных исследований для новых условий применения. Определен проектный облик бортовой системы газификации и выброса.
В настоящее время одним из основных требований, предъявляемых к эксплуатируемым и разрабатываемым комплексам, является обеспечение экологической безопасности при эксплуатации ракет-носителей (PH). Неблагоприятное воздействие PH на окружающую среду имеет место на всех этапах функционирования PH. Однако основным и наиболее масштабным фактором техногенного воздействия PH на окружающую среду является воздействие остатков токсичных компонентов ракетного топлива (КРТ), находящихся в отработавших ступенях ракет.
Вопросы снижения техногенного воздействия на окружающую среду наиболее актуальны для PH. разработанных 30 - 40 лег назад на основе баллистических ракет, когда жестких требований обеспечения экологической безопасности не выставлялось. На большинстве этих PH, в частности на PH «Циклон», PH «Кос-мос-ЗМ», PH «Протон», PH «Днепр» используются высокотоксичные компоненты топлива: несимметричный диметилгидразин (НДМГ) в качестве горючего и окислители на основе азотной кислоты (АК). Эксплуатация таких PH, как имеющих высокую надежность, будет продолжаться, поэтому разработка и реализация мероприятий по уменыпениютехиоген-ного воздействия их на окружающую среду является важной задачей.
Техногенное воздействие PH на окружающую среду в большой степени определяе тся воздействием токсичных остатков компонентов ракетного топлива отработавших ступеней при их падении на земную поверхность, а также при разрушении отработавших
отделяющихся частей первых {для PH «Космос-ЗМ», PH «Циклон», PH «Протон») и вторых ступеней (д\я PH «Протон») при входе в плотные слои атмосферы.
Метод снижения техногенного воздействия отработавших ступеней PH сводится, в основном, к снижению количества токсичного горючего [ 11 в баке, попадающего в окружающую среду в процессе и после падения отработавших ступеней.
Сравнение компонентов топлива по экологической опасности может быть проведено с использованием предельно допустимых концентраций их в воздухе. Горючее НДМГ относится к первому классу опасных веществ, предельно допустимая концентрация его в воздухе рабочей зоны не должна превышать 0.1 мг/м3, а АК по предельно допустимой концентрации окислов азота в воздухе, в пересчете на М20., составляет 5 мг/мл. Таким образом, токсичность горючего НДМГ всего в 50 раз превышает токсичность АК. Несмотря на такую разницу, внедрение метода снижения количества обоих компонентов для отработавшей ступени PH имеет приоритетное значение для степени экологического воздействия ракетных средств выведения на окружающую среду. Так как остатки окислителя в баке отделяющейся части первой ступени бывают в несколько раз больше остатков горючего, поэтому снижение количества окислителя также остается актуальным для отработавшей ступени PH.
Для находящихся в эксплуатации PH, в том числе мя PH «Космос-ЗМ», снижение количества остатков токсичных КРТ на пассивном участке траектории
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК N«2 (46) 2007
МАШИНОСТРОЕНИЕ и МАШИНОВЕДЕНИЕ
Рис. I. Принципиальные схемы конструкций отделяющихся мастей периой ступени PH «Космос-ЗМ» для уменьшения остатков топлива на пассивном участке полета: а) бортовой системы обезвреживания по патенту [2|, б| предлагаемой бортовой системы газификации и выброса
полета отделяющейся части (04) ступени наиболее актуальны и перспективны, так как снижение их количества производится после выполнения ступенью основной целевой задачи. При конструктивной реализации такого метода влияние дополнительно вводимых элементов на функционирование основных систем РИ на активном участке траектории отсутствует.
На рис. 1 приведены схемы конструкций 04 реализующих обезвреживание остатков НДМГ |2] и предлагаемой бор товой системы газификации и выброса (БСГВ).
Первые ступени PH «Циклон», «Рокот», «Днепр» сходны по конструктивно-компоновочным решениям с PH «Космос-ЗМ», в качестве горючего на этих PH, так же как и на PH «Космос-ЗМ», используются компоненты топлива НДМГ и АК, поэтому принципиальное и конструктивное исполнение БСГВ остатков КРТ из магистралей и баков отработавшей первой ступени PH «Космос-ЗМ» может быть распространено и на ступени этих PH.
При разработке БСГВ приняты следующие основные положения и допущения:
— осуществление низкотемпературного процесса газификации при температурах до 400-450 ‘С, что не обеспечивает полное обезвреживание токсичных продуктов;
- предположение о том, что выброс газифицированных продуктов в окружающее пространство, при полете отделяющейся части на пассивном участке траектории первой ступени, не приведёт к загрязнению окружающей среды из-за рассеивания до нетоксичных концентраций и воздействия ультрафиолетового излучения;
- процесс газификации и выброса реализуется с уменьшением обоих компонентов топлива, что делает целесообразнее использование химического метода уменьшения остатков топлива в баках и магистралях горючего и окислителя;
- введение безмоментного дренажного клапана (БДК).
В процессе разработки БСГВ на 04 ступени PH «Космос-ЗМ» возникла необходимость повторного анализа экспериментальных данных, полученных ранее в работе 13], с выявлением новых результатов применительно к новой постановке задачи, схема которого изображена на рис. 2.
В результате экспериментальных исследований гидродинамических процессов подтвержден единый характер движения жидкости в баке под действием обратной перегрузки во всем диапазоне степеней заполнения, который заключается в следующем. После начала действия обратной перегрузки наблюдается близкий к осевому интенсивный всплеск жидкости
Гидродинамика процесса (башня невесомости в/ч 73790, МАИ):
уточнение положения остатков КРТ после воздействий на 04 пере-» грузок при разделении ступеней для определения момента вскрытия безмоментного дренажного клапана (/^);
уточнение времени протекания гидродинамических процессов с це* * лыо определения оптимальной циклограммы подготовки и работы БСГВ, в том числе определение временной циклограммы.
Термодинамика процесса газификации (г. Сергиев Посад НИИХМ):
определение теплового режима в баке горючего в зависимости от массового секундного расхода подачи окислителя из дополнительной емкости для f"C * 200-450;
Рис. 2. Схема повторного анализа экспериментальных данных для определения параметров процесса газификации
Таблица 1
Результаты экспериментов ппода окислителя в бак с НДМГ
N» нсп Наличие термического разложения Максимальная температура в реакционной зоне. 'С Максимальная температура п отводящем трубопроводе. ’С Догорание в отводящем трубопроводе Расход окислителя, г/с
I + 1100 1050 + 46
2 - 450 520 + 14
3 • 350 - 13
•I + 660 520 - 13
5 + 880 780 - 68
б + 580 680 + 40
7 + 500 640 + 17
8 • 250 340 + 9
9 + 520 670 + 42
10 + 1160 720 + 18
11 - 480 570 + 13
12 + 930 810 + 19
13 + 600 750 + 19
14 + 520 850 + 15
15 + 700 570 + 10
16 + 530 760 + 17
17 + 550 950 + 19
18 + 570 760 + 21
из нижнего днища бака. На поверхности жидкости образуется кольцевая волна, которая быстро вытягивается в слегка расходящуюся корону с диаметром, несколько меньшим диаметра исходной круговой поверхности жидкости. Остальная жидкость вслед за короной вытягивается в жидкий жгут и вместе с короной перемещается в сторону верхнего днища.
При малой степени заполнения слабо расходящаяся корона вытягивается на большую длину и быстро распадается на отдельные жидкие фрагменты, за время действия обратной перегрузки практически вся жидкость достигает верхнего днища бака и частично отражается от него. Однако иод продолжающимся действием обратной продольной перегрузки обратный всплеск жидкости незначителен, потому что она вновь осаждается к верхнему днищу.
При больших величинах остатков корона в верхней части вытягивающегося Ж1*ута приобретает конический вид и сохраняется длительное время и к моменту окончания действия обратной перегрузки ос-
новная часть жидкости еще не достигает верхнего днища, а достигшая отражается от него и движется но стенкам бака в обратном направлении. При этом обратный всплеск жидкости частично достигает нижнего днища бака.
Наличие в баке тоннельного трубопровода практически не влияет на форму и параметры движения жидкости.
Анализ кинограмм процессов растекания жидкости по стенкам модели бака при его закрутке вокруг продольной оси и пересчет процессов на натурные условия показал, что при скорости вращения 3-4 об/ мин (18 - 24 град/сек) через 30 - 40 секунд после начала закрутки с тупени остатки жидкости растекаются по обечайке модельного бака относительно равномерным слоем.
Пропускную способность трубопроводов можно приближенно определить по формулам (I) с использованием некоторых допущений: средняя плотность газа рч,, полученного в баке горючего и средняя фик-
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ «аник N-J С56, 2007 __________________________________________________________________________________________МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОЩЕНИЕ
типная скорость газа Уф <р в расходных трубопроводах:
Q=JV„,dF и G-Jp^-V^dF, (1)
Г Р
где О и G - объемный и массовый секундные расходы полученного газа в баке горючего, F — сечение расходного трубопровода окислителя. Отсюда можно определить запас по расходу газифицированных продуктов через расходные трубопроводы.
Температурный режим работы БСГВ, исходя из условия допустимого максимального температурного нагружения конструкции (длясплава АМгбдо 500 °С), выбирается в зависимости от секундного расхода подачи окислителя в бак с горючим по таблице I (3J.
Поскольку конструктивное исполнение, состоящее из расходных трубопроводов горючего, соединительных трубопроводов, расходного трубопровода окислителя, бака окислителя и БДК, исполняет роль отводящего трубопровода (см. табл. 1), то необходимо выбрать такой температурный режим, при котором будет минимальный риск разрушения конструкции 04.
Учитывая возможность взаимодействия истекающих из бака горючего продуктов газификации с остатками КРТ на стенках расходных трубопроводов, что приведет к дополнительному увеличению температуры и объема газа в результате химической реакции, необходимо выбрать такой режим подачи окислителя в бак, при котором максимальная температура на выходе должна быть минимальной. В таблице 1 эксперимент № 8 удовлетворяет требованиям температурного режима газификации и может бып» взят за основу.
Библиорафическнй список
1. Трушляков В.И., Шалай В.В., Шатров Я.Т. Снижение техногенного воздействия ракетных средств выведения на жидких токсичных компонентах ракетного топлива на окружающую среду: Монография/Под ред. В.И.Трушлякова. Омск: Из-воОм-ГТУ, 2004.220 с.
2. Пат. 1Ш 2028468. Способ нейтрализации токсичных компонента ракетного топлива на основе азотной кислоты и несимметричного диметнлгидразнна в отделившейся части ракеты / Трушляков В.И., Шалай В.В.: Опубл. 1995, Бюл. N94.
3. Трушляков В.И., Шалай В.В., Дубоносов А.П. Экспериментальные исследования системы термохимического обезвреживания остатков горючего в баках отделяющейся части ракеты // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. - М.: Машиностроение. • 1999. -N9 1.-С. 111-125.
4. Трушляков В.И., Шалай В.В. Постановка задачи уменьшения остатков жидкого топлива в баках отделяющейся части ступени ракеты на основе их газификации и разложения до нетоксичных составляющих и выброса в окружающее пространство на участке ее полета до падения в зону отчуждения // Омск. науч. вестник. - 2000. Вып. 15. - С. 57-58.
ШАЛАЙ Виктор Владимирович, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Транспорт и хранение нефти и газа, стандартизация и сертификация», ректор.
ТРУШЛЯКОВ Валерий Иванович, доктортехнических наук, профессор кафедры «Авиа- и ракетостроение». ОДИНЦОВ Павел Валентинович, ассистент кафедры «Авиа- и ракетостроение».
Статья поступила в редакцию 22.10.06 г.
0 В. В. Шалай, В. И. Трушляков, П. В. Одинцов
Книжная полка
Тимохин, B.C.
Оборудование для объемной штамповки. Конспект лекций для студентов специальности «Маши-ны и технология обработки металлов давлением» / В. С. Тимохин. - М.: РИЦ МГИУ, 2006. - 52 с. -ISBN 5-276-00883-3.
Рассмотрено кузнечно-штамповочное оборудование для специализированных процессов обработки сортового металла. Приведены кинематические схемы оборудования, даны рекомендации по их рациональному технологическому использованию и выбору основных параметров технической характеристики.
Конспект лекций подготовлен в соответствии с учебным планом дисциплины «Специальные виды кузнечно-прессовых машин».
Максименко, А. Е.
Проектирование цехов листовой и объемной штамповки (организационно-экономическая часть): учеб. пособие / А. Е. Максименко, О. Н. Герасима, И. А. Гусев; под ред. В. Н. Субнча. - М.: РИЦ МГИУ, 2006. -200 с. - ISBN 5-276-00922-8.
Изложены общие задачи и методика выполнения организационно-экономической части дипломных проектов. Описаны планы построения и содержания пояснительной записки, а также графической части работы. В приложениях представлены справочные данные по производительности, габаритам, стоимости, ремонтной сложности оборудования. Изложена методика экономического анализа эффективности спроектированного цеха. Предназначено для студентов специальности «Машины и технологии обработки металлов давлением». Рекомендовано УМО вузов по образованию в области машиностроения и приборостроения.
