RU2661047C1 - Способ газификации остатков жидкого компонента топлива в баке отработавшей ступени ракеты-носителя и устройство для его реализации - Google Patents

Способ газификации остатков жидкого компонента топлива в баке отработавшей ступени ракеты-носителя и устройство для его реализации Download PDF

Info

Publication number
RU2661047C1
RU2661047C1 RU2017116379A RU2017116379A RU2661047C1 RU 2661047 C1 RU2661047 C1 RU 2661047C1 RU 2017116379 A RU2017116379 A RU 2017116379A RU 2017116379 A RU2017116379 A RU 2017116379A RU 2661047 C1 RU2661047 C1 RU 2661047C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
fuel
fuel tank
drainage system
tgs
agg
Prior art date
Application number
RU2017116379A
Other languages
English (en)
Inventor
Валерий Иванович Трушляков
Константин Игоревич Жариков
Давид Борисович Лемперт
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Омский государственный технический университет"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Омский государственный технический университет" filed Critical Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Омский государственный технический университет"
Priority to RU2017116379A priority Critical patent/RU2661047C1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2661047C1 publication Critical patent/RU2661047C1/ru

Links

Images

Classifications

    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64GCOSMONAUTICS; VEHICLES OR EQUIPMENT THEREFOR
    • B64G1/00Cosmonautic vehicles

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Aviation & Aerospace Engineering (AREA)
  • Filling Or Discharging Of Gas Storage Vessels (AREA)

Abstract

Группа изобретений относится к ракетно-космической технике. Способ газификации остатков жидкого компонента топлива (КТ) в баке отработавшей ступени ракеты-носителя (РН) основан на подаче горячих газов (теплоносителя) в топливный бак и сбросе продуктов газификации (ПГ) по достижении заданного давления в топливном баке. Дополнительно обеспечивается заданное термодинамическое состояние ПГ, исключающее переход криогенного КТ из состояния газовой фазы в жидкую и твердую при движении в дренажной системе при сбросе ПГ из топливного бака. Газы, подаваемые, в топливный бак, получают в автономном газогенераторе (АГГ), при этом твердотопливные газогенерирующие составы (ТГС) выбирают из условий химической нейтральности между продуктами сгорания ТГС и газифицируемым КТ. Устройство для реализации способа включает в свой состав топливный бак, АГГ для получения горячих газов (теплоносителя), магистрали ввода теплоносителя, дренажную систему и тепловой мост, который дополнительно вводят между АГГ и дренажной системой. Расположение АГГ выбирают в непосредственной близости от дренажной системы. Техническим результатом группы изобретений является обеспечение взрывобезопасности отработавших ступеней РН и безаварийной работы топливного бака. 2 н.п. ф-лы, 3 табл., 3 ил.

Description

Изобретение относится к ракетно-космической технике и может быть использовано для обеспечения взрывобезопасности отработавших орбитальных ступеней ракет-носителей (РН) с остатками компонентов ракетного топлива (КРТ) в топливных баках.
Необходимость обеспечения взрывобезопасности отработавших орбитальных ступеней РН с маршевыми жидкостными ракетными двигателями (ЖРД), как средство снижения космического мусора в околоземном космическом пространстве, рекомендована международными организациями, такими как Технический подкомитет ООН по мирному использованию космоса (Доклад секретариата. Меры, принимаемые космическими агентствами для снижения темпов образования космического мусора или его потенциальной опасности. Комитет по использованию космического пространства в мирных целях, 13.12.1996. [Электронный ресурс]: http://www.unoosa.org/pdf/reports/ac105/AC105_663R.pdf. - (Дата обращения: 22.08.2016) [1]), Межагентский координационный комитет по космическому мусору (Update of the IADC space debris mitigation guidelines. IADC-11-02. Beijing, May 2014 [2]).
Взрывобезопасность отработавших ступеней РН с маршевыми ЖРД предлагается обеспечивать вентилированием топливных баков, т.е. превращением в газовую фазу жидких остатков КРТ и их выброс через дренажные клапаны и дренажные магистрали, т.к. элементарное открытие дренажных клапанов не приводит к желаемому результату.
Известно техническое решение, основанное на газификации самовоспламеняющихся компонентов топлива в баках РН после выключения маршевого ЖРД, например, патент RU 2359876, МПК B64D 37/28. Способ очистки отделяющейся части ракеты от жидких токсичных остатков КРТ и устройство для его осуществления.
Прототипом предлагаемого способа является техническое решение по патенту RU 2522536 B64G 1/00, предусматривающее подачу горячих газов (теплоносителя) в топливный бак и сброс продуктов газификации (ПГ) по достижении заданного давления, например, в газовый ракетный двигатель.
Применение указанного технического решения для обеспечения взрывобезопасности отработавшей орбитальной ступени РН затруднено по следующим основным причинам:
- сброс ПГ необходимо осуществлять через дренажную систему, а не через газовый ракетный двигатель, путем сжигания, т.к. это требует существенной модернизации;
- при истечении ПГ из топливного бака в окружающее космическое пространство через дренажный клапан и дренажную магистраль вследствие резкого падения давления и температуры смесь паров КРТ и теплоносителя могут выпадать в конденсат с последующим замерзанием во внутренней полости дренажной магистрали. Периодические сбросы ПГ приведут к полной «закупорке» дренажной магистрали, что может привести к взрыву топливного бака из-за повышения давления внутри бака до величины, превышающей критическое давление, при котором происходит его разрушение; в настоящее время на орбитах в околоземном космическом пространстве по данным отдела NASA по слежению за искусственными космическими объектами количество взорвавшихся отработанных ступеней с маршевыми ЖРД достигло свыше 200 шт.;
- теплота, остающаяся в автономном газогенераторе, не утилизируется; к примеру, использование твердотопливных газогенерирующих составов, оставляет в шлаке до 60% теплоты от фактической, реализуемой при полном сгорании газогенерирующего состава.
Целью предлагаемого технического решения является повышение взрывобезопасности топливного бака орбитальной ступени РН после выключения маршевого ЖРД за счет газификации остатков КРТ, исключающей переход КРТ из состояния газовой фазы в жидкую и твердую фазу при движении в дренажной системе при сбросе ПГ из топливного бака.
Указанный технический результат достигается за счет того, что твердотопливные газогенерирующие составы (ТГС) выбирают из условий химической нейтральности между продуктами сгорания ТГС и газифицируемым компонентом топлива, а состав продуктов сгорания ТГС не содержит веществ, превращающихся в твердую или жидкую фазу, при температуре кипения компонента топлива, а твердая фаза продуктов сгорания ТГС содержит минимальное количество остаточного тепла и массы шлака и остается в автономном газогенераторе (АГГ).
Реализация предлагаемого технического решения поясняется фиг. 1-3, где:
на фиг. 1 приведена дренажная система, состоящая из дренажного клапана (ДК) и дренажной магистрали (ДМ);
на фиг. 2 приведено изменение фазового состояния ПГ при их сбросе из бака в координатах давления р и температуры Т;
на фиг. 3 приведен элемент топливного бака с дренажной системой, состоящей из дренажного клапана и дренажной магистрали, теплового моста, соединяющего автономный газогенератор и дренажную систему.
Выбор газогенерирующих составов
К ТГС предъявляются следующие требования:
- продукты сгорания ТГС не должны вступать в химические реакции с газифицируемым КРТ (Шишков А.А., Румянцев Б.В. Газогенераторы ракетных систем. М.: Машиностроение. - 1981. - 152 С. [3]);
- продукты сгорания ТГС не должен иметь в своем составе веществ, превращающихся в твердую или жидкую фазу, при температуре кипения КРТ, например, кислорода (90-120 K, в зависимости от давления в баке);
- в результате сгорания ТГС твердая фаза продуктов сгорания (шлаки) в газогенераторе должна содержать минимальное количество остаточной теплоты и массы шлака, и оставаться в автономном газогенераторе (АГГ);
- скорость горения ТГС на установившемся режиме выбирается из условия сохранения фиксированного давления в топливном баке, определяемом его прочностью, при открытой дренажной системе.
В табл. 1 приведены результаты расчетов температуры и состава продуктов сгорания для различных вариантов ТГС. В качестве газифицируемого КРТ для примера взят жидкий кислород. Расчеты проводились с использованием программного комплекса Терра (Trusov В. G. // The XIV Int. Symp. on Chemical Thermodynamics, St. Petersburg, Russia, 2-5 July 2002 [4]).
Figure 00000001
Как следует из приведенных результатов (табл. 1) для рассматриваемых ТГС с №1-4 состав продуктов сгорания следующий: газовая фаза - азот 32-43%, твердая фаза - шлак 57-68%; для №5-8 состав продуктов сгорания: газовая фаза - кислород 28-42%, твердая фаза - шлак 58-78%.
В табл. 2 приведены общие термодинамические характеристики при сжигании рассмотренных ТГС.
Figure 00000002
В последнем столбце показаны оценки остаточной теплоты в твердой фазе ТГС, из которых следует, что наибольшие потери соответствуют варианту №8, именно в его продуктах сгорания наибольшая доля тепла, оставшаяся в твердом шлаке после сгорания ТГС.
Количество теплоты, подводимое к дренажной системе, позволяет поднять ее температуру до величины, обеспечивающей исключение выпадение жидкой фазы из ПГ, ее замерзание на внутренней поверхности дренажной системы (дренажный клапан + дренажная магистраль), что:
- повышает вероятность незамерзания дренажной магистрали;
- снижает затраты на потребное количество ТГС для обеспечения пребывания текущего фазового состояния ПГ в зоне требуемого фазового состояния, т.е. газа.
В табл. 3 приведены результаты расчетов (расчеты проводились с использованием программного комплекса Терра, [5]) передачи остаточной теплоты от твердой фазы ТГС, находящейся в АГГ, к дренажной магистрали через тепловой мост (потери тепла не учитывались). В расчетах использовались среднестатистические данные дренажной системы: масса дренажной системы - 2 кг, материал - сплав АМг6. Для расчета теплового моста выбран материал - АМг6, геометрические размеры взяты по сортаменту Профиль ГОСТ 8617-81.
Figure 00000003
Как следует из результатов, приведенных в табл. 3, использование теплового моста приводит к повышению температуры системы «тепловой мост-дренажная система» на значительные величины от 85 до 206 градусов, что приведет к испарению выпавшего твердого осадка КРТ и, соответственно, открытию проходного сечения дренажной магистрали.
Для примера реализуемости предлагаемого способа взяты параметры топливного бака окислителя (жидкий кислород) второй ступени РН "Зенит". Рассматриваемый топливный бак был выбран исключительно из-за большого количества имеющейся информации в открытых источниках о его взрывах на орбите [1] в результате замерзания дренажной магистрали конденсированными парами жидкого кислорода.
Оценка фазового состояния паров кислорода проводилась при следующих начальных условиях: давление - 2,5 атм; температура газовой фазы - 90 К; объемная доля гелия / кислорода - 0,8 / 0,2.
На начало процесса сброса продуктов газификации из бака отработавшей ступени РН рассматривается термодинамическая система, соответствующая 2 состояниям:
- для исходного, когда происходит тепло- и массообмен в топливном баке, вызванный тепловым нагружением конструкции топливного бака отработанной ступени РН излучением от Солнца и Земли при орбитальном движении. Повышение внутреннего давления в баке обусловлено ростом температуры парогазовой смеси (пары жидкого кислорода + газ наддува гелий) и интенсивностью испарения жидкого кислорода.
На фиг. 2 кривая 1 показывает линию равновесия в координатах давление р - температура Т между жидкой и газообразной фазой кислорода, кривая 2 показывает линию равновесия в координатах давление р - температура Т между твердой и жидкой фазами кислорода.
Как следует из результатов, приведенных на фиг. 2, при давлениях и температурах, соответствующих выше кривой 1, пары кислорода, находящиеся в продуктах газификации, при дренаже будут конденсироваться, а при давлении и температуре, находящихся левее кривой 2, пары кислорода будут кристаллизоваться и, соответственно, возникает возможность замерзания дренажной системы с последующим взрывом топливного бака.
Кривая 3 показывает изменение парциального давления кислорода в результате теплового нагружения топливного бака излучением от Солнца и Земли при орбитальном движении, повышение парциального давления кислорода в баке обусловлено ростом температуры парогазовой смеси (паров кислорода + газ наддува гелия).
После выключения маршевого ЖРД запускается АГГ с ТГС, в результате сгорания ТГС в топливный бак подается азот со средней температурой 1500 K. Рост внутреннего давления происходит в результате смешивания смеси паров кислорода и гелия с продуктами сгорания ТГС и испарения жидкого кислорода. На фиг. 2 кривая 4 показывает изменение парциального давления кислорода в результате подачи продуктов сгорания ТГС в топливный бак, по мере прогрева (увеличения температуры) парогазовой смеси происходит рост парциального давления кислорода.
Процесс сброса продуктов газификации из бака кислорода (испарившийся кислород + остатки газа наддува гелия + продукты сгорания ТГС) представлен 2 состояниями:
- при сбросе паров кислорода + газ наддува гелия (парогазовой смеси), фазовое состояние паров кислорода таково, что оно соответствует появлению жидкой фазы. На фазовой диаграмме кислорода (фиг. 2, кривая 5) это соответствует положению точек, соответственно, начальное положение сброса газа - G2 и конечное положение - L1, при изменении величин температуры и парциального давления выше значений описанных кривой 1 на фиг. 2 происходит изменение фазового состояния кислорода;
- для случая сброса продуктов газификации, видно, что фазовое состояние паров кислорода соответствует газовой фазе (фиг. 2, кривая 6), соответственно, начально сброса - точка G3 и конец сброса - точка G4.
Из приведенных на фиг. 2 результатов следует, что существует принципиальная возможность подбора ТГС, которые при сжигании и подачи в бак позволяют обеспечить сброс паров кислорода без замерзания дренажной магистрали.
Устройство для реализации способа
В качестве прототипа рассматривается устройство по патенту РФ №2522536 B64G 1/00, включающее в свой состав топливные баки окислителя и горючего, систему наддува баков, систему газификации, магистрали подачи теплоносителя, систему сброса продуктов газификации.
К недостаткам этого устройства относится возможность замерзания дренажной системы при сбросе газифицированных продуктов и, соответственно, взрыв топливного бака.
Целью предлагаемого технического устройства является обеспечение безаварийной работы дренажной системы (вентилирования) топливного бака, которая достигается тем, что в известное устройство, включающее в свой состав топливный бак, АГГ для получения горячих газов (теплоносителя), магистрали ввода теплоносителя, дренажную систему - дополнительно вводят тепловой мост между АГГ и дренажной системой, а расположение АГГ выбирают в непосредственной близости от дренажной системы.
Для реализации заявляемого способа предложено устройство, состоящее из топливного бака 1, АГГ 2 для получения горячих газов (теплоносителя), магистрали ввода теплоносителя 3, дренажную систему 4 в которое дополнительно вводят тепловой мост 5 между АГГ 2 и дренажной системой, а расположение АГГ 2 относительно дренажной системы выбирают из условия минимального расстояния между ними (Фиг. 3).
Работа теплового моста осуществляется следующим образом: теплота выделяющаяся в процессе горения ТГС в АГГ, а также остающийся огарок (шлак) нагревают корпус АГГ 2 до высокой температуры (1000 K и выше) и передается за счет теплопроводности материала теплового моста 5 к дренажной системе 4. По предварительным оценкам (таблица 3) это позволяет повысить температуру корпуса дренажной системы на AT от 85 до 206 градусов.

Claims (2)

1. Способ газификации невырабатываемых остатков жидкого компонента топлива в баке ракеты-носителя после выключения маршевого жидкостного ракетного двигателя, основанный на подаче в топливный бак горячих газов, получаемых в автономном газогенераторе (АГГ), отличающийся тем, что твердотопливные газогенерирующие составы (ТГС) выбирают из условий химической нейтральности между продуктами сгорания ТГС и газифицируемым компонентом топлива, а состав продуктов сгорания ТГС не содержит веществ, превращающихся в твердую или жидкую фазу при температуре кипения компонента топлива, а твердая фаза продуктов сгорания ТГС содержит минимальное количество остаточного тепла и массы шлака и остается в АГГ.
2. Устройство для реализации способа по п. 1, включающее в свой состав топливный бак, АГГ для сжигания ТГС, магистрали ввода горячего газа, дренажную систему, отличающееся тем, что дренажная система и АГГ соединены тепловым мостом, а расположение АГГ относительно дренажной системы выбирают из условия минимального расстояния.
RU2017116379A 2017-05-10 2017-05-10 Способ газификации остатков жидкого компонента топлива в баке отработавшей ступени ракеты-носителя и устройство для его реализации RU2661047C1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2017116379A RU2661047C1 (ru) 2017-05-10 2017-05-10 Способ газификации остатков жидкого компонента топлива в баке отработавшей ступени ракеты-носителя и устройство для его реализации

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2017116379A RU2661047C1 (ru) 2017-05-10 2017-05-10 Способ газификации остатков жидкого компонента топлива в баке отработавшей ступени ракеты-носителя и устройство для его реализации

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2661047C1 true RU2661047C1 (ru) 2018-07-11

Family

ID=62916864

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2017116379A RU2661047C1 (ru) 2017-05-10 2017-05-10 Способ газификации остатков жидкого компонента топлива в баке отработавшей ступени ракеты-носителя и устройство для его реализации

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2661047C1 (ru)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2813710C1 (ru) * 2023-08-25 2024-02-15 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Омский государственный технический университет" Способ сброса жидких остатков топлива из бака отделившейся части ступени ракеты-носителя в окружающую среду и устройство для его реализации

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5251852A (en) * 1991-09-06 1993-10-12 General Electric Company Thermal fuel transfer and tank isolation to reduce unusable fuel
RU2028468C1 (ru) * 1991-06-19 1995-02-09 Омский политехнический институт Способ нейтрализации токсичных компонентов ракетного топлива на основе азотной кислоты и несимметричного диметилгидразина в отделяющейся части ракеты
RU2522536C1 (ru) * 2012-12-07 2014-07-20 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Омский государственный технический университет" Способ газификации жидкого ракетного топлива в баке ракеты и устройство для его реализации
EP2937552A1 (en) * 2013-02-19 2015-10-28 Mitsubishi Heavy Industries, Ltd. Rocket engine, rocket, and method for starting rocket engine

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2028468C1 (ru) * 1991-06-19 1995-02-09 Омский политехнический институт Способ нейтрализации токсичных компонентов ракетного топлива на основе азотной кислоты и несимметричного диметилгидразина в отделяющейся части ракеты
US5251852A (en) * 1991-09-06 1993-10-12 General Electric Company Thermal fuel transfer and tank isolation to reduce unusable fuel
RU2522536C1 (ru) * 2012-12-07 2014-07-20 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Омский государственный технический университет" Способ газификации жидкого ракетного топлива в баке ракеты и устройство для его реализации
EP2937552A1 (en) * 2013-02-19 2015-10-28 Mitsubishi Heavy Industries, Ltd. Rocket engine, rocket, and method for starting rocket engine

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2813710C1 (ru) * 2023-08-25 2024-02-15 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Омский государственный технический университет" Способ сброса жидких остатков топлива из бака отделившейся части ступени ракеты-носителя в окружающую среду и устройство для его реализации

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Wernimont et al. Past and present uses of rocket grade hydrogen peroxide
JPS60192882A (ja) H↓2oを利用して多段階プラズマにより機械的エネルギ−を取り出す方法
Ventura et al. A brief history of concentrated hydrogen peroxide uses
EP3004031A1 (en) Dual mode chemical rocket engine, and dual mode propulsion system comprising the rocket engine
Friedhoff et al. On-orbit operation and performance of ammonium dinitramide (ADN) based high performance green propulsion (HPGP) systems
Szabo et al. Magnesium bipropellant rockets for martian ascent vehicles
Whitmore et al. Development and testing of a green monopropellant ignition system
RU2661047C1 (ru) Способ газификации остатков жидкого компонента топлива в баке отработавшей ступени ракеты-носителя и устройство для его реализации
Yang et al. Thermodynamic cycle analysis of ramjet engines using magnesium-based fuel
Trushlyakov et al. Possibility of using gas-generating compositions for increasing the rocket propulsion efficiency
RU2654235C1 (ru) Способ газификации невырабатываемых остатков жидкого кислорода и керосина в баках ступени ракеты-носителя и устройство для его реализации
Sabadosh et al. Increasingly safe, high-energy propulsion system for nano-satellites
EP2761159B1 (en) Propulsion system
Trushlyakov et al. Development of solid gas generating compositions to ensure non explosiveness of spent orbital stages of liquid rocket of space launch vehicles
US20160237951A1 (en) Device and a method for feeding a rocket engine propulsion chamber
Jonker et al. Development of a rocket engine igniter using the catalytic decomposition of hydrogen peroxide
Trushlyakov et al. The issue of ensuring the safe explosion of the spent orbital stages of a launch vehicle with propulsion rocket engine
Smith et al. A Miniaturized Hydrogen Peroxide/ABS Based Hybrid Propulsion Systems for CubeSats
Senthilkumar et al. Design and analysis of Thrust Chamber of a cryogenic Rocket Engine
RU2709291C1 (ru) Способ газификации невырабатываемых остатков жидкого кислорода и керосина в баках ступени ракеты-носителя и устройство для его реализации
Whitmore et al. Hydrocarbon-Seeded Ignition System for Small Spacecraft Thrusters Using Ionic Liquid Propellants
RU2690304C1 (ru) Способ проведения лётно-конструкторских испытаний бортовой системы испарения остатков жидкого топлива в баке отработавшей ступени ракеты-носителя
Thibaudeau et al. Development of a KMNO 4 Catalyst-Infused Fuel Grain for H2O2 Hybrid Thruster Ignition Enhancement
Paravan et al. Space Debris Mitigation and Remediation: Perspectives of Affordable Hybrid Propulsion Implementations
Wilson Catalytic decomposition of nitrous oxide monopropellant for hybrid motor ignition