Автореферат (Углеводородное горючее на основе керосина с присадками для повышения энергетической эффективности ЖРД)

На правах рукописиТашев Виталий ПетровичУГЛЕВОДОРОДНОЕ ГОРЮЧЕЕ НА ОСНОВЕ КЕРОСИНА С ПРИСАДКАМИДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЖРДСпециальность 05.07.05«Тепловые, электроракетные двигатели и энергоустановкилетательных аппаратов»Авторефератдиссертации на соискание ученой степеникандидата технических наукМосква – 2014Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательномучреждении высшего профессионального образования - Московском авиационноминституте(национальномисследовательскомуниверситете)(МАИ)Министерстваобразования и науки РФ.Научный руководитель:доктор технических наук, профессор,Козлов Александр АлександровичОфициальные оппоненты:Гусейнов Ширин Латифович,доктор технических наук,Научно-исследовательский институт химии итехнологии элементоорганических соединений(ГНЦ РФ «ГНИИХТЭОС»), начальник научнопроизводственного отдела.Реш Георгий Фридрихович,кандидат технических наук, доцент,ОАО «ВПК «НПО машиностроения», первыйзаместитель начальника отделенияэнергосиловых установок.Федеральное государственное унитарноепредприятие «Научно-производственноеобъединение имени С.

А. Лавочкина»(ФГУП «НПО им. С.А.Лавочкина»)Ведущая организация:Защита состоится «25» декабря 2014 г. в 1500 часов на заседании диссертационногосоветаД212.125.08,созданногонабазеМосковскогоавиационногоинститута(национального исследовательского университета) (МАИ), по адресу: 125993, Россия,г.Москва, А-80, ГСП-3, Волоколамское шоссе, д.4.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте Московскогоавиационного института (национального исследовательского университета) (МАИ),http://www.mai.ru/events/defence.Автореферат разослан: «_____» ________________ 2014 г.Ученый секретарьдиссертационногосовета Д212.125.08,д. т. н., профессор:Зуев Юрий ВладимировичОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность исследованияОдним из главных и весьма сложных вопросов при проектировании ракет-носителей(РН) является выбор компонентов топлива (КТ).

Несмотря на обилие химических веществ,пригодных для использования в качестве компонентов ракетного топлива (КРТ), далеко невсе из них нашли применение в ракетной технике. Кроме высокой энергетики, КРТ должныотвечатьмножествуразнообразных,поройпротиворечивых,экономических,эксплуатационных, экологических и иных требований.Основным углеводородным горючим для ракетных двигателей (РД) на сегодняшнийдень является керосин.

Как ракетное горючее, в паре с жидким кислородом (ЖК) керосиншироко используется для одной или нескольких ступеней многих РН.На первый взгляд топливо «керосин – ЖК» достигло высокой степени проработки, идальнейших перспектив повышения энергетических возможностей жидкостных ракетныхдвигателей (ЖРД) на этих компонентах не просматривается.Существует также множество синтетических углеводородов: синтин, боктан, омар,и др., которые разрабатывались и использовались в ряде двигателей, а некоторые непроходили дальше стендовых испытаний.

Многие модификации по своим параметрам неотвечали требованиям экологичности, эксплуатационным показателям, а также отличалисьдороговизной производства.Одним из способов модификации керосина является введение в горючее присадокразличного рода.

Полимерные добавки снижают гидравлические потери в трактах подачиЖРД и позволяют получить более высокие энергетические показатели двигателя.Пирофорные добавки снижают температуру воспламенения керосина и обеспечиваютсамовоспламенение горючего с различными окислителями, что позволяет исключить приэтом систему воспламенения и повысить надежность двигателя в целом.В исследованиях, проводимых по изучению влияния полимерной добавки насвойства горючего не был изучен вопрос полноты сгорания топлива. Не было полученоданных о качестве распыла форсунками керосина с добавкой полимера.Использование новых самовоспламеняющихся экологически чистых топливных парпозволитполучитьрядпреимуществпосравнениюстрадиционнымисамовоспламеняющимися компонентами. Это - экологичность, простота использования, атакже упрощение конструкции системы воспламенения и, как следствие, повышениенадежности двигателя в целом.3Постепенный переход на экологически чистые компоненты топлива и отказ оттоксичных, таких, как азотный тетроксид (АТ) и несимметричный диметилгидразин(НДМГ) несомненно выдвигает ракетное двигателестроение на новый уровень.

Однако, всвязи с этим переходом возникает множество трудностей для достижения тогоэнергетическогоуровняинадежностидвигателей,вкоторыхиспользуютсясамовоспламеняющиеся топлива, так как среди экологически чистых топливных пар нетсамовоспламеняющихся. Исследование и разработка такого топлива может составитьсерьезную конкуренцию традиционно используемым компонентам.Цель работы: исследование возможности использования модифицированногоуглеводородного горючего на основе керосина с различными присадками для повышенияэнергетической эффективности ЖРД.Задачи:1. Аналитический обзор состояния проблемы по использованию полимерных ипирофорных добавок к керосину для повышения энергоэффективности ракетныхдвигателей;2. Исследование физико-химических свойств растворов полиизобутилена (ПИБ) вкеросине и проверка их на соответствие нормам по ТУ 38.001244-81;3.

Оценка влияния добавки ПИБ различной концентрации к керосину наэффективность распыливания горючего центробежными форсунками;4. Проведение огневых экспериментов для определения полноты сгораниякислородно-керосинового топлива с присадкой ПИБ на экспериментальном ракетномдвигателе малых тяг (РД МТ);5. Исследование нового самовоспламеняющегося экологически чистого горючего наосновекеросинасэнергетическимидобавками.Проведениеэкспериментальногоисследования по самовоспламенению керосина с добавками в лабораторных условиях и нареальном РД МТ.Научная новизна работы заключается в следующем:1.Проведенокомплексноеисследованиесвойствкеросинасразличнойконцентрацией добавки ПИБ;2. Получены данные по влиянию полимера на распыл керосина центробежнымифорсунками с различной геометрической характеристикой;3.

Проведена оценка степени влияния присадки ПИБ на полноту сгорания топлива вЖРД МТ, а также выявлена зависимость суммарных тепловых потоков в стенку КС при4использовании внутреннего (завесного) охлаждения стенки керосином с добавкойполимера;4. Проведено исследование новой самовоспламеняющейся топливной парыкеросин+ВПВ (или газообразный кислород) с пирофорными добавками. Получены данныепо задержке и границе надежного воспламенения в зависимости от концентрации добавки вкеросине.Практической значимостью работы являются:- полученные экспериментальные зависимости качества распыла от концентрациидобавки полимера, которые позволят скорректировать методику расчета центробежныхфорсунок и дать рекомендации по границам применимости керосина с полимернойдобавкой в ЖРД МТ;- полученные зависимости характера влияния полимерной добавки на полнотусгорания топлива, а также тепловое состояние двигателя открывают возможностьиспользования керосина с добавкой ПИБ для завесного охлаждения в ракетных двигателяхмалых тяг;- полученные данные по задержке и зависимости воспламенения от концентрациипирофорной добавки являются основой для будущих исследований в данном направлении.Использование новой самовоспламеняющейся топливной пары из экологически чистыхкомпонентов позволяет отказаться от системы воспламенения и достичь более высокихэксплуатационных показателей.Апробация результатов исследования.Основные результаты исследований, проведенных в работе докладывались иобсуждались на: 10-й Международной конференции «Авиация и космонавтика – 2011»,Москва, 2011г.; Международной молодежной научной конференции «XX Туполевскиечтения», Казань, 2012г.; Всероссийской молодежной научно-технической конференции«КОСМОС 2012», Самара, 2012г.; 4-й Общероссийской молодежной научно-техническойконференции «Молодежь.

Техника. Космос.» Санкт-Петербург, 2012г.; 8-й международнойнаучно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Энергия2013», Иваново, 2013г.Публикации.По результатам научных исследований, изложенных в диссертации, опубликовано 5печатных работ, из которых 2 в рецензируемых научных журналах, рекомендуемых ВАКМинистерства образования и науки РФ.5Структура и объем работы.Диссертация состоит из введения, 4 глав с выводами, заключения и спискаиспользованных источников из 72 наименований.

Содержание работы изложено на 115страницах и иллюстрировано 40 рисунками и 25 таблицами.СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИВо введении дано обоснование актуальности исследований. Сформулированы целии задачи, рассмотрена научная новизна и практическая значимость работы. Приводитсяструктура и содержание диссертации.В первой главе проведен обзор работ по практическому применению полимерныхприсадок к керосину. Приводятся результаты испытаний кислородно-керосиновых ЖРД ирассматривается возможность использования полезного эффекта от применения полимера кгорючему для повышения энергоэффективности РН в целом.Модернизация ЖРД чаще всего направлена на повышение удельного импульса тягиили на форсирование двигателя по тяге, что позволяет увеличить массу выводимого ПГ.Повышение удельного импульса обеспечивается организацией более совершенногорабочего процесса в камере и применением новых компонентов топлива.При форсировании ЖРД по тяге возрастают давления подачи компонентов топливаи окружные скорости ротора турбонасосного агрегата (ТНА).