Диссертация (Углеводородное горючее на основе керосина с присадками для повышения энергетической эффективности ЖРД), страница 2

По некоторым6параметрам ПДК показывали 2-й класс (как у АТ). В 1995 году работы по«Омару» были остановлены.СпециалистамиНаучно-производственногообъединения«Энергомаш»ведется разработка нового горючего под названием «ацетам». Самого большогоэффекта от использования этого горючего можно достичь, применяя его наразгонных блоках. Баллистические расчёты показали, что для ракеты-носителя"Союз-2.1Б" замена кислородно-керосинового двигателя разгонного блока накислородно-ацетамовый позволит увеличить массу полезной нагрузки на 30-40%[7].При сложившейся в последние годы частоте пусков для спутников одной итой же массы можно снизить количество пусков ракет-носителей на 3-5 ежегодно.Таким образом, применение ацетама не только существенно повышает энергетикусуществующих средств выведения, но и даёт большую экономию.Посколькудвигателинакислородно-ацетамовомтопливеблизкиккислородно-керосиновым, можно на базе имеющихся российских ракетносителей создать модернизированные летательные аппараты, обладающиеэнергетическими возможностями ракет-носителей с кислородно-водороднымиразгонными блоками, но при этом более простые в эксплуатации и значительноменее затратные по стоимости пусковых услуг.Помимо топливаацетамавнастоящее времявНПОЭнергомашразрабатывается еще одно перспективное направление, это добавка в кислороднокеросиновоетопливоприсадокнаосновеполиизобутилена[8,30,32-40].Присутствие в компоненте топлива ЖРД полимерной присадки позволяетуменьшить как потребляемую мощность турбины ТНА из-за повышения кпд иулучшения кавитационных характеристик насосов агрегатов подачи, так ипотребную мощность турбины за счет уменьшения потерь давления в трактерегенеративного охлаждения камеры двигателя.

При этом в двигателях сдожиганием генераторного газа достигается снижение удельной мощноститурбины, что повышает надежность и обеспечивает возможность форсирования7по тяге. В двигателях без дожигания уменьшается расход рабочего тела на приводтурбины, что улучшает проектно-баллистические параметры РН в целом.Но очевидные преимущества свойств компонента ракетного топлива сполимерной присадкой, позволяющих снижать гидропотери в трактах ЖРД содной стороны и такие явления, сопровождающие течение разбавленныхполимерных растворов, как снижение конвективного теплообмена и ухудшениераспыления жидкости в форсунках с другой стороны, составляют противоречие ипрепятствуют практическому применению полимерных присадок в РКТ.

Однакоэто противоречие может быть частично снято, если принять во внимание свойствозначительного ослабления влияния растворенного полимера на характеристикитурбулентного течения в протяженных каналах маленького сечения, при большихчислах Рейнольдса и высокой температуре жидкости – так называемуюдеградациюполимерногораствора.ВгидравлическихтрактахЖРД(центробежные насосы, тракты регенеративного охлаждения, форсунки и др.)происходят различные физические процессы: турбулентные течения в каналахразной геометрии и кинематики течения, интенсивный конвективный теплообмен,кавитация, процессы распыления и испарения жидкости и др.

Физическиепараметры среды в этих трактах изменяются в очень широких пределах. По мерепродвижения компонента топлива с полимерной присадкой от входа в двигательдо смесительной головки КС, из-за гидродинамического и теплового воздействияпроисходит деградация специфических свойств разбавленных полимерныхрастворов, в том числе вышеупомянутых свойств, негативно влияющих на работуЖРД.Таким образом, по-прежнему остается невыясненным вопрос о влиянииполимерной добавки на полноту сгорания топлива. Это исследование наполноразмерных ЖРД хотя и не требует изготовления новой материальной части,однако является сложным и затратным процессом аналогично огневымиспытаниям двигателя.

Поэтому исследование влияния полимерных добавок ккеросину на полноту сгорания топлива целесообразно и менее затратно проводитьна ЖРД МТ с использованием вытеснительной системы подачи топлива.8Абсолютно новым и перспективным направлением в повышении энергетикиЖРД с помощью присадок к горючему является разработка новых экологическичистых самовоспламеняющихся топлив.Актуальность такого исследования обусловлена тем, что использованиеновыхсамовоспламеняющихсяпреимуществпосравнениютопливныхспарпозволиттрадиционнымиполучитьрядсамовоспламеняющимисякомпонентами. Это - экологичность, простота использования, а также упрощениеконструкции системы воспламенения и, как следствие, повышение надежностидвигателя в целом.Постепенный переход на экологически чистые компоненты топлива и отказоттоксичных,такихкакАТ+НДМГнесомненновыдвигаетракетноедвигателестроение на новый уровень.

Однако, в связи с этим переходом возникаетмножество трудностей для достижения того энергетического уровнянадежности двигателей,топлива,таккакив которых используются самовоспламеняющиесясредиэкологическичистыхтопливныхпарнетсамовоспламеняющихся. Исследование и разработка такого топлива можетсоставить серьезную конкуренцию традиционно используемым компонентам.Анализируя возможные пути повышения энергетической эффективностиЖРД перспективными топливами, можно сделать вывод, что использованиеразличных присадок к традиционному горючему такому, как керосин, позволитдостичь желаемого эффекта с минимальными затратами.Целью настоящей диссертационной работы является исследованиевозможности использования модифицированного углеводородного горючего наоснове керосина с различными присадками для повышения энергетическойэффективности ЖРД.Для достижения поставленной цели в работе сформулированы и решеныследующие задачи:1) Выполнен аналитический обзор состояния проблемы по использованиюполимерныхипирофорныхдобавокэнергоэффективности ракетных двигателей;ккеросинудляповышения92)Проведенокомплексноеисследованиепоопределениюфизико-химических свойств растворов с различной концентрацией добавки ПИБ исоответствию их нормам по ТУ 38.001244-81;3) По результатам гидравлических испытаний произведена оценка степенивлияния полимерной добавки к керосину на эффективность распыливанияцентробежными форсунками;4) Выполнено экспериментальное исследование по определению полнотысгораниякислородно-керосиновоготопливасприсадкойПИБнаэкспериментальном РД МТ.

Выполнена оценка степени влияния добавки натепловое состояние двигателя.5) Рассмотрена возможность использования нового самовоспламеняющегосятоплива.Произведенытермодинамическиерасчетыдляоценкистепениэкологичности, а также влияния добавки на удельный импульс. Проведеныэкспериментальныеисследованияпосамовоспламенениюкеросинасэнергетическими добавками с различными окислителями в лабораторныхусловиях и на реальном РД МТ.Научная новизна исследования. Проведено комплексное исследованиесвойств керосина с различной концентрацией добавки ПИБ. Получены данные повлиянию полимера на распыл керосина центробежными форсунками с разнойгеометрической характеристикой. Проведена оценка степени влияния присадкиПИБ на полноту сгорания топлива в ЖРД МТ, а также выявлена зависимостьтепловых потоков в стенку КС при использовании внутреннего (завесного)охлаждения стенки керосином с присадкой полимера.Проведено исследование новой самовоспламеняющейся топливной парыкеросин+ВПВ(или газообразный кислород) спирофорными добавками.Получены данные по задержке и границе надежного воспламенения взависимости от концентрации добавки в керосине.Практическойзначимостьюработыявляютсяполученныеэкспериментальные зависимости качества распыла, а также полноты сгорания отконцентрации добавки полимера, которые позволят скорректировать методику10расчетацентробежныхфорсунокидатьрекомендациипограницамприменимости керосина с полимерной присадкой в ЖРД МТ.

Полученныезависимости характера влияния полимерной добавки на тепловое состояниедвигателя помогут оценить возможность использования керосина с добавкой ПИБдля завесного охлаждения в ракетных двигателях малых тяг.Использованиеэкологическиновойчистыхсамовоспламеняющейсякомпонентовпозволиттопливнойотказатьсяотпарыизсистемывоспламенения и достичь более высоких эксплуатационных показателей.Полученные данные по задержке и определению зависимости воспламенения отконцентрации пирофорной добавки являются основой для будущих исследованийв данном направлении.Этодаетболее полное понимание механизмасамовоспламенения и позволяет решать дальнейшие задачи по разработке системсмешения и воспламенения в ЖРД.Апробациярезультатовисследования.Основныерезультатыисследований, проведенных в работе докладывались и обсуждались на:- 10-й Международной конференции «Авиация и космонавтика – 2011»,Москва, 2011г.,- Международной молодежной научной конференции «XX Туполевскиечтения», Казань, 2012г.,- Всероссийской молодежной научно-технической конференции «КОСМОС2012», Самара, 2012г.,- 4-й Общероссийской молодежной научно-технической конференции«Молодежь.

Техника. Космос.» Санкт-Петербург, 2012г.,-8-ймеждународнойнаучно-техническойконференциистудентов,аспирантов и молодых ученых «Энергия 2013», Иваново, 2013г.Публикации. По результатам научных исследований, изложенных вдиссертации, опубликовано 5 печатных работ, из которых 2 в рецензируемыхнаучных журналах, рекомендуемых ВАК Министерства образования и науки РФ.Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав свыводами, заключения и списка использованных источников из 71 наименования.11Содержание работы изложено на 115 страницах и иллюстрировано 40рисунками и 25 таблицами.12ГЛАВА 1.