Эксплуатация испытательных комплексов ракетно-космических систем (стр. 27 )

Формула (4.3) справедлива для значений приведенного расстояния от центра взрыва

(4.4)

К наиболее опасным факторам при испытаниях водородно-кислородных ДУ следует отнести те, которые приводят к разгерметизации топливной системы, аварийному выбросу водорода и кислорода с последующей реализацией поражающих факторов в виде взрыва, пожара и разлетающихся осколков. Поэтому холодные и огневые испытания кислородно-водородных ДУ должны проводиться с выполнением специальных мероприятий безопасности по системам ДУ и стенда.

Двигательная установка для первых испытаний выполняется с более упрочненными баками, двигатель отделяется от баков защитным устройством (плитой); двигатель до начала испытаний в составе ДУ должен иметь коэффициент надежности не ниже 0,98, подтвержденный при автономных испытаниях; агрегаты и системы ДУ должны быть испытаны автономно на натурных компонентах; огневым испытаниям должны предшествовать холодные испытания ДУ для проверки совместного функционирования систем; в баках ДУ должны быть установлены разделительные клапаны по магистралям питания окислителя и горючего, клапаны аварийного слива компонентов из баков, дополнительные дренажно-предохранительные клапаны, системы дополнительного наддува баков; ДУ должно быть оснащена системой пожаро– и взрывопредупреждения (СПВП) и системой аварийной защиты, предусматривающими контроль определенных параметров двигателя и ДУ и прекращение испытания при их отклонениях от заданных величин.

По системам стенда предусматриваются: контроль опасных концентраций водорода и кислорода в отсеках стенда и ДУ, воспламенение и дожигание выбросов водорода из сопла двигателя, отвод дренажей водорода на стендовый дожигатель, изготовление блоков ИУС в искрозащищенном исполнении, подача азота в отсеки и огневой бокс стенда, максимальное раскрытие проемов в стенах и крыше стенда; контроль параметров и обеспечение парирования нештатных ситуаций.

По организации испытаний предусматриваются: дистанционное проведение заправочных операций и испытания с укрытием обслуживающего персонала в бункере, полное удаление людей из опасной зоны в радиусе Rбез; готовность служб пожарной охраны и газоспасательной службы к ликвидации последствий аварийных ситуаций; ограничение продолжительности первого испытания и количества заправляемого в бак ДУ водорода, которое определяется исходя из расположения испытательного стенда (расстояния до жилой зоны) и размерности двигателя.

При определении количества заправляемого жидкого водорода принимают наиболее вероятным “мгновенное” развитие событий от разрушения баков “Г” и “О” до реализации взрыва в атмосфере стехиометрической смеси водорода и кислорода. При расчетном определении размеров опасных зон ключевыми моментами являются:

- масса выброса взрывоопасного компонента;

- коэффициент разрушений, определяемый энергией сгорания стехиометрической парогазовой смеси.

В соответствии с моделью мгновенного развития событий проведены расчеты опасных зон для условий испытаний кислородно-водородных ракетных блоков, имеющих в топливных баках от 1000 до 10000 кг жидкого водорода. Результаты расчетов для водородно-кислородной смеси показаны на рис. 4.5 соответственно для полностью открытого рабочего объема стенда при коэффициенте использования водорода во взрыве z = 0,02…0,1 и для замкнутого рабочего объема при z = 0,3…0,5. В указанных расчетах на ограниченном расстоянии от стенда (1100 м) допускалось избыточное давление во фронте ударной волны, равное 2 кПа, при котором реализуется вторая степень безопасности с частичным разрушением (менее 50 %) остеклений жилых зданий [9, 37].

На основании проведенных расчетов, в частности, межотраслевой экспертной комиссией по безопасности испытаний в 1991г. было принято решение о возможности проведения холодных и огневых испытаний ДУ разгонных блоков на стенде с заправкой топливного бака ДУ жидким водородом в количестве 2700 кг. При этом принималась степень риска испытаний, равная 10-4 (1 отказ на 10000 испытаний).

Рис. 4.5. Зависимость избыточного давления в ударной волне от массы выброшенного водорода (m) и коэффициента участия водорода во взрыве (z)

для водородно-кислородной смеси

 

Следует отметить, что расчеты проводились с использованием гипотетической модели развития аварийной ситуации, не учитывающая динамику и кинетику процессов от начала разгерметизации до взрыва, а также уменьшение тротилового эквивалента при неполучении стехиометрической смеси. При этом статистика аварий, произошедших по причине выброса водорода, показывает, что события развиваются в течение некоторого времени, позволяющего парировать развитие аварийной ситуации, а коэффициент использования водорода во взрыве в большинстве случаев не превышает величины z = 0,1.

Это дает основание рассматривать вопрос о проведении испытаний на стенде ДУ с полной заправкой блока водородом (до 6500 кг) при выполнении определенных мер безопасности и парирования нештатных ситуаций:

- внедрение датчиков контроля утечек водорода с инерционностью не более 1 с;

- оснащение систем аварийной защиты (САЗ) двигателя высокочувствительными первичными преобразователями (датчиками), основанными на оптико-волоконной и изотопной технике и обеспечивающими контроль наиболее напряженных параметров двигателя – износа беговых дорожек узлов качения (подшипников), температуры лопаток турбины и др.;

- оснащение САЗ двигателя каналами контроля виброперегрузок в системах ТНА и камеры;

- применение активных средств флегматизации взрывоопасных смесей в отсеках ДУ и стенда [37].

 

 

 

 

 

 

 

 

Глава 5

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ ДЛЯ ОТРАБОТКИ ДВИГАТЕЛЬНЫХ УСТАНОВОК РАЗГОННЫХ БЛОКОВ И ИХ СИСТЕМ

5.1. Экспериментальные установки для отработки систем ДУ

 

Существуют два подхода к отработке пневмогидросистем ДУ:

1. Отработка элементов ПГС и ПГС при холодных и горячих проливках на системах питания натурных размеров до выхода на огневые стендовые испытания ДУ в составе блока (ступени) ЛА.

2. Отработка элементов ПГС и ПГС на модельных установках для разработки и уточнения методов определения параметров ПГС и выбора ее конструкции.

При первом подходе в наземных условиях на стенде проверяются все режимы заправки, стоянок, термостатирования и слива компонентов ПГС ДУ с имитацией маршевых режимов работы двигателей. Это требует создания специальных стендов для выполнения указанных испытаний с имитацией реальных условий эксплуатации и увеличения экономических затрат на экспериментальные работы. Но это в конечном итоге оправдано, так как в последующем, при проведении летных испытаний исключаются отказы и аварийные случаи.

Во втором случае при создании крупноразмерных ПГС ДУ из-за ограниченных возможностей испытательных стендов приходится решать многие вопросы отработки систем на маломасштабных модельных установках, а в последующем проводить большой цикл испытаний по проверке и отладке режимов заправки, слива, циркуляции и термостатирования компонентов топлива в натурных системах питания ДУ на стартовом комплексе. При этом часть режимов слива (например, слив компонентов из баков ДУ на маршевом режиме работы двигателя и др.) не могут быть проверены при предварительных испытаниях на стартовом комплексе и их проверка будет происходить уже при заключительных летных испытаниях ДУ.

Это, в свою очередь, может явиться причиной отказов некоторых систем при проведении летных испытаний, и в итоге экономические затраты, как правило, оказываются значительно большими, чем в первом случае.

Следовательно, предпочтителен первый подход, позволяющий в максимальном объеме проверить системы ДУ и режимы испытаний в процессе наземной отработки ЛА.

Таким образом, отработка элементов (агрегатов), ПГС и ДУ требует создания специальных экспериментальных установок и систем обеспечения испытаний и имитации реальных условий эксплуатации на стенде [2].

 

5.1.1. Отработка режимов системы заправки

 

Система заправки топливных баков ДУ предназначена для получения на борту ЛА требуемой массы криогенного топлива за время проведения предстартовых операций.

Заправка состоит из чередующихся нестационарных тепло- и массообменных процессов в жидкой и газовой фазах, которые не подаются точному описанию. Последнее утверждение иллюстрирует рис. 5.1, где показано, что при заправке в баке происходит: теплообмен жидкости со стенкой Qжст (со сменяющимися режимами - пленочным, пузырьковым, вынужденной конвекции), массообмен между жидкостью и газом через поверхность раздела фаз ± ms, теплообмен жидкости с газом Qгж и газа со стенкой бака Qгст.

Рис. 5.1. Схема процесса заправки бака криогенным топливом:

- расходы жидкости и газа; Тж и Тг - температуры жидкости и газа;

Н, Нжк - высота бака и высота объема жидкости в баке после окончания заправки; hn - глубина прогрева криогенного топлива ниже зеркала жидкости;

Тжк, Тs – температуры в объеме жидкости и границы раздела газ-жидкость в конце заправки; 1, 2, 3 - кривые изменений температуры топлива по высоте бака в конце операций наполнения бака и термостатирование топлива в баке

На практике получение требуемой массы топлива в баке подтверждают результатами отработки режимов заправки, включающей в себя захолаживание конструкции бака, наполнение бака топливом и термостатирование топлива в баке при работе конкретной системы. В результате сложившегося опыта отработку конкретной системы заправки криогенным топливом производят на модельных экспериментальных установках (ЭУ) с последующим подтверждением их работоспособности в составе натурного изделия перед стендовыми или летными испытаниями ДУ.