Эксплуатация испытательных комплексов ракетно-космических систем (стр. 28 )

Эффективность работы системы заправки оценивают по суммарным затратам криогенного топлива, приходящимся на единицу его массы, требуемой для работы ДУ, – . При этом суммарные затраты криогенного топлива для заправки ДУ составляют:

, (5.1)

где mзк- масса, идущая на захолаживание конструкции бака и вывод ее на регулярный тепловой режим; mнб и mтт - масса, идущая на наполнение бака и термостатирование топлива; mпт - масса, потребная для подготовки топлива в наземной системе; mкд- масса, потребная для подготовки топлива в наземной системе.

На рис. 5.2 показана принципиальная пневмогидравлическая схема ЭУ для отработки технологии, режимов и циклограммы работы системы заправки.

Рис. 5.2. Принципиальная пневмогидравлическая схема ЭУ

для отработки режимов системы заправки

В зависимости от выполняемых с помощью ДУ задач возможна заправка натурного бака кипящим или охлажденным ниже температуры кипения при атмосферном давлении топливом. Рассмотрим работу ЭУ на примере заправки бака 3, конструктивно подобного натурному, охлажденным топливом, которое приготавливают в баке 1 с криогенной теплоизоляцией, например, путем вакуумирования газовой подушки бака с помощью эжектора 2.

Захолаживание конструкции бака 3 осуществляют подачей жидкости через клапан 4 со сбросом пара через гидравлический имитатор натурной дренажной магистрали 5. Режим расхода жидкости обеспечивают с помощью дросселя 6 по датчику обратной связи 7, измеряющему расход криогенной жидкости. В результате проведения операции захолаживания устанавливают расход и температуру жидкости для принятой конструкции бака с теплоизоляцией, при которых отсутствуют заброс давления по датчику 10 выше величины, допустимой по соображениям прочности, а частота срабатывания дренажного клапана 11 не превышает допустимый ресурс его функционирования. Эффективным можно считать процесс захолаживания, при котором максимальные затраты топлива, приходящиеся на единицу массы конструкции, учитывают использование запаса холода в испарившемся и выбрасываемом в дренаж топливе.

Наполнение бака начинают после появления минимального уровня жидкости в нем. При этом увеличивают расход топлива в бак и контролируют его наполнение по уровнемеру 8. Плотность топлива определяют по результатам измерения температуры датчиками 9. В период наполнения бака недогретым до температуры насыщения топливом реализуется деформация поля температуры по высоте объема жидкости, как показано на рис. 3.1, кривая 1. Для обеспечения максимальной массы топлива перед запуском ДУ необходимо ликвидировать температурную стратификацию топлива и уменьшить среднемассовую температуру всего объема жидкости, реализованную при нестационарном теплоподводе к криогенному топливу в период заправки.

Операция термостатирования обеспечивает выполнение этой задачи. На практике температурное расслоение жидкости ликвидируют различными способами: путем ее перемешивания или охлаждения. В схеме ЭУ, представленной на рис. 5.2, ликвидация расслоения предусмотрена проведением одновременных операций заправки топлива через клапан 4 и его слива через клапан 12. Расход топлива на заправку-слив подбирают из условия теплового баланса:

, (5.2)

где  - секундный расход топлива на заправку-слив при термостатировании;  и  - начальное и текущее среднемассовые значения температуры топлива в баке; Сж и  - удельные значения теплоемкости жидкости и внешней тепловой нагрузки;  - плотность жидкости; Vзб - поддерживаемый при термостатировании неизменным объем жидкого топлива, заправленного в бак; - продолжительность операции термостатирования.

За время термостатирования реализуется поле температур в жидкости в виде кривой 2 (см. рис. 5.1). Коллектор слива 13 располагают в баке, как правило, ниже зеркала жидкости. При этом глубину погружения коллектора в баке подбирают так, чтобы получить допустимый объем теплового незабора топлива в баке натурной ДУ. Получение температурного поля в жидкости, аналогичного прямой 3 (см. рис. 5.1), требует перемешивания верхнего слоя, например подачей эмульсии путем распыления.

По результатам отработки режимов заправки на ЭУ для натурной системы заправки ДУ устанавливают следующие параметры:

- расход и температура топлива, подаваемого на борт изделия;

- продолжительность операций захолаживания, наполнения бака и термостатирования топлива в баке;

- погрешность получения массы топлива в баке ДУ.

 

5.1.2. Отработка элементов и режимов

системы наддува топливного бака ДУ

 

Система наддува топливных баков обеспечивает создание в газовых подушках давлений, необходимых для заполнения и запуска двигателей, а также для их нормальной работы в полете. В каждом из топливных баков необходимо поддерживать давление газа наддува Рб между минимально и максимально допустимыми значениями.

Изменение области допустимых значений давления в период полета ДУ иллюстрирует рис. 5.3. Здесь допустимое значение максимального давления определяется из условия максимальных нагрузок на конструкцию (кривая 1), которые зависят от давления в баке и столба жидкости. Допустимое значение минимального давления рбmin определяется требованиями обеспечения бескавитационной работы насосов (кривая 2) и условиями обеспечения минимальной прочности (устойчивости) стенок бака (кривая 3).

Рис. 5.3. Область допустимых значений давления в баке при работе

натурной ДУ

Существуют различные способы наддува баков (газобаллонный, газогенераторный, испарительный и др.). Основной задачей испытаний любой системы наддува является определение расхода газа, потребного для реализации области допустимых значений давления в баке.

Достаточно точно определить потребный расход газа наддува расчетным путем не удается ввиду сложности механизмов явлений, происходящих внутри бака. Рис. 5.4 показывает, что в баке существуют нестационарные режимы теплообмена между стенкой

Рис. 5.4. Схема процесса наддува топливного бака:

- расходы газа наддува и жидкости; Тгвх, Тж – температура газа наддува и жидкого топлива; Тг – температура газа в подушке бака; Тж, Тs – температуры в объеме жидкости и на зеркале; H – высота бака; Ткр –критическая температура, соответствую-щая кавитации в насосе: 1 – профиль температуры в жидкости после заправки и

термостатирования топлива; 2 и 3 – профили температуры в жидкости и в газовой подушке в начале и в конце выработки топлива

 

бака и жидкостью Qжст, между газом наддува и жидкостью Qжг, между газом и стенкой Qгст, а также режим массообмена между жидкостью и газом ± ms. Кривые 1, 2 и 3 иллюстрируют изменение температуры жидкости и газовой подушки бака на трех стадиях работы: окончание заправки, предварительный наддув бака, окончание выработки топлива из бака.

Интенсивность и направленность этих процессов зависит от следующих факторов: температуры и расхода жидкости из бака, температуры и расхода газа наддува, величины давления в баке, начальных значений температуры в газовой подушке и на стенке бака, характера ввода газа в подушку, амплитуды и частоты колебаний жидкости в баке. Поэтому на практике потребный расход газа наддува определяют по результатам экспериментов на модельных или полноразмерных баках с имитацией эксплуатационных режимов работы.

На рис. 5.5 приведена принципиальная пневмогидравлическая схема ЭУ для испытаний системы наддува топливного бака ДУ. Работа на установке осуществляется следующим образом: бак 1 заправляют натурным криогенным компонентом топлива, а затем производят предварительный наддув бака и слив топлива из бака с наддувом его газом. В период времени слива с наддувом по сигналу от датчика расхода 2 регулятором расхода 3 поддерживают скорость опускания уровня в модельном баке, равную скорости в натурном баке. По показаниям датчиков давления 4 и температуры 5 редуктором 6 и теплообменником 7 обеспечивают заданный закон изменения давления в баке.

Рис. 5.5. Принципиальная пневмогидравлическая схема ЭУ

для отработки системы наддува топливного бака

 

Контролируя показания датчика частоты колебаний 8 с помощью привода 9 производят угловые колебания бака с частотой:

, (5.3)

где fм и fн – частота колебаний для модели и натуры; Dм и Dн – диаметр бака модели и натуры; n – перегрузка в полете.

Аэродинамический нагрев имитируют продувкой кожуха через редуктор 13 вокруг бака неконденсирующим газом, подаваемым через клапаны 10, 11 и теплообменник 12. При этом расход газа выбирают из условия равенства прогнозируемому натурному удельному теплопритоку к жидкости.

Следует отметить, что в описанной схеме экспериментальной установки предусмотрена система вынужденных колебаний бака, имитирующая подвижность жидкости в баке при возникновении упругих колебаний корпуса ЛА или при возбуждении колебаний в системе "корпус изделия - жидкость в баках - автомат стабилизации ракеты на курсе". Это позволяет учесть перераспределение энергии в подушке бака из-за интенсификации тепло - массообменных процессов между газом и жидкостью, жидкостью и стенкой бака. В итоге результаты испытаний на такой установке позволяют также оценить величины провалов или подъемов давления, приводящие к нарушению устойчивости оболочки натурного бака.