НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ

проведения космического эксперимента «Адамант»


Суть исследуемой проблемы. Краткая история и состояние вопроса в настоящее время

Суть проблемы состоит в изучении фундаментальных механизмов образования сажи при диффузионном горении газов в строго определенных условиях – в сферическом ламинарном пламени, которое можно создать только в отсутствие гравитации, -  и разработке на основе полученных знаний методов управления горением неперемешанных газов для достижения сверхмалого выхода сажи. Задачи, решаемые в проекте, направлены на получение исходных данных для разработки методов управления горением углеводородных топлив в интересах создания экологически чистых энергопреобразующих устройств и технологий.

Экспериментальные и теоретические исследования диффузионного горения газов в наземных условиях проводятся в течение многих десятилетий в ведущих научных центрах России, США, Европы, Японии и других стран. Несмотря на значительный прогресс в понимании физико-химических процессов, сопутствующих сажеобразованию в таких пламенах, какой-либо общепринятой теории этого явления до сих пор не существует. Это во многом связано с неоднозначностью интерпретации экспериментальных данных, полученных в земных условиях: процессы естественной конвекции вносят сильные искажения в структуру диффузионного пламени, а также в динамику зарождения, роста и окисления сажевых частиц.

Необходимость проведения КЭ в условиях космического пространства на борту МКС

Проведенные эксперименты в наземных условиях требуют расширения круга исследований и проведения экспериментов в условиях микрогравитации.

НЕ нашли? Не то? Что вы ищете?

Описание КЭ Порядок проведения КЭ

Эксперимент проводится в рамках проекта ACME (Advanced Combustion via Microgravity Experiments – «Уточняющие эксперименты по горению в условиях микрогравитации») на американском сегменте МКС в модуле Destiny (АС МКС) на оборудовании CIR (Combustion Integrated Rack – «Экспериментальный комплекс для исследования горения»). На рис. 1 показана схема установки, которая приспособлена для размещения в ней газовых горелок различных типов и для изучения воздействия внешних полей (например, электрического) на характеристики горения. В эксперименте Flame Design предусмотрено использование шарообразной пористой горелки диаметром 6.4 мм, а в качестве горючих газов предлагается использовать метан и/или этилен.

Рис. 1 Схема установки CIR, приспособленной для размещения различных газовых горелок, для исследований горения неперемешанных газов на МКС

Состав оборудования:

- газовые баллоны;

- сменные горелки;

- система подачи газов с ротаметрами;

- передвижное зажигающее устройство;

- лампа для подсветки фото - и видеосъемки эксперимента;

- передвижной набор волокон для пирометрии бессажистых пламен;

- термопары;

- сенсоры излучения и хемилюминесценции на фотоумножителях;

- ионизационные зонды;

- оптические радиометры.

Оборудование CIF обеспечивает изучение сферического диффузионного ламинарного пламени разных газообразных углеводородов в окислительном газе разного состава при разных начальных давлениях, причем через поры шарообразной горелки может подаваться либо газообразное горючее (метан или этилен с добавками или без добавок инертного газа), либо газообразный окислитель (кислород или кислород с инертным газом).

Принципиальные требования к условиям выполнения КЭ

Требования к условиям выполнения эксперимента задаются американскими участниками проекта.

Эксперимент должен проводиться в отсутствие динамических режимов МКС и, по возможности, физических упражнений членов экипажа.

Технические особенности НА

Технические особенности НА задаются американскими участниками проекта.

Новизна, оценка качественного уровня по сравнению с аналогичными отечественными и зарубежными исследованиями

Систематические исследования установившегося сферического диффузионного ламинарного пламени в условиях микрогравитации не проводились. В литературе есть сведения о неустановившихся диффузионных пламенах, полученных в падающих платформах с временем падения до 2,2 с.

Ожидаемые результаты и их предполагаемое использование Ожидаемые результаты КЭ:

Полученные результаты позволят расширить наши знания о структуре диффузионных газовых пламен и о фундаментальных механизмах сажеобразования. Предполагаемое использование результатов:

Полученные результаты могут быть использованы для совершенствования методов управления горением, направленных на значительное снижение сажеобразования в энергопреобразующих устройствах (газотурбинных и ракетных двигателях, в стационарных энергоустановках).

Обоснование технической возможности создания НА с заданными характеристиками

Создание научной аппаратуры для проведения эксперимента на борту МКС проводится американскими участниками проекта

Характеристики рисков и дискомфорта для экипажа, связанных с КЭ

Проведение эксперимента на борту МКС не создаёт опасных ситуаций для экипажа и МКС.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

, , Моделирование сажеобразования в двигателях внутреннего сгорания. Горение и взрыв, № 1, с. 40-43 (2008). , , Применение метода частиц для моделирования образования сажи и окислов азота при гомогенном горении газов. В кн.: Актуальные проблемы российской космонавтики. Труды ХХХIII академических чтений по космонавтике. Москва, январь 2009 г. / Под общей редакцией . М.: Комиссия РАН по разработке научного наследия пионеров освоения космического пространства, 2009, с. 189-191. , , Basara B., Priesching P., Suffa M. База данных для расчета функций распределения сажевых частиц по размерам в двигателях внутреннего сгорания. Горение и взрыв, № 5, с. 83-90 (2012). , , акрокинетическая модель для расчета эмиссии сажи в дизеле. Горение и взрыв, Т. 9. №.3. С. 36 – 46 (2016). Agafonov, G. L., Smirnov, V. N., and Vlasov, P. A. 2010. Shock tube and modeling study of soot formation during pyrolysis of propane, propane/toluene and rich propane/oxygen bust. Sci. Technol., 182: 1645–1671. Agafonov, G. L., Smirnov, V. N., and Vlasov, P. A. 2011. Shock tube and modeling study of soot formation during the pyrolysis and oxidation of a number of aliphatic and aromatic hydrocarbons. bust. Instit., 33: 625–632. Агафонов, Г. Л., Билера, И. В., Власов, П. А., Колбановский, Ю. А., Смирнов, В. Н., Тереза, А. М. 2015. Образование сажи при пиролизе и окислении ацетилена и этилена в ударных волнах. Кинетика и Катализ, 56(1): 15–35. Агафонов, Г. Л., Билера, И. В., Власов, П. А., Жильцова, И. В., Колбановский, Ю. А., Смирнов, В. Н., Тереза, А. М. 2016. Единая кинетическая модель сажеобразования при пиролизе и окислении алифатических и ароматических углеводородов в ударных волнах. Кинетика и Катализ, 57(5): 571–587. Agafonov, G. L., Smirnov, V. N., and Vlasov, P. A. 2012. Effect of iron pentacarbonyl on soot formation behind shock bustion Science and Technology, 184(10–11): 1838–1861. , Кинетика «голубых» пламен при газофазном окислении и горении углеводородов и их производных. Успехи химии, 2007. Т. 6, №9, С. 927-944. , , Механизмы окисления и горения нормальных парафиновых углеводородов С8Н18, С9Н20 и С10Н22. Химическая физика, 2011. Т.30, №12, С. 9-25. , , Детальный кинетический механизм многостадийного окисления и горения изобутана. Химическая физика, 2015, том 34, № 4, с. 47–54. , , Фролов C. М. Детальный кинетический механизм окисления и горения изопентана и изогексана. Горение и взрыв, 2015, Т. 8, № 1, с. 12-20. , , Кинетическая природа “голубых” пламен при самовоспламенении метана. Химическая физика, 2014, том 33, № 5, с. 40-46. , , Механизмы окисления и горения нормальных парафиновых углеводородов: переход от С1–С10 к С11–С16. Химическая физика, 2013, том 32, № 4, с. 1–10. , , Самовоспламенение и горение тройных гомогенных и гетерогенных смесей углеводород–водород–воздух. Химическая физика, 2013, том 32, № 8, с. 43–48. , , Механизмы окисления и горения нормальных парафиновых углеводородов С11Н24 – С16Н34. Горение и взрыв, 2012, Т. 5, с. 46-52. , , Механизмы окисления и горения нормальных парафиновых углеводородов C8H18, C9H20 и C10H22. Горение и взрыв, 2011, Т. 4, с. 3 – 9. , , Механизмы окисления и горения нормальных парафиновых углеводородов: переход от С1-С7 К С8Н18, С9Н20 И С10Н22. Химическая физика, 2011, Т. 30, N 12, с. 9 – 25. , , Б. Басара, М. Суффа. База данных для характеристик ламинарного горения н-гептана. Горение и взрыв, 2010, Т. 3, с. 30 – 37. , , Механизмы окисления и горения нормальных алкановых углеводородов: переход от С1-С5 к С6Н14. Химическая физика, 2010, т. 29, № 7, с. 71-78. , , Механизмы окисления и горения нормальных парафиновых углеводородов: переход от С1–С6 к С7Н16. Химическая физика, 2010, том 29, № 12, с. 40–49.