Обобщенная методика анализа охлаждения ракетного топлива в емкостях наземных комплексов с использованием жидкого азота
Опубликовано: 24.01.2024
Авторы: Золин А.В., Чугунков В.В.
Опубликовано в выпуске: #1(145)/2024
DOI: 10.18698/2308-6033-2024-1-2332
Раздел: Авиационная и ракетно-космическая техника | Рубрика: Проектирование, конструкция и производство летательных аппаратов
Для анализа процессов охлаждения компонентов ракетного топлива жидким азотом предложена обобщенная методика, основанная на аналитическом и численном решениях системы дифференциальных уравнений теплообмена, в которых коэффициенты определяются величинами массовых, геометрических и теплофизических характеристик емкости с топливом, азота и системы охлаждения. Эффективность системы охлаждения топлива оценивается по относительной массе жидкого азота, затрачиваемого на охлаждение, и времени охлаждения в заданном интервале температур единицы массы топлива. Достоверность предложенной обобщенной методики подтверждена сопоставлением расчетных, экспериментальных и натурных значений температур и затрат жидкого азота на процессы охлаждения топлива. Показано, что для проектных расчетов характеристик систем охлаждения топлива жидким азотом предпочтительно применение аналитических расчетов на этапе определения технического облика системы охлаждения топлива, а уточнение характеристик выбранного варианта системы охлаждения рекомендовано осуществлять с использованием численного расчета.
Литература
[1] Комлев Д.Е., Соловьев В.И. Охлаждение нафтила методом криогенного барботажа. Новости техники: сборник. Москва, КБТМ, 2004, с. 137–141.
[2] Золин А.В., Чугунков В.В. Методика анализа теплообменных процессов компонентов ракетного топлива при выполнении операции заправки топливных баков ракеты на стартовом комплексе. Известия высших учебных заведений. Машиностроение, 2012, № 12, с. 8–12.
[3] Матвеева О.П., Романяк А.Ю., Удовик И.С. Анализ вариантов сокращения энергопотребления в процессах поддержания тепловых режимов космических аппаратов на стартовых комплексах. Инженерный журнал: наука и инновации, 2019, вып. 12 (96). http://dx.doi.org/10.18698/2308-6033-2019-12-1942
[4] Сова А.Н., Воробьев Е.В., Денисов О.Е., Макаренко М.В. Научно-методический подход к анализу риска возникновения нештатных ситуаций при транспортировке компонентов ракетного топлива. Двойные технологии, 2019, № 3 (88), с. 19–22.
[5] Абакумов В.С., Зверев В.А., Ломакин В.В., Чугунков В.В., Языков А.В. Методический аппарат для расчетного анализа прочности конструкций стартового комплекса ракет-носителей серии «Союз». Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Машиностроение, спец. выпуск трудов факультета «Специальное машиностроение», приуроченный к 70-летию факультета. 2008, № 2, с. 124.
[6] Игрицкий В.А., Игрицкая А.Ю., Зверев В.А. Методика выбора параметров приводов подъема установщиков и транспортно-установочных агрегатов ракет космического назначения. Инженерный журнал: наука и инновации, 2020, вып. 8. http://dx.doi.org/10.18698/2308-6033-2020-8-2005
[7] Igritskaia A.Yu., Igritsky V.A., Zverev V.A. Diagnostics of the launch system structures by analyzing the video footage of their motion. AIP Conference Proceedings, 2019, vol. 2171, аrt. no. 110015 (2019). DOI: 10.1063/1.5133249
[8] Matveeva O., Romanyak A., Udovik I. Improving the processes of missile preparation at launch complexes on the basis of system design of interacting elements. AIP Conference Proceedings, 2019, vol. 2195, art. no. 020067. DOI: 10.1063/1.5140167
[9] Igritskaia A.Yu., Dragun D., Zabegaev A., Zverev V., Lomakin V. An effectiveness analysis of reducing inertial loads acting on space rockets during the stages switching of lift cylinders by mounting them at different initial angles. AIP Conference Proceedings, 2023, vol. 2549, art. no. 110006. https://doi.org/10.1063/5.0111051
[10] Barmin I., Zverev V., Igritsky V. Development and analysis of design solutions for universal guiding devices for the launch system of integrated launch vehicle of the Soyuz-2 family. AIP Conference Proceedings, 2023, vol. 2549, art. no. 110008. https://doi.org/10.1063/5.0117856
[11] Dragun D. K., Igritsky V. A., Kornetov S. S. An improved scheme of air temperature conditioning for payload fairing of ultralight space rockets. AIP Conference Proceedings, 2023, vol. 2549, art. no. 110005. https://doi.org/10.1063/5.0109393
[12] Александров А.А., Бармин И.В., Денисова К.И., Золин А.В., Павлов С.К., Чугунков В.В. Характеристики охлаждения ракетного топлива жидким азотом в емкостях наземных комплексов с теплообменной рубашкой. Инженерный журнал: наука и инновации, 2022, вып. 3. http://dx.doi.org/10.18698/2308-6033-2022-3-2163
[13] Chugunkov V.V., Denisova K.I., Pavlov S.K. Effective models of using liquid nitrogen for cooling liquid media. AIP Conference Proceedings, 2019, vol. 2171, art. no. 200002. DOI: 10.1063/1.5133360
[14] Александров А.А., Бармин И.В., Золин А.В., Чугунков В.В. Анализ эффективности охлаждения углеводородного топлива с использованием жидкого азота и комбинации рекуперативных теплообменников. Инженерный журнал: наука и инновации, 2020, вып. 3. http://dx.doi.org/10.18698/2308-6033-2020-3-1965
[15] Chugunkov V.V., Denisova K.I. Fuel cooling with liquid nitrogen in a tank with a built-in heat. AIP Conference Proceedings, 2021, vol. 2318, art. no. 100003. DOI: 10.1063/5.0036228
[16] Александров А.А., Бармин И.В., Денисова К.И., Чугунков В.В. Показатели эффективности охлаждения топлива с использованием жидкого азота в емкостях со встроенными теплообменниками. Инженерный журнал: наука и инновации. 2021, вып. 3. http://dx.doi.org/10.18698/2308-6033-2021-3-2064
[17] Chugunkov V.V., Aleksandrov A.A., Barmin I.V., Denisova K.I. Increase the cooling efficiency of the fuel tanks with built-in heat exchangers using liquid nitrogen. AIP Conference Proceedings, 2023, vol. 2549, art. no. 110004. DOI: 10.1063/5.01108
[18] Гончаров Р.А., Чугунков В.В. Определение параметров и режимов работы стартового оборудования по охлаждению углеводородного горючего перед заправкой в бортовые баки ракеты-носителя. Известия высших учебных заведений. Машиностроение, 2012, Спец. выпуск. Работы студентов и молодых ученых МГТУ им. Н.Э. Баумана, с. 35–38.
[19] Золин А.В., Чугунков В.В. К выбору технического облика и рациональных параметров систем охлаждения и обезвоживания для хранилищ углеводородного горючего космодромов. Известия высших учебных заведений. Машиностроение, 2012, спец. выпуск. Работы студентов и молодых ученых МГТУ им. Н.Э. Баумана, с. 39–42.
[20] Александров А.А., Денисов О.Е., Золин А.В., Чугунков В.В. Охлаждение ракетного топлива стартовым оборудованием с применением жидкого азота. Известия высших учебных заведений. Машиностроение, 2013, № 4, с. 24–29.
[21] Павлов С.К., Чугунков В.В. Математическая модель процесса температурной подготовки компонентов жидкого ракетного топлива с использованием теплообменника и теплоносителя, охлаждаемого жидким азотом. Наука и образование: научное издание МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2014, № 12, с. 136–150. DOI: 10.7463/1214.0744330
[22] Денисов О.Е., Золин А.В., Чугунков В.В. Методика моделирования охлаждения компонентов ракетного топлива с применением жидкого азота и промежуточного теплоносителя. Наука и образование: научное издание МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2014, № 3, с. 145–161. DOI: 10.7463/0314.0699941
[23] Золин А.В., Чугунков В.В. Моделирование процессов температурной подготовки ракетного горючего в системе заправки стартового комплекса. Аэрокосмический научный журнал, 2015, № 6, с. 27–38. DOI: 10.7463/aersp.0615.0826690
[24] Александров А.А., Бармин И.В., Кунис И.Д., Чугунков В.В. Особенности создания и развития криогенных систем ракетно-космических стартовых комплексов «Союз». Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Машиностроение, 2016, № 2, с. 7–27.
[25] Павлов С.К., Чугунков В.В. Повышение эффективности системы охлаждения ракетного топлива с использованием теплообменника и антифриза, охлаждаемого жидким азотом. Инженерный журнал: наука и инновации. 2016, вып. 1. http://dx.doi.org/10.18698/2308-6033-2016-1-1461
[26] Александров А.А., Бармин И.В., Павлов С.К., Чугунков В.В. Аналитическая модель эффективной технологии температурной подготовки ракетного топлива в емкостях заправочных систем наземных комплексов. Известия высших учебных заведений. Машиностроение, 2017, № 4, с. 86–95.
[27] Александров А.А., Бармин И.В., Павлов С.К., Чугунков В.В. Исследование параметров теплообмена витого теплообменника в двухфазной среде. Вестник Московского государственного технического университета им. Н.Э. Баумана. Серия Естественные науки, 2019, № 3 (84), c. 22–33.
[28] Wen D.S., Chen H.S., Ding Y.L., Dearman P. Liquid nitrogen injection into water: Pressure build-up and heat transfer. Cryogenics, 2006, vol. 46, no. 10, рр. 740–748.
[29] Домашенко А.М., Блинова И.Д. Исследования тепломассообмена при сбросе криогенных продуктов в воду. Химическое и нефтегазовое машиностроение, 2007, № 12, с. 17–19.
[30] Накоряков В.Е., Цой А.Н., Мезенцев И.В., Мелешкин А.В. Вскипание струи жидкого азота, инжектированного в воду. Современная наука: исследования, идеи, результаты, технологии, 2013, № 1 (12), с. 260–264.
[31] Nakoryakov V.E., Tsoi A.N., Mezentsev I.V., Meleshkin A.V. Boiling-up of liquid nitrogen jet in water. Thermophysics and Aeromechanics, 2014, vol. 21, iss. 3, pр. 279–284 (Накоряков В.Е., Цой А.Н., Мезенцев И.В., Мелешкин А.В. Экспериментальные исследования процесса инжекции жидкого азота в воду. Теплофизика и аэромеханика, 2014, том 21, № 3, с. 293–298).