Оценка времени снижения температуры криогенного компонента топлива путём объёмного кипения в баках ракет-носителей и разгонных блоков при наземной подготовке к запуску
Автор: Диесперов Николай Вадимович, Черкасов Сергей Гелиевич
Журнал: Космическая техника и технологии @ktt-energia
Рубрика: Тепловые, электроракетные двигатели и энергоустановки летательных аппаратов
Статья в выпуске: 2 (37), 2022 года.
Бесплатный доступ
Предложена расчётная модель для оценки времени снижения температуры жидкого водорода, используемого в качестве компонента топлива, путём объёмного кипения как частного случая термостатирования баков ракет-носителей и разгонных блоков, содержащих криогенное топливо. Модель включает в себя три различных способа расчёта времени данного процесса - осреднённая оценка, равновесная оценка и оценка с учётом «вспухания» применительно к условиям наземного термостатирования. По результатам работы всеми способами, заложенными в модель, была произведена оценка времени снижения температуры топлива при наземной подготовке для бака горючего перспективного разгонного блока, содержащего в качестве компонента топлива жидкий водород, а также получены зависимости изменения основных внутрибаковых параметров во времени. Как частный случай рассматриваемой в работе модели получена оценка процесса с учётом «вспухания» компонента топлива, т. е. увеличения объёма компонента топлива за счёт объёмов пузырей, образованных при объёмном кипении компонента. Данный подход, помимо оценки собственно времени снижения температуры путём объёмного кипения, позволяет оценить изменение высоты компонента топлива в баке при наземном термостатировании, и, соответственно, оценить риски так называемого «каплеуноса», т. е. ухода компонента топлива через дренажную магистраль. По результатам работы разработано программное обеспечение для расчёта на языке Vlsual Baslc, которое позволяет на стадии проектирования изделий космической техники произвести быструю предварительную оценку времени снижения температуры компонента топлива путём объёмного кипения жидкого водорода в баке.
Объёмное кипение, термостатирование, дренаж, математическое моделирование, внутрибаковые процессы, среднемассовая температура, вспухание
Короткий адрес: https://sciup.org/143178831
IDR: 143178831 | УДК: 629.7.064.54:621.431.37
Estimating the time needed to lower the temperature of a cryogenic propellant component through bulk boiling in tanks of launch vehicles and upper stages during pre-launch processing
The paper proposes a computational model for estimating the time needed to lower the temperature of liquid hydrogen used as a propellant component through bulk boiling as a particular case of thermostatting the tanks of launch vehicles and upper stages containing cryogenic propellants. The model includes three different methods of calculating the time of this process - an averaged estimate, equilibrium estimate and an estimate that takes into account the «swelling» applicable to the thermostatting on the ground. Based on the results of working according to all the methods included in the model a time estimate was made for the propellant temperature lowering during ground processing for the fuel tank of an advanced upper stage containing liquid hydrogen as a propellant component, while also obtaining the curve of internal tank parameters vs. time. As a specific case of the model considered in this paper, an estimate of the process was made taking into account the «swelling» of the propellant component, that is, the increase in the propellant component volume due to the volumes of the bubbles formed during bulk boiling of the component. Such an approach, besides providing an estimate of the time needed to lower the temperature through bulk boiling, also makes it possible to estimate the change in the height of propellant component in the tank during termostatting on the ground, and, accordingly, to evaluate the risks of the so-called «drop entrainment», that is, the loss of the propellant component through the vent line. Based on the results of this work, a piece of software was developed in the Visual Basic language, which enables, at the space hardware preliminary design phase, quick preliminary estimation of the time needed to lower the propellant component temperature through bulk boiling of liquid hydrogen in the tank.
Список литературы Оценка времени снижения температуры криогенного компонента топлива путём объёмного кипения в баках ракет-носителей и разгонных блоков при наземной подготовке к запуску
- Федоров В.И. Исследование тепломассообмена в баках кислородно-водородных ракет-носителей во время работы двигательной установки / / Известия РАН. Энергетика. 2012. № 2. С. 44-53.
- Бершадский В.А., Петров В.И., Соколов Б.А., Туманин Е.Н. Способы регулирования теплового состояния криогенного топлива в баках двигательной установки при предстартовых операциях // Известия РАН. Энергетика. 2017. № 4. С. 95-105.
- Belyaev A.Yu, Ivanov A.V., Egorov S.D., Voyteshonok V.S., Mironov V.M., Rogozhin-sky V.V., Sokolov B.A., Tumanin Y.N., Fyodorov V.I., Aksentsov A.A. Pathways to solve the problem of cryogenic rocket propellant long storage in space // Proc. Int. Aerospace Congress. Moscow. Russia. August 15-19, 1994. V. 1. P. 558-562.
- Черкасов С.Г. Естественная конвекция и температурная стратификация в криогенном топливном баке в условиях микрогравитации // Известия РАН. Механика жидкости и газа. 1994. № 5. С. 142-149. / Cherkasov S.G. Natural convection and temperature stratification in a cryogenic fuel tank in microgravity // Fluid Dynamics. 1994. V. 29. № 5. P. 710-716. D01:10.1007/BF02030500.
- Амирханян Н.В., Черкасов С.Г. Теоретический анализ и методика расчёта теплофизических процессов, протекающих в криогенной ёмкости в режиме бездренажного хранения // Теплофизика высоких температур. 2001. Т. 39. № 4. С. 970-976. / Amirkhanyan N.V., Cherkasov S.G. Theoretical analysis and procedure for the calculation of thermo-physical processes occurring in a cryogenic vessel under conditions of nonvented storage // High Temperature. 2001. V. 39. № 6. P. 905- 911.
- Черкасов С.Г., Миронов В.В., Миронова Н.А., Моисеева Л.А. Метод расчёта скорости роста давления при бездренажном хранении жидкого водорода в ёмкостях // Известия РАН. Энергетика. 2010. № 4. С. 155-161.
- Черкасов С.Г., Ананьев А.В., Миронов В.В., Моисеева Л.А. Температурное расслоение в вертикальной цилиндрической ёмкости с турбулентным свободно-конвективным пограничным слоем // Известия РАН. Энергетика. 2016. № 4. С. 137-146.
- Полежаев В.И. Конвективное взаимодействие в цилиндрическом сосуде, частично заполненном жидкостью, при подводе тепла к боковой и свободной поверхностям и дну // Известия АН СССР. Механика жидкости и газа. 1972. № 4. С. 77-88.
- Вальциферов Ю.В., Полежаев В.И. Конвективный теплообмен в замкнутом осесимметричном сосуде с криволинейной образующей при наличии поверхности раздела фаз и фазовых переходов // Известия АН СССР. Механика жидкости и газа. 1975. № 6. С. 126-134.
- Полежаев В.И., Черкасов С.Г. Нестационарная тепловая конвекция в цилиндрическом сосуде при боковом подводе тепла // Известия АН СССР. Механика жидкости и газа. 1983. № 4. С. 148-157. / Polezhaev V.I., Cherkasov S.G. Unsteady thermal convection in a cylindrical vessel heated from the side // Fluid Dynamics. 1983. V. 18. № 4. P. 620-629.
- Черкасов С.Г. Естественная конвекция в вертикальном цилиндрическом сосуде при подводе тепла к боковой и свободной поверхностям // Известия АН СССР. Механика жидкости и газа. 1984. № 6. С. 51-57. / Cherkasov S.G. Natural convection in a cylindrical vessel with heat supplied to its side and free surfaces // Fluid Dynamics. 1984. V. 19. № 6. P. 902-908.
- Черкасов С.Г. Квазистационарный режим конвекции в вертикальном цилиндрическом сосуде // Известия АН СССР. Механика жидкости и газа. 1986. № 1. С. 146-152. / Cherkasov S.G. Quasisteady free convection regime in a vertical cylindrical vessel // Fluid Dynamics. 1986. V. 21. № 1. P. 125-131.
- Моисеева Л.А., Черкасов С.Г. Теоретическое исследование влияния теплопроводности стенки на процессы сво-бодноконвективного теплообмена в вертикальной цилиндрической ёмкости / / Теплофизика высоких температур. 2002. Т. 40. № 3. С. 485-493. / Moiseeva L.A., Cherkasov S.G. Theoretical investigation of the effect of the thermal conductivity of a wall on the rocesses of free-convective heat transfer in a vertical cylindrical tank // High Temperature. 2002. V. 40. № 3. P. 447-455.
- Ананьев А.А., Миронов В.В., Моисеева Л.А., Черкасов С.Г. Анизотропное влияние естественной конвекции на температурное расслоение в ёмкости при наличии устойчивой температурной стратификации // Известия РАН. Механика жидкости и газа. 2015. № 5. С. 96-106. / Anan'ev A.V., Mironov V.V., Moiseeva L.A., Cherkasov S.G. Anisotropic effect of natural convection on the temperature field in an enclosure in the presense of stable temperature stratification. Fluid Dynamics. 2015. V. 50. № 5. P. 681-690.
- Черкасов С.Г., Ананьев А.В., Миронов В.В., Моисеева Л.А. Температурное расслоение в вертикальной цилиндрической ёмкости с турбулентным свободно-конвективным пограничным слоем // Известия РАН. Энергетика. 2016. № 4. С. 137-146.
- Черкасов С.Г., Лаптев И.В., Ананьев А.В., Городнов А.О. Рост давления при нестационарной естественной конвекции в вертикальном цилиндрическом сосуде с постоянной температурой нижней границы // Тепловые процессы в технике. 2019. Т. 11. № 5. С. 203-215.
- Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Гидродинамика. М.: Наука, 1986. 736 с.
- Полежаев В.И., Бунэ А.В., Ве-резуб Н.А., Глушко Г.С., Грязнов В.Л., Дубовик К.Г., Никитин С.А., Простомо-лотов А.И., Федосеев А.И., Черкасов С.Г. Математическое моделирование конвективного тепломассообмена на основе уравнений Навье-Стокса. М.: Наука, 1987. 272 с.
- Черкасов С.Г., Лаптев И.В., Город-нов А.О. Термодинамическая модель процессов в криогенных топливных баках // Космическая техника и технологии. 2020. № 2(29). С. 50-60.
- Черкасов С.Г. О некоторых особенностях описания тепловых и динамических процессов в газах в приближении гомобаричности // Теплофизика высоких температур. 2010. T. 48. № 3. С. 444-448. / Cherkasov S.G. Some spécial features of the descriptions of thermal and dynamic processes in gases in the approximation of homobaricit // High Temperature. 2010. V. 48. № 3. P. 422-426.
- Лапин Ю.В., Стрелец М.Х. Внутренние течения газовых смесей. М.: Наука, 1989. 368 с.
- Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя. М.: Наука, 1974. 712 с.
- Сивухин Д.В. Общий курс физики. Т. II. Термодинамика и молекулярная физика. М.: Физматлит. Изд-во МФТИ, 2003. 576 с.
- Чарный И.А. Основы газовой динамики. М.: Государственное науч.-тех. изд-во нефтяной и горно-топливной литературы, 1961. 97 с.
- Кутателадзе С.С. Теплопередача и гидродинамическое сопротивление. Справочное пособие. М.: Изд-во Энерго-атомиздат, 1990. С. 194-195.
