Регистрация / Вход
Прислать материал

14.577.21.0157

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.577.21.0157
Тематическое направление
Транспортные и космические системы
Исполнитель проекта
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Омский государственный технический университет"
Название доклада
Разработка активной бортовой системы спуска отработанных ступеней ракет космического назначения с маршевыми жидкостными ракетными двигателями на основе использования энергетических ресурсов, заключённых в невырабатываемых остатках топлива в баках cтупеней.
Докладчик
Трушляков Валерий
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Цель: Повышение тактико-технических характеристик ракет космического назначения (РКН) с маршевыми жидкостными ракетными двигателями (ЖРД), а также снижение техногенного воздействия пусков РКН с ЖРД на окружающую среду в околоземном космическом пространстве и районах падения отработанных ступеней (ОС), повышения конкурентоспособности российских РКН с маршевыми ЖРД на мировом рынке средств выведения, разработки технологий мирового уровня для реализации сформулированных целей на основе создания активной бортовой системы спуска (АБСС) отработанных ступеней после выполнения ими своей миссии, используя энергетические ресурсы, заключённые в невырабатываемых жидких остатках топлива в баках ОС, газов наддува в шар-баллонах.
Задача 1. Разработка технологии извлечение энергетических ресурсов, заключённых в невырабатываемых остатках жидкого топлива в баках отработанных ступеней РКН с маршевыми ЖРД в условиях невесомости на основе их газификации, в том числе:
1.1. Проведение теоретико-экспериментальных исследований по выбору оптимальных газогенерирующих составов (ГГС) для получения теплоносителей (ТН) и последующей их подачи в топливные баки с остатками жидкого топлива.
1.2. Проведение теоретико-экспериментальных исследований по выбору оптимальных параметров процесса газификации жидких остатков КРТ в баках в условиях невесомости.
Задача 2. Разработка технологий реализации энергетических ресурсов, заключённых в ПГ, для совершения манёвров ОС, в том числе, на основе использования газореактивной системы стабилизации, газового ракетного двигателя при движении на атмосферном участке спуска.

Актуальность и новизна исследования
Актуальность предлагаемой тематики обусловлена высокой интенсивностью количества запусков РКН, например, в 2012 г. с Байконура было запущено 20 РКН типа "Союз", "Протон", "Зенит", в 2013 г. проведено 22 пуска РКН типа "Союз", "Протон", “Зенит”, на 2014 – 2015 динамика пусков этих же РКН сохранится на прежнем уровне, что приводит к пополнению и без того близкую к критической ситуации концентрацию крупногабаритного потенциально взрывоопасного космического мусора в виде орбитальных ОС в защищаемых областях ОКП, а также дополнение к существующему техногенному загрязнению в районах падения ступеней космодрома Байконур.
В настоящее время в связи с возросшими требованиями по охране окружающей среды актуальность минимизации техногенного воздействия пусков РКН, частности, снижение количества районов падения, уменьшения их площадей, предстоящее в ближайшее будущее введение оплаты регионам за использование территорий под районы падения независимо от целей пуска (коммерческий или в интересах Минобороны, по аналогу с республикой Казахстан) только возрастает.
Описание исследования

В связи с наличием нескольких взаимосвязанных задач в данном исследовании, когда результаты предыдущего этапа исследования влияют на последующий, а также тем обстоятельством, что в проекте задействованы  научные коллективы, находящиеся в разных городах (Томск, Новосибирск, Черноголовка) не представляется возможным использовать полученный в Новосибирске (Институт химической кинетически и горения  СО РАН) теплоноситель для проведения исследований  процессов газификации компонентов ракетного топлива в Омске (Омский гостехуниверситет), а также невозможно исследовать продукты сгорания газифицированных компонентов топлива в Томске (Томский госуниверситет). Это обусловлено тем, что сложный процесс разделён на этапы, каждый этап имеет свои специфицеские технологичесие процессы, а создание единого экспериментального стенда, моделирующего все этапы крайне сложно и дорого. Кроме того, каждый этап исследуется различными методами, приборным составом. Эта объективная ситуация привела к необходимости разработать свой метод проведения поисковых прикладных исследований, когда общая исследовательская как теоретическая (коллектив исследователей),  так и экспериментальная база (экспериментальных стенды, обслуживающий их персонал) имеют не сосредоточенный характер (сконцентрированы в одном месте), а распределены в связи с историческим развитием соответствующих научно-исследовательских учреждений в разных городах России. Разработка теплоносителей (ТН) для газификации остатков топлива в баках отработавших ступеней РН осуществляется на основе сжигания газогенерирующих составов (ИХКГ), в свою очередь, требования к ТН формируются на основе сжигания газифицированных остатков топлива в модельном ракетного двигателе (на соответствующем оборудованном стенде в Томском госуниверситете). Процесс газификации остатков топлива осуществляется на стенде в  Омском гостехуниверситете, который является головным исполнителем и формируются исходные данные на исследования всем участникам проекта. Передача продукта после каждого исследования на другой этап в его реальном физическо-химическом состоянии не возможна из-за удалённости. В этой связи исходные продукты для исследования на каждом этапе формируются на основе приготовления соответствующей смеси: а) сжигание газогенерирующих составов для получения ТН осуществляется в ИХКГ СО РАН (Новосибирск), ИПХФ РАН (Черноголовка), определяется  физикой химический состав продуктов сгорания и передаётся в ОмГТУ; б)ТН  в ОмГТУ изготавливается на основе смешения газов, моделирующий составТН для газификации модельных жидкостей; определяется состав продуктов газификации и передаётся в ТГУ; в) в Томском госуниверситете (НИИ прикладной механики и математики) изготавливают модельные продукты газификации и сжигаются в модельном ракетном двигателе для оценки эффективности используемых ТН.

На соответствующем этапе НИЭР используются методы газовой динамики (исследование процессов горения), методы тепло-и массообмена (испарения остатков топлива в замкнутой ёмкости). Каждый этап исследуемого процесса (а,б,в) описывается соответствующими математическими и физическими моделями.   

Результаты исследования

На соответствующем этапе исследования (пятый, завершающий) получены следующие основные результаты.1). Предложены газогенерирующие составы для испарения наиболее критичного, с точки зрения взрывоопасности и замерзания при сбросе из бака через систему дренажа, компонента ракетного топлива - кислорода. Такими газогенерирующими составами являются азот или кислород содержащие энергетические составы, например,64,7%NaN3 +35,3%KMNO4 и т.д.2) Исследования процессы газификации остатков жидкого топлива, показано, что наличие газа наддува в баке, ТН существенно уменьшает концентрацию компонента топлив. Отсюда формируются требования к составу ТН для обеспечения приемлемые физико-химический свойств продуктов газификации, как для подачи в камеру сгорания для их сжигания или сброса через сопла газореактивной системы для стабилизации и ориентации отработавшей ступени РН, например, при её движении на атмосферном участке траектории спуска. 3) В части утилизации продуктов газификации сформулированы возможные варианты их Использования!  Являетесь том числе и при вдуве в погранслой  отработавшей ступени. Показано существенное снижение эффективности газореактивных сопел за счёт динамической составляющей набегающего потока атмосферы (запирание сопла ) и повышение эффективности вдува газа в погранслой для формирования управляющих моментов. 4) Проведены модернизации экспериментальных стендов для проведения дальнейших исследований в этом направлении. 5) Подготовлена инженерная записка и проект технического задания для развертывания работ на этапе опытно-конструкторских работ (Аванароект).                  6) Представлены совместно с ЦНИИМАШ, АО ГРЦ "Прогресс" (разработчик РН семейства Союз) и КБ Салют (разработчик РН семейства Ангара), предложения о включении этих работ в федеральный космическую программу.   

Сравнительный анализ проведенных исследований   с мировым уровнем исследований в данном направлении, представление докладов по результатам исследований на международных симпозиумах, семинарах, конференциях, полученные патенты, публикации в журналах, цитируемых в Scopus  показывает, что проводимые исследования отличаются прежде всего оригинальностью постановки задачи исследований, используемыми методами исследований и отвечают мировому уровню.  

Практическая значимость исследования
Результаты исследований - методы разработки активной бортовой системы спуска отработаных ступеней РН, как с орбит выведения полезных нагрузок (преимущественно для вторых отработанных ступеней РН с маршевыми ЖРД), так и с траекторий их выведения (преимущественно для первых отработавших ступенй с маршевыми ЖРД).
Применение этих бортовых систем позволит прекратить поступление отработавших ступеней в защищаемые области околоземного космического пространства, обеспечить их взрывобезопасность, а для первых отработавших ступеней сократить размеры площадей падения до размеров эллипса рассеивания с поуомями до 1 - 2 км, обеспечив пожаровзрывобезопасность нижних отработавших ступеней РН.
Результаты исследований планируется использовать в РН с маршевыми жидкостными ракетными двигателями, в частности, при выпуске аванпроекта совместно с ЦНИИмаш, ГРЦ "Прогресс", КБ Салют в 2017 г.