научная статья по теме РАЗРАБОТКА ПРОГРАММНО-МАТЕМАТИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ДЛЯ АНАЛИЗА ПРИЧИН ВОЗНИКНОВЕНИЯ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ АНОМАЛИЙ В РАБОТЕ УРОВНЕМЕРОВ ЖИДКОСТНЫХ РАКЕТ-НОСИТЕЛЕЙ Энергетика

Текст научной статьи на тему «РАЗРАБОТКА ПРОГРАММНО-МАТЕМАТИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ДЛЯ АНАЛИЗА ПРИЧИН ВОЗНИКНОВЕНИЯ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ АНОМАЛИЙ В РАБОТЕ УРОВНЕМЕРОВ ЖИДКОСТНЫХ РАКЕТ-НОСИТЕЛЕЙ»

УДК 681.2.08

РАЗРАБОТКА ПРОГРАММНО-МАТЕМАТИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ДЛЯ АНАЛИЗА ПРИЧИН ВОЗНИКНОВЕНИЯ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ АНОМАЛИЙ В РАБОТЕ УРОВНЕМЕРОВ ЖИДКОСТНЫХ РАКЕТ-НОСИТЕЛЕЙ

А. Я. Андриенко, Е. И. Тропова, А. И. Чадаев

Разработано программно-математическое обеспечение для расчета изменения температуры, плотности и состава газа внутри полости уровнемера топлива с учетом конденсации и стекания топлива по поверхности элементов конструкции уровнемера (в процессе полета жидкостной ракеты). Представлена базовая версия этого пакета программ, предназначенная для проведения анализа физико-технических причин проявления эксплуатационных аномалий в работе уровнемеров жидкостных ракет-носителей типа Р-7. Ключевые слова: эксплуатационные аномалии, уровнемеры жидкостных ракет-носителей.

ВВЕДЕНИЕ

В процессе почти полувековой эксплуатации системы управления опорожнением баков и синхронизации в составе ракет-носителей типа Р-7 [1] проявились аномалии в действии ее бортовых приборов и уровнемеров [2] компонентов топлива — аномалии, нашедшие отражение в статистике замечаний к работе рассматриваемой системы опорожнения, сделанных по результатам пусков ракет этого класса.

Производственно-эксплуатационные мероприятия, а также электротехнические доработки бортовых приборов системы опорожнения топливных баков, выполненные к концу XX в., позволили устранить проявление значительной части аномалий в действии этих приборов и слабо сказались на тех аномалиях, что возникают в работе уровнемеров. Поэтому в итоге обработки отдельных фрагментов статистики замечаний, относящихся к различным годам эксплуатации ракет-носителей, была выявлена [3 и др.] и формализована стационарная составляющая аномалий в работе системы опорожнения, представленная потоком уровнемерных аномалий, интенсивность проявления которых практически неизменна во времени и слабо зависит от электросхемных изменений в бортовых приборах системы. Это свидетельствует, скорее всего, о существовании некоторых физико-технических причин аномалий в работе уровнемерных трактов системы опорожнения топливных баков — причин, связанных с теп-лофизической спецификой условий работы чувствительных элементов (ЧЭ) уровнемеров в баках ракет-носителей.

Для уяснения этой специфики и решения проблемы уровнемерных аномалий в работе рассматриваемой системы необходимо:

— разработать программно-математическое обеспечение для анализа физико-технических причин проявления эксплуатационных аномалий

в действии уровнемеров системы опорожнения в виде методики и программы расчета распределения (во внутренней полости уровнемера) тепло-физических параметров газа наддува в процессе опорожнения баков;

— провести компьютерный анализ теплофизи-ческих условий работы ЧЭ уровнемеров в баках боковых и центрального блоков ракет типа Р-7 с оценкой влияния этих условий на возможность возникновения аномалий в действии уровнемеров.

В статье реферативным образом представлены работы по первому из двух указанных разделов.

ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ

В качестве исходных данных для проведения работ принимались предоставленные организацией "ЦСКБ-Прогресс" следующие данные:

• компоновочные схемы баков и уровнемеров боковых и центрального блоков;

• толщины стенок баков (корпуса и днища) и кожухов уровнемеров;

• размещение ЧЭ в уровнемерах;

• размеры и число пластин каждого из ЧЭ уровнемеров;

• давления газов предстартового наддува баков;

• силовые деформации баков (в том числе на участке разделения);

• температура и состав газов наддува на входе в баки окислителя и горючего;

• программные изменения во время полета ракеты:

— давления газовых подушек в баках;

— среднебаковых температур газовых подушек в баках окислителя и горючего;

— теплопритоков к бакам окислителя и горючего при их аэродинамическом нагреве во время полета;

— скоростей опускания уровней компонентов топлива в баках во время полета.

МОДЕЛЬ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ИЗМЕНЕНИЯ РАСПРЕДЕЛЕНИЙ ПАРАМЕТРОВ ГАЗА В УРОВНЕМЕРАХ

Базовая модель теплофизических процессов изменения (во время полета) распределений параметров газа в уровнемерах боковых и центрального блоков реализована в виде программно-математического обеспечения, позволяющего воспроизводить на современных персональных компьютерах следующие процессы в их взаимосвязи:

1. "зарождения" (у верхней кромки кожуха уровнемера) газового слоя и последующего перемещения (опускания) его при опорожнении бака;

2. теплообмена каждого газового слоя со смежными (верхним и нижним) слоями, с сопредельным сегментом кожуха уровнемера и с чувствительным элементом, попавшим в этот слой;

3. изменения состояния (плотности, температуры и т. д.) газового слоя с учетом теплообмена и программного изменения давления газовой подушки в баке;

4. теплообмена сегмента стенки кожуха, находящегося в контакте с данным газовым слоем, с сопредельными сегментами стенки и с газом вне кожуха уровнемера; при моделировании принималось, что в базовой модели температура газа вне кожуха совпадает с программным значением среднебаковой температуры газовой подушки;

5. испарения и конденсации компонента топлива (с сопутствующим поглощением и выделением тепловой энергии, увеличением или снижением массы газового слоя);

6. тепловой конвекции слоев газа внутри кожуха уровнемера;

7. образования жидкой пленки на поверхностях чувствительного элемента при прохождении через него уровня компонента топлива;

8. стекания пленки с поверхностей чувствительного элемента к его нижним кромкам;

9. падения капель, образовавшихся в результате конденсации компонента топлива на поверхностях чувствительного элемента и срыва стекшей части пленки с ее нижних кромок.

Расчетные соотношения, описывающие процессы, указанные в пп. 1—6, не выходят за рамки тех, что обычно применяются при исследовании и разработке пневмогидравлических систем подачи топлива в ЖРД [4—6], и поэтому в статье эти соотношения не приводятся. Процесс п. 9 является типовым для демонстрации вычислений в аэродинамике.

При описании процесса образования жидкости пленки (п. 7) использовалась полученная на основе исследований [7] формула:

5 =

V0'667 (р)0'167 у0,667 0,5

уГ' Кпу| + 0,6[) |^у|,

0,5

где 5 — толщина жидкой пленки на элементе конструкции в момент выхода ее из жидкого компонента, м; р, V — плотность и кинематическая вязкость жидкого компонента топлива, кг/м3, м/с; g — кажущееся ускорение ракеты, м/с2; 5 — коэффициент поверхностного натяжения, н/м; Уж — скорость опускания жидкого компонента, м/с; у — угол между зеркалом жидкости и поверхностью элемента конструкции.

При описании процесса стекания пленки (п. 8) в условиях действия виброперегрузок применялась модель в виде аддитивной смеси трех процессов: пленка с верхних (поперечных) кромок ЧЭ постепенно стягивается силами поверхностного натяжения пленки, стекающей с продольных элементов ЧЭ; пленка с верхних кромок ЧЭ под воздействием вибраций сбрасывается поверх пленки на продольных элементах, увеличивая их импульс движения; пленка с верхних кромок сбрасывается под действием вибраций мимо пленки на продольных элементах. Каждый из этих парциальных процессов описывается известными уравнениями гидродинамики. Коэффициенты представленной смеси процессов определяются интенсивностью виброускорений.

Для повышения достоверности результатов исследования, получаемых на основе моделирования процессов, указанных в пп. 1—9, структура программно-математического обеспечения была усовершенствована.

Вначале определялось распределение параметров газа в баке — с использованием соотношений, описывающих процессы пп. 1—5. Но при этом осуществляется корректировка значений возмущающих факторов и параметрического обеспечения: теплоприток от газа "вне кожуха уровнемера" (см. п. 4) заменяется на теплоприток к стенкам бака от аэродинамического нагрева, значение диаметра кожуха уровнемера заменяется на значение диаметра бака. На данном этапе на вход объекта (в бак) поступает газ наддува непосредственно из насадков ввода газа; параметры возникающей при этом принудительной аэрации газа в баке назначаются из условия совпадения модельной "среднебаковой" температуры с заданной.

Затем определялось распределение параметров газа в кожухе уровнемера; при этом в п. 4 вместо среднебаковой температуры газовой подушки учитывается определенная на предыдущем этапе температура слоя газа в баке, примыкающего к сегменту стенки кожуха. На этом этапе на вход объекта (в кожух уровнемера) поступает газ из верхнего слоя газовой подушки бака; считается, что принудительная аэрация внутри кожуха отсутствует.

Отметим еще одно различие объектов двух данных этапов — это значительная разница в коэффициентах аст теплоотдачи от газа к стенке бака и к

38 _ Sensors & Systems • № 3.2009

стенке кожуха уровнемера, определяемых из реализованного в модели соотношения:

Т \ 0,256

= II ММЛА/л!/ ± I _ ^

*-ст

ас

°>0045№)0'8^ У27У

где Б — диаметр сегмента (бака или кожуха), для которого определяется коэффициент теплоотдачи, м; Тг — температура газа в сегменте. Отметим, что данное соотношение получено из критериального уравнения [8] конвективного теплообмена потока азота (или кислорода) со стенками канала: N = 0,018Re0,8, где ^ — критерий Нуссельта; Re — критерий Рейнольдса.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Для кардинального решения проблемы проявления аномалий в работе уровнемеров, входящих в состав системы управления опорожнением топливных баков ракет-носителей типа Р-7, следует:

— на основе применения представленного в статье программно-математического обеспечения провести анализ теплофизических факторов проявления аномалий в работе уровнемеров,

— провести сверку данных, полученных в результате этого анализа, с параметрами аномальных ("ложных") сигналов, поступавших по телеметрии при эксплуатации системы опорожнения баков,

— разработать практически реализуемые рекомендации по устранению физико-технических причин возникновения уровнемерных аномалий.

ЛИТЕРАТУРА

1. Андриенко А. Я., Иванов В. П., Портнов-Соколов Ю. П. Системы управления расходованием топлива жидкостных ракет. История создания и пути развития // Космонавтика

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком