Методы применения газообразных хладагентов для имитации эксплуатационных температур криогенных топливных баков ракет космического назначения с целью повышения эффективности экспериментальной отработки их прочности тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Юранёв Олег Александрович

• Юранёв Олег Александрович
• кандидат наук
• 2023

Оглавление диссертации кандидат наук Юранёв Олег Александрович

Оглавление..........................................................................................Стр

Список сокращений

Введение

Глава 1. Сравнительный анализ различных методов охлаждения металлических конструкций до криогенных температур

1.1 Способы охлаждения металлических конструкций в машиностроении

1.2 Охлаждение испытуемых изделий РКТ жидким хладагентом

1.3 Охлаждение изделий РКТ газообразным хладагентом

1.4 Выбор теплоизоляции

1.5 Минимизация теплопритоков

Глава 2. Расчет различных способов температурного нагружения водородного, метанового и кислородного баков

2.1 Расчет охлаждения водородных баков до температуры 20 К с помощью газообразного гелия

2.1.1 Расчет охлаждения водородных баков с помощью газообразного гелия в диапазоне температур 293-20 К

2.1.2 Расчет охлаждения водородных баков с помощью газообразного гелия в интервале температур 80-20 К

2.2 Расчет охлаждения кислородных и метановых баков до температур 90 К и 112 К с помощью газообразного азота

Глава 3. Экспериментальное обоснование процесса охлаждения баков газообразным хладагентом

3.1 Исследование захолаживания баков парами жидкого азота на маломасштабном баке путем его подачи в нижнюю часть бака

3.2 Исследование захолаживания баков парами жидкого азота на полномасштабном баке путем его подачи в нижнюю часть бака

3.3 Экспериментальное исследование захолаживания баков парами жидкого азота путем сброса давления

Стр

3.4 Экспериментальное исследование захолаживания баков азотной капельно-газовой смесью, подаваемой сверху бака

Глава 4 Разработка методики испытаний метановых и водородных баков

4.1 Обобщенная методика испытаний водородных баков

4.2 Обобщенная методика испытаний метановых баков

4.3 Разработка и обоснование технологической схемы криогенной гелиевой системы

4.4 Разработка и обоснование схемы системы измерений и сбора данных при проведении криогенно-статических испытаний

4.5 Разработка специальных мер по защите испытательного оборудования, оснастки и испытательных боксов от воздействия криогенных температур

Основные выводы и заключение

Список литературы

Приложение

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

АО - акционерное общество

ГКНПЦ - государственный космический научно-производственный центр

КБ - конструкторское бюро

КГС - криогенная гелиевая система

КГУ - криогенная гелиевая установка

КТПИ - комплексные температурно-прочностные испытания

НЭО - наземная экспериментальная отработка

ОИ - объект испытаний

ПВХ - поливинилхлорид

ППУ - пенополиуретан

РБ - разгонный блок

РКК - ракетно-космическая корпорация

РКН - ракета космического назначения

РКТ - ракетно-космическая техника

РКЦ - ракетно-космический центр

РН - ракета-носитель

УТВ - ультратонкое волокно

ЭПС - экструдированный пенополистирол

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования

В России продолжается создание новых космических транспортных средств, функционирующих на основе использования криогенных компонентов топлива: жидких водорода, кислорода, метана. Переход на криогенные компоненты топлив является перспективным и приоритетным направлением в ракетно-космической отрасли. Важное значение при этом приобретают вопросы отработки криогенной прочности топливных баков. Опыт работы с жидким водородом в нашей стране не так велик по сравнению с американскими и европейскими космическими программами. До летных испытаний доведены только два водородных бака - это крупногабаритный бак блока «Ц» РН «Энергия» (2 пуска) и водородный бак разгонного блока 12КРБ, который эксплуатируется в составе индийской ракеты GSLV. То есть имеется опыт разработки баков, доведения их до летных испытаний, а опыта серийного производства и эксплуатации баков по сути дела нет.

В преддверии отработки прочности РКН и РБ нового поколения необходимо усовершенствовать технологии их экспериментальной отработки, в том числе в части правильной имитации температурных полей, с учетом новых задач и тенденций по сравнению с предшествовавшим периодом. Способы усовершенствования методик температурного нагружения изделий при проведении лабораторных криогенно-статических прочностных испытаний разрабатываются с учетом основных целей и задач развития экспериментальной базы отработки прочности и динамики, а также основных положений идеологии наземной отработки прочности и динамики, изложенных в том числе в Федеральных космических программах на 2011 - 2025 гг. [1,2,3].

Объективная необходимость экспериментального исследования прочности конструкций при эксплуатационных температурах состоит в том,

что возникающие температурные напряжения могут существенно влиять на прочность и жесткость конструкции, степень влияния которых трудно, а порою и невозможно предсказать расчетом, даже используя высокоэффективные численные методы и мощную вычислительную технику. А для получения объективной и достоверной информации о влиянии температуры на свойства конструкций необходимо задавать на конструкции температурные поля, максимально приближенные к эксплуатационным. Зачетным прочностным статическим испытаниям должны подвергаться все разрабатываемые ступени носителей. При их проведении должны имитироваться эксплуатационные температуры испытываемого объекта, поскольку они влияют на свойства материалов и, следовательно, на прочность и жесткость конструкции.

Значительный вклад в решение проблем проведения криогенно-статических испытаний ракетно-космических конструкций внесли специалисты предприятий отрасли, в том числе теоретики и экспериментаторы ЦНИИмаш: С.Н. Давыдов, М.Б. Ерофеев, А.В. Кармишин, В.В. Краев, В.М. Санников, А.Ф. Сивогривов, С.Н. Сухинин, Я.Г. Осадчий, А.Т. Цыбров и др. [4,5]. Активная работа велась и в других научных, испытательных и образовательных центрах, таких как РКЦ «Прогресс», ЦАГИ, МГТУ им. Н.Э. Баумана и др. Особо следует отметить работы В.Л. Ноткина [6,7] и В.С. Зарубина [8-12], Ю.К. Калинина, Г.А. Дейцера.

Степень разработанности темы

Вопрос отработки прочности криогенных баков возник в конце 70-х годов ХХ века, когда появилась задача по отработке прочности водородного бака блока «Ц» ракеты-носителя (РН) «Энергия» при эксплуатационных температурах. В этот период начались активные проработки обликов экспериментальных баз отрасли для проведения криогенно-статических испытаний. Самые известные и крупные из них - это корпус комплексных температурно-прочностных испытаний в АО «ЦНИИмаш» (г. Королёв), экспериментальные базы в АО «РКЦ «Прогресс» (г. Самара) и АО «ГКНПЦ им. М.В. Хруничева» в Фаустово.

Цель диссертационной работы:

- разработка методов захолаживания газообразными хладагентами криогенных топливных баков ракет космического назначения для повышения их конструктивно-массового совершенства путем задания их истинного напряженно-деформированного состояния при испытаниях.

Задачи диссертационной работы:

- анализ существующих подходов по захолаживанию криогенных топливных баков;

- разработка методов захолаживания, позволяющих задать истинное напряженно-деформированное состояние криогенных топливных баков ракет космического назначения и минимизировать затраты на обеспечение имитации эксплуатационной температуры при их прочностных испытаниях;

- разработка физико-математической модели теплового состояния криогенных баков для предложенных методов захолаживания при их прочностных испытаниях с учетом протекания нестационарных процессов;

- оценка время захолаживания криогенных баков рассматриваемыми методами с целью разработки методик по их применению;

- экспериментальное подтверждение разработанных методов захолаживания;

- разработка методик по применению предложенных методов захолаживания при отработке температурно-статической прочности новых изделий ракетно-космической техники.

Научная новизна работы:

1. Впервые разработан и теоретически обоснован метод захолаживания криогенных топливных баков посредством циркуляции холодного гелия по замкнутому контуру с использованием гелиевого рефрижератора, позволяющий проводить охлаждение конструкций до любого температурного уровня, вплоть до 20 К;

2. Впервые разработан и подтвержден экспериментально метод захолаживания криогенных топливных баков посредством фонтанирования

капельно-газовой смеси специальным разбрызгивателем, установленным в верхней части бака, на внутреннюю поверхность бака. Этот метод позволяет, имитировать в баках температуры, близкие к температуре кипения жидкого метана и жидкого кислорода;

3. Разработан и теоретически обоснован метод захолаживания криогенных топливных баков посредством орошения жидким азотом внешней поверхности бака.

Теоретическая и практическая значимость работы:

- использование разработанных новых методов на практике позволит выявить истинное напряженно-деформированное состояние конструкций РН и РБ, возникающее от воздействия температуры в условиях эксплуатации, повысит достоверность и информативность экспериментальных результатов;

- использование методов на практике позволит повысить конструктивно-массовое совершенство конструкций, в том числе при учете их криогенного упрочнения;

- результаты работы, приведенные в диссертации, применяются в настоящее время и будут использованы в дальнейшем для проведения наземной экспериментальной отработки изделий, разрабатываемых ПАО «РКК «Энергия», АО «ГКНПЦ им. М.В. Хруничева», АО «РКЦ «Прогресс».

Результаты работы внедрены в АО «ЦНИИмаш» в части создания методики по захолаживанию кислородных баков перспективных РН и выпуска стандарта организации «Имитация эксплуатационных температур и внутреннего давления при статических прочностных испытаниях сборок кислородных и метановых топливных баков ракет-носителей среднего и тяжелого классов».

Методология и методы исследования

В работе использованы:

- аналитические и численные методы решения задач теплообмена в сплошной среде, использующие уравнения теплопроводности и теоретические основы теплопередачи;

- экспериментальные методы захолаживания с использованием жидкого

азота;

- методы регистрации, обработки и анализа параметров температурных полей.

Положения, выносимые на защиту:

- метод захолаживания топливных баков ракет-носителей и разгонных блоков посредством циркуляции по замкнутому контуру холодного газообразного гелия;

- метод захолаживания топливных баков ракет-носителей и разгонных блоков посредством фонтанирования капельно-газовой смеси на внутреннюю поверхность бака специальным разбрызгивателем, установленным в верхней части бака;

- тепловая физико-математическая модель оценки процесса захолаживания емкостей криогенными теплоносителями.

Степень достоверности и апробация результатов

Достоверность результатов подтверждена использованием классических соотношений учения о теплообмене и проведенными экспериментами.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Методы применения газообразных хладагентов для имитации эксплуатационных температур криогенных топливных баков ракет космического назначения с целью повышения эффективности экспериментальной отработки их прочности»

Апробация работы

Результаты проведенных исследований докладывались и обсуждались на отраслевых и всероссийских конференциях, в том числе:

- на молодежной научно-технической конференции «Инновационный арсенал молодежи 2012», (г. Санкт-Петербург, 2012 г.);

- на Международном Аэрокосмическом Конгрессе 1АС'12 (г. Москва, 2012 г.);

- на XXXVIII Всероссийской конференции, посвященной 75-летию Южно-Уральского государственного университета (г. Миасс Челябинской обл., июнь 2018 г.);

- на 64-й Всероссийской научной конференции МФТИ (Москва, 2021 г.).

Разработан эскизный проект и рабочая конструкторская документация на гелиевую криогенную систему.

Личный вклад автора заключается:

- в непосредственном участии в разработке метода охлаждения баков циркуляцией холодного гелия, его расчетном обосновании, подготовке публикаций и личных выступлениях с докладами по выполненной работе;

- в разработке метода захолаживания топливных баков ракет-носителей и разгонных блоков посредством фонтанирования капельно-газовой смеси специальным разбрызгивателем, установленным в верхней части бака, на внутреннюю поверхность бака, его экспериментальном подтверждении, получении и обработке результатов эксперимента;

- в разработке научно-методических основ совершенствования методов прочностных испытаний конструкций ракет-носителей и разгонных блоков посредством более точного имитирования температурных полей конструкции.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 [13-23] работ, из них 6 в журналах перечня ВАК [13,14,15,19,21,23].

Объем и структура диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка использованной литературы из 108 наименований. Она изложена на 146 страницах, содержит 30 рисунков и 4 таблицы.

Дальнейшие научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы целесообразно проводить в следующих направлениях:

- разработка и изготовление криогенной гелиевой системы, , работающей по замкнутому циклу, способной подвести к объекту захолаживания гелий с температурой не выше 20 К;

- разработка и изготовление разбрызгивателя жидкого азота.

Содержание работы

В первой главе приведен обзор существующих методов охлаждения конструкций. Проанализирована технология охлаждения конструкций жидким

и газообразным хладагентами. Сформулированы предложения по использованию того или иного метода в различных случаях.

Во второй главе представлены результаты расчетов охлаждения водородного, метанового и кислородного баков. Расчеты проведены в аналитической постановке. Расчет захолаживания кислородного и метанового бака проведен с использованием как газообразного, так и жидкого азота, водородного бака - с использованием газообразного гелия. Особое внимание уделяется ранее никогда не использованной схеме охлаждения бака до температуры жидкого водорода при помощи газообразного гелия. Результаты расчета показывают, что охлаждение топливных баков газообразными хладагентами является реализуемой технологией с продолжительностью захолаживания, сопоставимой с продолжительностью захолаживания классическим методом.

В третьей главе представлены результаты проведенных экспериментов, в которых проводились исследования захолаживания баков газообразным азотом различными методами, а именно: парами жидкого азота, парами жидкого азота путем сброса давления, азотной капельно-газовой смесью. Эксперименты показали, что наиболее эффективным методом захолаживания с точки зрения равномерности и скорости является метод захолаживания азотной капельно-газовой смесью, который и предлагается использовать при наземной экспериментальной отработке прочности кислородных и метановых баков.

В четвертой главе приводится описание методики испытаний водородных и метановых баков на основе разработанных технологий захолаживания крупногабаритных конструкций изделий РКТ. При проведении испытаний на прочность метановых баков предлагается использовать метод захолаживания азотной капельно-газовой смесью, а водородных баков - метод охлаждения холодным газообразным гелием, охлажденным в гелиевом рефрижераторе.

Приведена принципиальная схема гелиевой рефрижераторной установки, которую можно реализовать на предприятиях ракетно-космической отрасли для отработки прочности криогенных баков.

Даны рекомендации по использованию измерительных средств при проведении криогенно-статических испытаний. Приведена схема измерительной системы.

В конце главы предложены способы защиты испытательного оборудования и боксов от вредного воздействия низких температур и динамического воздействия, которое может возникнуть при разрушении баков.

ГЛАВА 1. СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ РАЗЛИЧНЫХ МЕТОДОВ ОХЛАЖДЕНИЯ КОНСТРУКЦИЙ ДО КРИОГЕННЫХ ТЕМПЕРАТУР

1.1 Способы охлаждения металлических конструкций в машиностроении

В большинстве своих случаев охлаждение конструкций происходит веществами, температура кипения которых находится в области отрицательных температур и которые являются инертными по отношению к металлам и материалам. Основные такие вещества представлены в Таблице 1.

Можно выделить несколько основных методов захолаживания конструкций.

Первый - это конвективный способ захолаживания с помощью жидкого хладоносителя (хладагента). Суть способа заключается в передаче холода от жидкого хладагента, заполняющего внутреннюю полость ОИ. Хладоноситель может заранее захолаживаться до требуемой температуры, а затем заливаться в ОИ. В данном случае в роли хладоносителя чаще всего выступает этиловый спирт, температура замерзания которого составляет 158,7 К (минус 114,3 оС), который с помощью других хладагентов можно охладить до требуемой температуры. В этих схемах при заливке температура хладоносителя должна быть несколько ниже требуемой, чтобы в условиях температурного равновесия после выдержки ОИ имел бы требуемую для испытания температуру. Для охлаждения до более низких температур используют жидкий азот.

Однородность температурного поля ОИ в такой схеме обеспечивается большим холодосодержанием хладагента и малым термическим сопротивлением стенки ОИ.

Следующий метод - конвективный способ захолаживания внутри стационарного устройства. Такими устройствами являются обычные промышленные ванны или камеры с жидкими или низкотемпературными

хладоносителями. Эти стационарные устройства могут использоваться для термопрочностных испытаний только после существенных доработок или путем создания специализированных стендов, которые должны обеспечивать ударно-динамическую стойкость в момент разрушения ОИ и силовое нагружение ОИ без нарушения однородности его температурного поля. Захолаживание в таких устройствах производится, как правило, путем заливки камеры и внутренней полости ОИ одновременно или путем заливки только полости самого устройства. Во всех случаях основное требование заключается в том, чтобы скорость заливки не превышала скорости распространения «тепловой волны» по направлению движения уровня. Такая скорость захолаживания обеспечивает минимально возможные температурные напряжения, что весьма важно для ракетных конструкций, имеющих небольшие запасы прочности.

Третий метод - конвективный способ захолаживания посредством газообразного хладоносителя. Холодный газ подается на наружную поверхность или во внутреннюю полость ОИ обычно в виде неизотермических струй и под действием естественной или вынужденной конвекции обтекает стенки, тем самым охлаждая их. Таким же способом можно охлаждать ОИ снаружи в специальной камере подобно предыдущему способу. Стенки камеры желательно делать из теплоизоляционного материала наподобие сэндвич-панелей, применяемых в строительстве. В качестве холодного газа обычно используется холодные газообразные азот и гелий, а также холодная азотно-воздушная смесь.

Отметим также про контактные методы захолаживания. Лидером по практическому использованию здесь является углекислота, или «сухой лед», температура плавления которого составляет 201 К (минус 72 оС). Поэтому «сухой лед» активно используется в испытаниях на климатические воздействия, где обычно необходимо достигнуть температуры минус до 60 оС.

При наземной экспериментальной отработке изделий РКТ наибольшее распространение получили первый и второй способ захолаживания

конструкций с применением жидкого азота. Эти способы применялись при НЭО прочности РН «Энергия», РБ 12КРБ, РН «Ангара», а также «криогенного» самолета Ту-155 [24,25,26].

Проанализируем другие криогенные жидкости с точки зрения возможности их внедрения в практику охлаждения криогенных конструкций. Согласно таблице 1 наиболее близкой по температуре кипения жидкостью к жидкому метану является сжиженный криптон. Небольшая разница в температурах кипения (9 К) делает криптон идеальным веществом для имитации температуры жидкого метана, но очень большая разница в плотностях (примерно в 5 раз) и высокая стоимость криптона делает его непригодным для этих целей. Следующее вещество - жидкий аргон, имеющий близкую температуру кипения и плотность, превышающую плотность жидкого метана почти в 3 раза. Это обстоятельство затрудняет проведение адекватного воспроизведения внутреннего давления вдоль обечайки бака. Жидкий азот по сравнению с аргоном имеет преимущество в стоимости и в том, что его плотность выше плотности жидкого метана только в 2 раза. Недостатком же является более существенная разница в температурах кипящих жидкостей.

Что касается кислорода, то (Таблица 1 ) наиболее близкой к нему по температуре кипения жидкостью является сжиженный аргон. Малая разница в температурах кипения (3 К), не очень большая разница в плотностях (примерно в 1,2 раза) и приемлемая стоимость делают аргон идеальным веществом для имитации температуры жидкого кислорода. Жидкий азот уступает жидкому аргону как в разнице температур, так и в разнице плотностей кипящих жидкостей, единственное преимущество - более низкая стоимость.

Температуру жидкого водорода можно имитировать жидким неоном, температура кипения которого всего лишь на 7 К выше. В этом случае разница в изменении механических свойств материала баков будет несущественной. Но разница в плотностях в 17 раз не позволит проводить испытания водородных баков без обезвешивания. Использование жидкого гелия в этом случае

нецелесообразно из-за слишком низкой температуры и чересчур высокой стоимости (Таблица 1 ).

Можно также упомянуть о такой распространенной жидкости, как этиловый (или денатурированный) спирт, принимая во внимание тот факт, что температура его замерзания (вплоть до минус 114 оС) близка к криогенной. Однако спирт сам по себе пожароопасен и поэтому имитировать им другое пожароопасное горючее вряд ли целесообразно. Для полноты обзора также стоит упомянуть о таких потенциальных хладагентах как ацетон (температура замерзания минус 94 оС) и метиловый спирт (температура замерзания минус 98 оС). Их применение несовместимо с вопросами охраны здоровья персонала, требует соблюдения известных мер предосторожности и нецелесообразно для крупногабаритных ОИ.

Также существует способ охлаждения с использованием барботажа, когда жидкость охлаждается путем подачи в нее криогенной жидкости, которая вскипает, а образующиеся пузырьки холодного газа, поднимаясь вверх, охлаждают жидкость во всем объеме [27,28,29,30]. Таким методом можно охладить конструкцию, в которую залита жидкость, при условии, что в нее непосредственно нельзя залить криогенную жидкость.

Таблица 1.

Основные характеристики криогенных жидкостей и их заменителей [31,32,33]

Характеристика Углекислота Этиловый спирт Ксенон Криптон Метан Кислород Аргон Азот Неон Водород Гелий

Температура кипения К 195 185* 166,1 120,5 111,7 90,2 87,3 77,4 27,1 20,4 4,2

Плотность насыщенной жидкости кг/м3 771 789 3520 2155 424,5 1140 1400 808 1200 71 125

Теплота испарения кДж/ моль - - 12,65 9,05 - - 6,45 1,74 - 0,08

Объем газа, образованног о из 1 л жидкости л - - - - - 850 790 650 1330 790 710

Цена газа** тыс. руб./м3 0,050 - 900 60 0,060 0,074 0,218 0,061 4,000 0,390 0,700

Цена сжиженного газа** тыс. руб./т 8,0 - - - 24,0 70,0 80,0 60,0 - 300,0 6200,0

* Температура замерзания

** ориентировочно на 2021 г.

1.2 Охлаждение испытуемых изделий РКТ жидким хладагентом при проведении прочностных испытаний

Применяемые в нашей стране методы проведения криогенно-статических испытаний крупногабаритных сборок и узлов изделий РКТ предполагают для использования в качестве хладагента только жидкий азот для всех значений температур (температуры жидких кислорода, метана и водорода). Поэтому этот метод захолаживания можно назвать «классическим». Он заключается в заливке в охлаждаемые емкости жидкого азота, при этом практически вся поверхность бака принимает одну и ту же температуру (минус 196 оС). Этим способом захолаживались все криогенные баки, которые проходили отработку прочности в СССР и России. Он стал популярным благодаря относительной дешевизне жидкого азота, инертности к материалам и пожаровзрывобезопасности [19].

Одно из основных требований к захолаживающим жидкостям -близость к физическим характеристикам криогенных топлив. По этому показателю жидкий азот (Таблица 1) более близок к жидкому кислороду (и по температуре кипения, и по плотности), зато далек от жидкого метана и жидкого водорода (как по температуре кипения, так и по плотности). Следует сказать, что нижние днища метановых и водородных баков при расчетном давлении могут не выдержать гидростолба жидкого азота из-за большой разницы в плотностях (почти в 2 раза для жидкого метана и 12 раз для жидкого водорода). Поэтому для отработки и опрессовки водородного бака блока «Ц» РН «Энергия» в ЦСКБ-Прогресс в 80-е годы прошлого столетия был создан специальный стенд, позволяющий обезвешивать баки во время испытаний (Рисунок 1.1). Специалисты ЦНИИмаша в те годы считали задачу полномасштабных испытаний с жидким водородом технически вообще невыполнимой [2]. Суть обезвешивания заключалась в том, что бак помещался в специально спроектированный стенд криогенно-статических испытаний, который так же, как и бак заливался жидким азотом. В итоге

жидкий азот находился как внутри, так и снаружи бака, что позволяло обнулить воздействие гидростолба. Для крупногабаритных баков требовался колоссальный объем жидкого азота (в объеме не менее двух объемов бака), что существенно влияло на стоимость испытаний и требовало наличие большого парка криогенных резервуаров для его хранения (в ЦСКБ-Прогресс для этих целей использовались двенадцать криогенных резервуаров РЦГ-225

-5

емкостью 225 м каждый) [19].

Следует сказать, что экспериментальная отработка температурно-статической прочности блоков «А» и «Ц» РН «Энергия» в 1980-х годах проводилась как в ЦСКБ-Прогресс, так и в ЦНИИмаш. При этом испытания полноразмерных ОИ проходили в ЦСКБ-Прогресс, а в ЦНИИмаш осуществлялась отработка конструктивных решений на маломасштабных моделях и проводились испытания частей криогенных баков «О» и «Г» блоков «А» и «Ц».

Для того, чтобы избежать обустройство дорогостоящего стенда, можно спроектировать водородные баки, рассчитанные под воздействие гидростолба жидкого азота. Так было сделано при проектировании водородного бака разгонного блока 12КРБ разработки КБ «Салют». По существу, водородный бак этого РБ был разработан с учетом нагрузок на случай статических испытаний.

Чтобы имитация температуры жидкого водорода посредством заливки жидким азотом была более близка к реальной, можно захолаживание осуществлять переохлажденным азотом. Как известно, тройная точка для азота (при которой он еще может быть жидким) равна 63,15 К. Поэтому при определенных условиях бак можно охладить до температуры 64 К, что уже довольно таки близко к 20 К.

По мнению автора, хорошими перспективами в качестве хладагента для захолаживания кислородных баков обладает жидкий аргон. Преимущества жидкого аргона перед жидким азотом заключаются в более близкой температуре кипения по сравнению с жидким кислородом (разница

всего 7 оС) и более высокая плотность, что при небольшой высоте бака будет «работать в запас» прочности конструкции. Минус жидкого аргона - более высокая по сравнению с жидким азотом (в 2 - 2,5 раза) стоимость, что при баках небольшого объема не должно сильно сказываться на стоимости испытаний [19]. Остается открытым вопрос - почему его не использовали в прочностных испытаниях вместо жидкого азота. Ответ скорее всего кроется в том, что в 1960-1970 годы в стране отсутствовали криогенные установки, позволяющие вырабатывать жидкий аргон в промышленных масштабах, ко всему прочему в те времена его стоимость была на два порядка выше стоимости жидкого азота [34]. В настоящий момент в России жидкий аргон может производиться в промышленном масштабе за умеренную цену.

В силу того, что предельная температура эксплуатации строительных конструкций составляет минус 60 оС, следует отметить, что при заливке азота или аргона в баки большого объема для защиты строительных конструкций от воздействия криогенных температур необходимо бак устанавливать внутри специального поддона для принятия хладагента в случае разрушения бака.

Захолаживание баков заполнением криогенными жидкостями необходимо проводить с определенной скоростью для уменьшения температурных напряжений в конструкции. Чем медленнее будет заполняться бак, тем дольше он будет находиться в среде холодных паров и тем меньше будет градиент температур между элементами конструкции баков и криогенной жидкостью. Причем, продолжительность захолаживания бака и его наполнение сравнимы между собой [19,35,36]. Задача испытателей состоит в нахождении оптимума расхода, при котором бак заполнится криогенной жидкостью за умеренное время с возникновением минимальных температурных напряжений.

1 - короб защитный; 2 - перекрытие силовое; 3 - оснастка силонагружающая; 4 - устройство для подъёма и вывешивания тяг силы нагружения; 5 - площадки обслуживания криогенной камеры; 6 - устройство для крепления камеры; 7 - бокс железобетонный; 8 - камера криогенно-статических испытаний; 9 - двери герметичные; 10 - стол опорно-установочный; 11 - кольцо закладное; 12 - система дренажа; 13 - система отогрева изделия; 14 - система измерений.

Рисунок 1.1. Схема стенда криогенно-статических испытаний в АО РКЦ «Прогресс» (г. Самара) [4]

К этому же методу можно отнести способ захолаживания путем орошения внешней поверхности бака жидким хладагентом (Рисунок 1.2). Течение жидкого азота по поверхности бака будет сопровождаться его интенсивным кипением, при этом режим течения и коэффициент теплоотдачи могут принимать высокие значения. Например, по данным статьи [37] при охлаждении алюминиевых пластин стекающими пленками жидкого азота наблюдали коэффициент теплоотдачи от до

1 2000 В т/ ( м2 ■ К) . Даже если принять в качестве нижней оценки коэффициента теплоотдачи значение , то характерное

время охлаждения той части бака, на которую попадет жидкий азот составит порядка 1 0 с. Это означает, что время захолаживания будет определяться почти исключительно переходным процессом, пока пленка жидкого азота испаряется, не достигнув нижней части бака [38,39,40].

Рисунок 1.2. Способ орошения внешней поверхности бака жидким хладагентом

1.3 Охлаждение изделий РКТ газообразным хладагентом

Кроме отработки классических криогенных баков одноразовых РКН из алюминиевых сплавов, весьма актуальны исследования композитных и металлокомпозитных конструкций при криогенных температурах, а также конструкций, предназначенных для многократного применения, проводимые в интересах оптимального выбора материалов, а также конструктива топливных баков и смежных конструкций перспективных носителей. Исходя из этого, при экспериментальной наземной отработке водородных баков необходимо захолаживать их до эксплуатационной температуры, для водородных баков это температура кипения водорода (минус 253 оС), для метановых - температура кипения метана (минус 161 оС). [15] До настоящего времени у нас в стране не было стендов для прочностных испытаний, способных сообщить крупногабаритным конструкциям температуру минус 253 оС. Как было сказано выше, в России (СССР) прочностные испытания баков жидкого водорода традиционно проводились с использованием жидкого азота в качестве хладагента. Однако при температуре жидкого азота (минус 196 оС) мы не реализуем даже половины изменения прочностных свойств материала бака, проявляемого при температуре жидкого водорода. В частности, резкое падение коэффициента ослабления сварного шва алюминиевых сплавов на участке от минус 196 оС до минус 253 оС [41-44] ставит под сомнение адекватность имитации эксплуатационных свойств (в особенности сварных швов на фоне основного материала) конструкции водородного бака, изготовленного из алюминиевого сплава, при его испытаниях в среде жидкого азота. [15,45]

В связи с тем, что криогенные компоненты ракетных топлив (жидкие кислород, метан и водород) малопригодны для использования в качестве охлаждающих жидкостей при проведении испытаний на прочность, то для их замены требуется разработка методики проведения испытаний с применением похожих по физическим свойствам жидкостей. Но не для

каждой компоненты криогенного ракетного топлива можно найти полноценный аналог (таблица 1). Альтернативой захолаживания ОИ методом применения заливки криогенной жидкостью является метод охлаждения холодным газом. В качестве такого могут использоваться либо пары жидкого криоагента, либо газ, охлажденный в холодильной машине. Этим способом можно достичь практически любую температуру в промежутке от температуры окружающей среды до температуры ожижения газа [13,46-50].

Автором в целях отработки прочности изделий РКТ был предложен и экспериментально опробован способ охлаждения конструкций парами жидкого азота и теоретически обоснован способ охлаждения газообразным гелием [13-21]. Метод захолаживания конструкций парами криогенной жидкости применим для любых низкокипящих жидкостей, но с точки зрения пожаровзрывобезопсности и экономической эффективности обычно используется жидкий азот (Рисунок 1.3). Парами жидкого азота возможна имитация перспективного ракетного горючего - жидкого метана (минус 161 оС), а также жидкого кислорода (минус 183 оС). Осуществить это можно двумя способами. Первый способ заключается в том, что в нижнее днище бака подается жидкий азот, испаряющиеся пары которого движутся вдоль стенки бака, охлаждают ее и выходят через дренажное отверстие в верхнем днище бака. Так как из одного литра жидкого азота при испарении образуется 200 - 800 л газообразного азота (в зависимости от конечной температуры газовой фазы) [22,51], то проходное сечение дренажного отверстия должно позволять проходить основной массе испарившегося азота. На дренажной линии также следует установить вентиль для возможности перекрытия линии с целью регулировки внутреннего давления внутри бака. Как известно из теории тепломассообмена [52-62], теплопередача между более плотными средами происходит более интенсивно, чем между менее плотными, поэтому целесообразно охлаждение стенок бака газообразным хладагентом проводить при повышенном давлении, но оно должно быть не

выше эксплуатационного для уменьшения вероятности возникновения нештатной ситуации.

Рисунок 1.3. Схема захолаживания бака испаряющимся азотом

В АО «ЦНИИМаш» было проведено экспериментальное апробирование данного метода. Более подробно о нем рассказывается в главе 3.

При осуществлении второго способа жидкий азот подается со стороны верхнего днища бака. Желательно для более равномерного и интенсивного охлаждения внутри бака в районе верхнего днища установить разбрызгиватель (Рисунок 1.4). В качестве средства распыления можно использовать струйные форсунки для более мелкого и направленного распыла. В этом случае капельно-жидкостная смесь, попадая в область стенок бака, начинает опускаться вниз бака за счет массовых сил инерции, по

пути охлаждая стенки бака, а затем, нагреваясь, начинает подниматься вверх через центральную часть бака и выходит через дренажное отверстие. Данный способ также был отработан в корпусе КТПИ ЦНИИмаш, что отражено в главе 3 диссертации. Следует отметить, что скорость захолаживания бака данным способом оказалась намного выше, чем в предыдущем способе.

Рисунок 1.4. Схема захолаживания бака испаряющимся азотом сверху

Вызывает интерес комбинированный способ охлаждения, совмещающий в себя охлаждение испаряющимся азотом, залитым снизу, и азотной капельной-газовой смесью, подаваемой сверху. Схематично он показан на Рисунке 1.5.

Рисунок 1.5. Схема захолаживания бака азотом комбинированным способом

Также можно отметить способ охлаждения конструкций истекающим из небольшого отверстия сжатым воздухом в пространство большого объема (так называемое адиабатическое расширение). Этот способ в промышленности используется для получения искусственного снега, теоретически этот воздух можно использовать как хладоноситель и охлаждать конструкции до климатических температур. Теоретически этот метод можно использовать как промежуточную ступень для охлаждения до криогенных температур если имеется дешевый источник сжатого воздуха.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Юранёв Олег Александрович, 2023 год

- и- -

»

....... 1 11 11 1 11 1 11 1 11 ,1 1 1 11 ,1111 1 1 11 11111 11 11.. 111 11 1111 11 111 "Ч1111 1 11 1 1, , 1 1 1 1 1 1 1 , I 1 1

00:00 00:24 00:48 01:12 01:3В 02:00 02:24 02:48 03:12 03:36 04:00

Время, ЧЧ:1.Ш

Рисунок 3.9. Зависимость температуры стенки бака от времени в процессе захолаживания парами жидкого азота со стороны верхнего днища

Анализ Рисунка 3.9 показал, что процесс охлаждения стенок бака проходил очень интенсивно, причем с приемлемой равномерностью по высоте бака.

Для еще большей эффективности и более интенсивного и равномерного охлаждения предлагается осуществлять процесс фонтанирования капельно-газовой смеси специальным разбрызгивателем, установленным в верхней части бака. В качестве средства распыления можно использовать струйные форсунки.

При проведении испытаний баков изделий РКТ целесообразно пользоваться комбинированным методом, в котором подача в бак паров азота происходит как снизу, так и сверху бака.

В целом захолаживание криогенных баков с помощью газообразного азота по сравнению с жидким азотом является более эффективным с экономической точки зрения, так как позволяет в разы уменьшить затраты жидкого азота при сопоставимых временных и трудовых затратах [19].

Разница показаний термопар по высоте бака для этого способа составила всего 30 оС, что является наилучшим показателем среди всех перечисленных выше способов охлаждения. 3.4.2 Испытание № 2

18.05.2020 г. прошло очередное испытание по захолаживанию полномасштабного имитатора бака. Задачи испытаний:

1. Захолаживание бака до температуры, близкой к температуре жидкого метана (минус 161 оС). Нагружение внутренним давлением до 4 атм, выдержка 5 мин.

2. Захолаживание бака до температуры, близкой к температуре жидкого кислорода (минус 183 оС). Нагружение внутренним давлением до 4 атм, выдержка 10 мин.

Программа испытаний.

1. Захолодить бак до температуры, близкой к температуре жидкого метана (минус 161 оС).

2. Произвести наддув бака до 4 атм.

3. Выдержать 5 мин.

4. Сбросить давление.

5. Продолжить захолаживание бака до температуры, близкой к температуре жидкого кислорода (минус 183 оС).

6. Произвести наддув бака до 4 атм.

7. Выдержать 10 мин.

8. Сбросить давление. Определить времени естественного отогрева.

Метод захолаживания: подача жидкого азота в верхнюю часть бака. Расстановка термопар показана на Рисунке 3.10.

Рисунок 3.10. Расстановка термопар на баке

Описание процесса испытаний (Таблица 13).

Бак захолаживался до температуры минус 161 оС по термопаре Т14, остальные термопары кроме Т15 показывали более низкую температуру. Захолаживание происходило в течение 1 ч 15 мин посредством подачи жидкого азота из емкости ЦТК-8. Затем с помощью газификатора ГУ 1.6-20С поднималось давление внутри бака. Наддув происходил до 3,5 ати в течение 1 ч 45 мин. Такое длительное время связано с малой производительностью криогенного насоса в ГУ (125 л/ч). При этом, если увеличивать расход газообразного азота путем его нагрева, то начинала подниматься температура стенок бака. Далее была выдержка 5 мин и сброс давления до 0. При сбросе давления температура стенки понизилась на температуру от 3 до 11 оС.

Далее бак захолаживали до температуры минус 183 оС по термопаре Т14, остальные кроме Т15 показывали более низкую температуру.

Захолаживание происходило в течение 1 ч 8 мин с помощью емкости ЦТК-8. Затем с помощью газификатора ГУ 1.6-20С поднималось давление внутри бака. Наддув происходил до 3,0 ати в течение 1 ч 23 мин. Такое длительное время скорее всего связано с малой производительностью установки и низкой температурой газообразного азота. При этом, при увеличении расхода газообразного азота путем его нагрева в газификаторе, начинала подниматься температура стенок бака. Когда интенсивность нагрева уменьшили, температура стенок вновь начала понижаться. Далее была выдержка 7 мин и сброс давления до 0. При сбросе давления температура стенок стала опускаться.

Разница в показаниях термопар по баку составляла до 50 оС.

Таблица 13.

Описание процесса захолаживания бака

Время Наименование Температура, оС Остаток азота, т Давление в ОИ, Примечания

ч:мин операции шт шах ЦТК-8 ГУ 1,6-20С атм

10:10 Заправка ГУ 1,7-20С 5,2

10:40 Захолаживание ОИ Т2=13,5 Тэ=14,9 4,9 0,19

11:10 -//- Т2=-160 Т15=-41 4,6

11:40 -//- Т2=-194,1 Т15=-105 4,2

11:55 Конец захолаживания Т2=-194,6 Т15=-130 3,8 Дренаж закрыт

12:15 Заливка Т2=-194 Т15=-129 3,8 0,1 0,5 Дренаж открыт (сброс)

12:30 Наддув ОИ Т2=-194,6 Т15=-133 3,7 0,24

12:45 Наддув ОИ Т2=-193,4 Т15=-129 3,7 0,24 0

13:00 Наддув ОИ Т2=-186,5 Т15=-130 0,11 1

13:15 Наддув ОИ Т2=-183 Т15=-127 3,6 1,5

13:30 -//- Т2=-181,6 Т15=-122 3,6 2

13:40 Т2=-180 Тх5=-121 3,4 2,5 Перелив из ЦТК-8 в ГУ

13:50 -//- Т2=-179,5 Тх5=-117 3,2 0,3 3,0

14:00 Выдержка Т2=-178 Тх5=-117 3,2 0,24 3,5

14:05 Сброс давления Тх5=-119 3,2 3,6

14:10 Окончание сброса давления Т2=-188,8 Т15=-120,3 3,2 0

14:15 Захолаживание до температуры жидкого кислорода Т2=-194,2 Тх5=-122,5 3,1

14:45 -//- Т2=Тэ=-194,2 ТХ5=-153 2,6 0

15:15 -//- Тх5=-167 2,0 0

15:23 Окончание захолаживания ТХ5=-172 1,9 0 ТХ4=-183 оС

15:25 Начало наддува Тх5=-176

Таблица 13 (продолжение)

15:30 Наддув ОИ Тз=-195 Т15=-170 1,9 0,5

15:41 Тз=-195 Т15=-158 1,0 Т14=-158 оС

15:58 Тз=-194 Т15=-150 1,5 Т14=-153 оС, отключен нагреватель в ГУ

16:15 Т3=-193 Т15=-146 2,0 Т14=-158 оС

16:29 Т3=-192 Т15=-146 2,5 Т14=-159 оС

16:48 -//- Т3=-189 Т15=-152 3,0 Т14=-161,3 оС

16:48 Выдержка Т3=-189 Т15=-152 3,05

16:53 Окончание выдержки Т3=-188 Т15=-153 3,12 Т14=-161,3 оС

7

3.4.3 Испытание № 3 Задачи испытаний:

1. Захолаживание бака до температуры, близкой к температуре жидкого метана (минус 161 оС). Наддув до 4 ати, выдержка 5 мин.

2. Захолаживание бака до температуры, близкой к температуре жидкого кислорода (минус 183 оС). Наддув до 4 ати, выдержка 10 мин. Программа испытаний.

1. Захолодить бак до температуры, близкой к температуре жидкого метана (минус 161 оС).

2. Произвести наддув бака до 4 ати.

3. Выдержать 5 мин.

4. Сбросить давление.

5. Продолжить захолаживание бака до температуры, близкой к температуре жидкого кислорода (минус 183 оС).

6. Произвести наддув бака до 4 ати.

7. Выдержать 10 мин.

Метод захолаживания: подача жидкого (газифицированного) азота в верхнюю часть бака от газификатора. Расстановка термопар показана на Рисунке 3.11.

Описание процесса испытаний (Таблица 14):

Бак захолаживался до температуры жидкого метана (минус 161 оС). Это испытание отличалось от предыдущего тем, что азот в бак подавался только из газификатора. Изначально в хранилище (цистерна ЦТК-8) находилось 2,5 т жидкого азота. Перед началом испытаний жидкий азот передавливался в ГУ 1,6-20С. Захолаживание происходило путем подачи азота от газификатора ГУ 1,6-20С, который наполнялся от ЦТК-8. Долгое время охлаждения не происходило, что говорит о том, что азот подавался высокой температуры. По-видимому, причиной было то, что газифицированный азот слишком активно нагревался в теплообменнике и вся система была еще не захоложена.

Рисунок 3.11. Расстановка термопар на баке

Это даже привело к некоторому нагреву бака в начале захолаживания. Процесс захолаживания с помощью ГУ оказался более длительным, но более равномерным по сравнению с подачей азота непосредственно от ЦТК-8. Захолаживание длилось 5 ч с одним сбросом давления. Через 29 мин после начала захолаживания был перекрыт вентиль дренажа. Повышение давления производилось до 2 ати в течение 24 мин, температура при этом в среднем понизилась на 18 оС. Сброс давления осуществлялся в течение 6 мин, температура при этом в среднем понизилась ещё на 11 оС. Получилось, что за 24+6=30 мин температура бака понизилась в среднем на 18+11=29 оС, т.е. со скоростью примерно 1 оС/с. Далее дренаж больше не перекрывался. После достижения баком средней температуры минус 162 оС, начался процесс наддува бака. Интенсивность наддува составляла порядка 1 атм за 35 мин., что является долгим. В связи с этим было принято решение проводить

наддув бака только до 3 атм. После выдержки в течение 5 мин процесс захолаживания был продолжен. Имеющегося количества жидкого азота хватило на захолаживание обечайки бака только до минус 171 оС.

Изменение температуры по времени по баку в целом представлено на Рисунке 3.11, а по обечайке - на Рисунке 3.12. Как видно из рисунков, отклонение показаний термопар на обечайке от температуры жидкого метана составляло не более 3 оС (кривая Т15 относится к верхнему днищу).

Таблица 14.

Описание процесса захолаживания бака____

Время, ч:мин Количество азота в цистерне, т Цистерна Температура на баке тах, оС Температура на баке min, оС Давление в ОИ, атм Примечание

9:50 2,4 ЦТК-8 Т14=16,6 Т13=16,2 0 Начало перекачки жидкого азота в ГУ 1,6-20С

10:07 0,32 ГУ 1,6-20С Т14=16,6 Т13=16,2 0 Начало захолаживания, дренажный вентиль закрыт

10:26 1,9 ЦТК-8 Т15=16,8 Т16=14,3 0,5 Открытие дренажного вентиля

10:36 0,46 ГУ 1,6-20С Т15=12,4 Т2=-2,3 0,0 Закрытие дренажного вентиля

10:47 0,53 ГУ 1,6-20С Т15=6,6 Т2=-12,1 1,0

11:00 0,56 -//- Т15=-1,5 Тэ=-27,5 2,0 Сброс давления

11:06 0,64 Т15=-10 Тэ=-40 0,0 Окончание сброса давления

11:15 0,69 Т15=-10 Т4=-53 0,0

11:30 0,78 Т15=-32,2 Т4=-70,9 0,0

11:45 0,88 Т15=-47,7 Т4=-87,4 0,0

12:00 0,96 Т15=-62,8 Тэ=-101,1 0,0

12:15 1,0 Т15=-77,6 Тэ=-114,2 0,0

12:30 1,1 Т15=-92,4 Т3=-129 0,0 В 12:36 перекачка от ЦТК-8 была прекращена

12:45 0,91 Т15=-106,3 Т16=-138,8 0,0

13:00 0,8 Т15=-118 Т16=-147,2 0,0

13:15 0,7 Т15=-128,7 Т16=-154,8 0,0

13:18 0,7 Т15=-131,8 Т16=-156,9 0,0 Закрытие дренажного вентиля. Начало наддува бака

13:30 0,64 Т15=-136,9 Т1=-165 0,5

13:48 0,53 Т15=-144,8 Т1=-163,7 1,0

14:26 0,32 Т15=-150,9 Т1=-164,2 2,0

15:07 0,1 Т15=-153,5 Т2=-179,4 3,0 Выдержка 5 мин

15:12 0,1 Т15=-153,1 Т2=-179,2 3,1 Сброс давления

15:20 0,08 Т15=-159,4 Т2=-193,3 0,0 Окончание сброса давления, нагружение до температуры жидкого азота

15:30 0,07 Т15=-161,5 Т2=-192,2 0,0 Окончание испытаний в связи с окончанием азота

Рисунок 3.11. Распределение температуры на баке

Рисунок 3.12. Распределение температуры на цилиндрической обечайке

Сравнение результатов экспериментов по охлаждению баков парами жидкого азота показали, что для быстрого и равномерного захолаживания баков можно воспользоваться двумя подходами:

1. Подача жидкого азота непосредственно от криогенной цистерны с установкой внутри бака разбрызгивателя.

2. Подача жидкого азота от газификатора производительностью не менее 400 л/ч.

Как показал эксперимент, оба подхода обеспечивают достижение состояния бака с одновременным заданием температуры в диапазоне от минус 161 оС до минус 183 оС и внутреннего давления, имитирующего давления наддува.

При проведении криогенно-статических испытаний топливных баков на обечайку будет воздействовать сжимающая сила, которая совершая работу над конструкцией, будет способствовать диссипации механической энергии в тепловую. Это, в свою очередь, будет приводить к нагреву обечайки. Чтобы нивелировать этот процесс, нужно будет компенсировать выделяющееся тепло холодом. В этом случае хорошо подойдет газификационная установка. Обычно газификаторы выпускаются на высокое давление, намного выше, чем давление нагружения в баке. Тем самым существует возможность подачи в испытуемый бак новых порций холодного азота. При этом через линию дренажа необходимо будет стравливать нагретые слои газообразного азота для поддержания требуемого уровня давления в баке.

Следует особо отметить, что обязательным условием положительного результата при охлаждении газообразным хладагентом является наличие хорошей теплоизоляции стенок бака, иначе теплопритоки из окружающего пространства нивелируют достигнутый результат по захолаживанию газообразным хладагентом.

3.5 Сравнение результатов экспериментов с расчетом по охлаждению бака парами жидкого азота

Сравнение результатов проводилось для случая захолаживания бака до температуры жидкого метана (112 К), как одного из самых актуальных на сегодняшний день горючих для ракетно-космической отрасли. Расчетные данные сравнивались с двумя экспериментами (Рисунок 3.13).

Рисунок 3.13. Сравнение расчетных и экспериментальных данных захолаживания бака до температуры жидкого метана (112 К)

Анализ графика показал, что разница во времени захолаживания между расчетом и испытанием 1 составляет порядка 400 с, что дает погрешность порядка

8000 - 7600

7600 =

ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ПРОЧНОСТНЫХ ИСПЫТАНИЙ МЕТАНОВЫХ И ВОДОРОДНЫХ БАКОВ

Здесь приведена разработанная технологическая схема криогенной гелиевой системы для захолаживания водородных баков. Данная схема в настоящее время реализуется в корпусе КТПИ АО «ЦНИИмаш» на базе рабочего места РМ-2 в виде криогенной гелиевой установки.

4.1 Обобщенная методика испытаний водородных баков

Рабочее место для испытаний

Температурно-статические испытания криогенных баков изделий РКТ должны проводиться в пневмогидробоксе на случай разрушения бака, т.к. разрушение емкости носит газодинамический характер и сопровождается образования волны давления и летящих с высокой скоростью осколков [94].

Стена, пол и потолок бокса изнутри должны быть оборудованы силовыми прогонами для закрепления ОИ и силовой оснастки. В этом случае имеется возможность задавать силовые нагрузки и моменты по любым направлениям. При этом потолок должен быть съёмным, т.е. по сути представлять собой некую бронекрышку. Вместо или в дополнение к силовому потолку на различных уровнях по высоте бокса могут устанавливаться силовые мосты. В бокс должны быть введены магистрали систем для обеспечения испытаний, в частности, системы нагружения сосредоточенными силами, система захолаживания, система нагружения внутренним давлением водой и газами, системы измерения нагрузок и НДС ОИ, а также других технологических и общеинженерных систем.

Рабочее место необходимо обеспечить мостовым краном грузоподъёмностью не менее 10 тонн. В этом случае загрузка ОИ и оснастки в бокс осуществляется через верхний торцевой проем, который при необходимости можно закрыть бронекрышкой.

Сам пол бокса следует делать из железобетона с рабочей температурой не выше минус 60 оС. При этом, если при испытаниях возникнет вероятность охлаждения стенок бокса до более низких температур, необходимо будет провести мероприятия по уменьшению воздействия холодных потоков на стенки. Это может быть либо улучшение теплоизоляции бака, либо установка специальных защитных приспособлений на стены бокса и пола (например, металлические экраны или теплоизоляционные маты). В силу того, что углеродистые стали охрупчиваются при криогенных температурах, оснастку желательно изготавливать из специальных сталей [95].

Для удаления излишков криогенных газов в боксе необходимо предусмотреть вентиляцию и средства газового анализа атмосферы.

Монтаж экспериментальной установки (ЭУ)

Перед монтажом ОИ внутри рабочего места необходимо установить на нем тензорезисторы и датчики температуры согласно программе и методике испытаний и подсоединить к ним измерительные провода. После этого необходимо теплоизолировать бак для уменьшения теплопритоков из окружающей среды. Перед нанесением теплоизоляции необходимо провести проверку качества наклейки датчиков, пайки проводов и их крепления, т.к. в дальнейшем доступа к ним не будет. Для температур минус 253 оС оптимальным вариантом является нанесение пенополиуретановой теплоизоляции методом напыления.

Далее ОИ перемещается в пневмогидробокс, где на него устанавливаются силовые кольца (нижнее и верхнее). Между силовыми кольцами монтируются силовые цепочки, включающие в себя силовозбудители (гидравлические или электрические) и датчики силы.

После этого к ЭУ подключают необходимые технологические системы: измерений, нагружения сосредоточенными силами и моментами, криогенная, определения концентрации кислорода в воздухе и видеонаблюдения.

После полного монтажа ЭУ проводится опрессовка (проверка) всех технологических систем для определения их правильного подсоединения и работоспособности.

Методика нагружения

При проведении криогенно-статических испытаний в первую очередь происходит нагружение температурными нагрузками, а затем силовыми. Поэтому испытания должны начинаться с подачи хладагента в бак. В данном случае подается холодный газообразный гелий. Управление процессом захолаживания осуществляется криогенной гелиевой системой в автоматическом режиме по заложенной в нее программе.

После того, как температура стенок бака приняла необходимое значение, наступает этап задания силовых нагрузок: внутреннего давления, сосредоточенных сил и моментов.

Давление внутри бака создается также криогенной гелиевой системой силами оператора. Давление задается этапами, обычно по 20 %.

Далее на баке через силовые цепочки создаются внешние усилия: осевая и перерезывающая (поперечная) силы, крутящий и изгибающий моменты.

4.2 Обобщенная методика прочностных испытаний метановых баков

Рабочее место для испытаний

Температурно-статические испытания криогенных баков изделий РКТ должны проводиться в пневмогидробоксе на случай разрушения бака.

Стена, пол и потолок бокса изнутри должны быть оборудованы силовыми прогонами для закрепления ОИ и силовой оснастки. В этом случае будет иметься возможность задавать силовые нагрузки и моменты по любым направлениям. При этом потолок должен быть съёмным, т.е. по сути представлять собой некую бронекрышку. Вместо или в дополнение к силовому потолку на различных уровнях по высоте бокса могут устанавливаться силовые мосты. В бокс должны быть введены магистрали систем для обеспечения испытаний, в частности, системы нагружения сосредоточенными силами, система захолаживания, система

нагружения внутренним давлением водой и газами, системы измерения нагрузок и НДС ОИ, а также других технологических и общеинженерных систем.

Рабочее место необходимо обеспечить мостовым краном грузоподъёмностью не менее 10 тонн. В этом случае загрузка ОИ и оснастки в бокс осуществляется через верхний торцевой проем, который при необходимости можно закрыть бронекрышкой.

Элементы бокса должны быть защищены от непосредственного воздействия жидкого азота, желательно, чтобы сам бокс имел средства отогрева. При высокой вероятности разрушения бака, содержащего в себе жидкий азот в больших

-5

количествах (не менее 10 м [33,96]), необходимо ЭУ устанавливать в специальном поддоне, который защитит пол бокса от воздействия криогенной жидкости. Сам пол бокса следует делать из железобетона с рабочей температурой не выше минус 60 оС.

Методика нагружения

При проведении криогенно-статических испытаний в первую очередь происходит нагружение температурными нагрузками, а затем силовыми. Метановые баки могут захолаживаться как холодным газообразным гелием, так и холодным газообразным азотом. Более дешевым способом является захолаживание азотом. Поэтому испытания должны начинаться с подачи жидкого азота в ОИ по одному из методов, указанных в главах 2 и 3.

После того, как температура стенок бака приняла необходимое значение, наступает этап задания силовых нагрузок: внутреннего давления, сосредоточенных сил и моментов.

Давление внутри бака можно создать двумя способами: испаряющимися парами азота с последующим их дренажём при необходимости или подачей газообразного азота из внешнего источника. Первый способ менее затратен с экономической точки зрения и не требует монтажа дополнительной системы, но при этом менее управляем. Давление задается этапами, обычно по 20 %.

Далее на баке через силовые цепочки создаются внешние усилия: осевая и перерезывающая силы, крутящий и изгибающий моменты.

4.3 Разработка и обоснование технологической схемы криогенной гелиевой системы

Определим основные функции и параметры, которыми должна обладать криогенная гелиевая система для возможности испытаний всех криогенных баков перспективных РН и РБ:

- возможность имитации любой температуры в диапазоне от 20 оС до минус 253 оС;

- возможность задания внутреннего давления в баке до 13 ати для метановых и кислородных баков, до 5 ати для водородных баков;

- безрасходное использование газообразного гелия;

- захолаживание объекта должно происходить не дольше рабочей недели, т.е. 120 часов.

Для определения холодопроизводительности криогенной гелиевой системы необходимо задать параметры объекта испытания. Сложнее всего будет захолодить водородный бак, так как он будет иметь минимальную температуру, поэтому в качестве бака-основы необходимо задать параметры водородного бака. Основные характеристики бака указаны в разделе 2.1.

После определения основных режимов и параметров охлаждения емкости возникает следующая задача - определение рабочего цикла и принципиальной схемы криогенной гелиевой системы (КГС). КГС компонуется из двух основных элементов: производителя холода (КГУ - криогенная гелиевая установка) и потребителя холода (нагрузки). По своим схемным решениям КГС могут быть одно- и двухконтурными. Источником циркуляции гелия через нагрузку в одноконтурной КГС служит компрессор КГУ. [15] Особенностью КГС, работающих по двухконтурной схеме, является технологическое разделение потоков криоагента в основном рефрижераторе и объекте криостатирования и использование в качестве источника циркуляции гелия через нагрузку дополнительного оборудования: криогенных насосов, «холодных» или «теплых» компрессоров [15,71,97]. Наиболее простым и эффективным способом

охлаждения гелия является адиабатическое расширение с совершением внешней работы в детандерах или дросселированием газового потока [15,54,98]. Для охлаждения газов и жидкостей при дросселировании применяются машины Линде, при расширении газов с совершением внешней работы - детандеры (цикл Клода), при истечении из постоянного объема - машины Гиффорда - Мак-Магона [15,99]. В зависимости от потребляемой нагрузкой мощности Q целесообразно в рефрижераторных системах применять при Q>300 Вт цикл Клода с турбодетандерами, при Q<300 Вт - цикл Стирлинга, при Q<10 Вт - цикл Мак-Магона [15,97].

В настоящее время на рынке представлен широкий модельный ряд гелиевых рефрижераторов «под ключ», в основном работающих по холодильному циклу Стирлинга, Вюлемье или Гиффорда-Мак-Магона. Недостаток установок данного типа - невысокая холодопроизводительность, не превышающая 200 Вт при температуре гелия 4,2 К и 8000 Вт - при температуре 80 К [54,71,98]. Но для охлаждения конструкций большого объема и массы требуется холодопроизводительность не менее 10 кВт при температуре (18-20) К. [15]

Все КГУ (несмотря на разнообразие холодильных циклов) имеют определенное число однотипных элементов или ступеней: ступень компрессора, ступень с внешним охлаждением, ступень с расширением газа в дроссельном устройстве или газожидкостном детандере [15,54,98,100,101]. Для генерирования значений холодопроизводительности на уровне 10 кВт при температуре 20 К наиболее приемлема схема КГУ с детандерами с предварительным азотным охлаждением, хотя в гелиевом рефрижераторе по сравнению с ожижителем можно исключить предварительное азотное охлаждение прямого потока [15,54].

На рисунке 4.1 показана принципиальная схема одноконтурной КГУ, использующей цикл Клода или обратный цикл Брайтона, которую предлагается внедрить для охлаждения баков перспективных РКН и РБ при проведении криогенно-статических испытаний в корпусе КТПИ АО «ЦНИИмаш». Основными элементами установки являются компрессор, турбодетандер, теплообменники и адсорберы. Как уже говорилось выше, главная особенность

данной установки - замкнутая система охлаждения, при которой не происходит расход рабочего тела, что позволяет экономить дорогостоящий гелий, а также энергию, затраченную на охлаждение последующей порции, т.к. выходящий из охлаждаемой емкости гелий будет иметь температуру, не намного выше входящего, что ускорит его последующее охлаждение.

Принцип действия КГУ следующий. Поступающий из ресивера 1 и сжатый в компрессоре 2 гелий (точка А) последовательно охлаждается в теплообменниках Т1, Т2 и азотной ванне 6 до температуры 80 К (точка Б). Далее прямой поток после теплообменников Т3 и Т4 разделяется на две части (точка В). Одна часть направляется в турбодетандер 4, где, расширяясь до давления обратного потока (точка Г), охлаждается до температуры Т4. Вторая часть потока гелия охлаждается в теплообменнике Т5 до температуры не выше 20 К и направляется в охлаждаемую емкость (бак) 5. [15] Азотная ванна 6 используется также для случая охлаждения конструкций до температур, выше 80 К без использования турбодетандера.

Теплообменники предназначены для охлаждения прямого потока теплого гелия, поступающего от компрессора, обратным потоком холодного гелия, поступающего от турбодетандера.

Адсорберы предназначены для очистки гелия от примесей азота, аргона и неона.

Как показали расчеты, время охлаждения по данной технологии составляет порядка 50 ч. Для уменьшения этого времени предлагается усовершенствовать схему путем добавления еще одного действия - предварительного охлаждения бака жидким азотом. В этом случае жидкий азот должен подаваться от отдельного криогенного резервуара 8 (Рисунок 4.1). Захолаживание может происходить либо путем полной заливки бака жидким азотом с последующим его возвратом в криогенный резервуар (если не произошло разрушения объекта испытаний), либо одним из способов, предложенных в разделе 1.3.

Описание технологии работы криогенной гелиевой системы

Вариант 1. После подсоединения объекта захолаживания к КГС необходимо провести удаление воздушной среды. Для этого через бак необходимо пропускать газообразный азот до тех пор, пока датчики не покажут отсутствие кислорода в выходящем газе. Далее проводится удаление газообразного азота. Для этого в верхнюю часть бака подается теплый гелий, который постепенно выдавливает газообразный азот через нижний патрубок. Газообразный азот при этом выбрасывается в атмосферу. Для сохранения гелия на выходе следует установить датчики концентрации гелия. При достижении определённой концентрации, гелий целесообразно подавать в адсорберы для его очистки и обратной закачки в ресиверы. В этом случае необходимо использовать специальный закачной компрессор, который в схеме условно не показан. При достижении в баке минимально допустимой концентрации азота, неона и аргона начинается процесс захолаживания бака, который должен происходить в автоматическом режиме с помощью системы управления, работающей по обратной связи от датчиков температуры, установленных как на выходе гелия из бака, так и на стенках бака.

Вариант 2. В бак подается жидкий азот для его охлаждения до температуры 77-80 К. Затем жидкий азот, если он остался, возвращается в криогенный резервуар, а газообразный азот удаляется методом, описанным в варианте 1. Далее процесс охлаждения газообразным гелием идентичен описанному в варианте 1.

Рисунок 4.1. Принципиальная схема криогенной гелиевой системы

1 - ресивер, 2 - компрессор, 3 - теплообменник, 4 - турбодетандер, 5 -охлаждаемая емкость с теплоизоляцией, 6 - азотная ванна, 7 - адсорбер

В течение работы КГС в режиме захолаживания должны протекать следующие процессы:

- заполнение азотной ванны 6 жидким азотом и последующее поддержание необходимого уровня жидкого азота;

- очистка газообразного гелия от примесей масла, азота, аргона и неона в адсорберах;

- удаление из бака воздушной среды;

- захолаживание бака до требуемой температуры;

- прочностные испытания бака с воспроизведением внешних сил и внутреннего давления;

- нагрев гелия и возврат его в ресиверы.

Выводы по разделу:

Для уменьшения времени захолаживания баков предлагается усовершенствовать технологию захолаживания путем проведения предварительного охлаждения бака жидким азотом. Жидкий азот впоследствии возвращается в азотохранилище. В этом случае этап замены воздушной атмосферы на азотную произойдет в процессе заполнения бака жидким азотом. Для того, чтобы исключить нагрев бака при замене азотной атмосферы на гелиевую, необходимо будет предварительно охладить газообразный гелий в азотной ванне 6.

4.4 Разработка и обоснование схемы системы измерений и сбора данных при проведении криогенно-статических прочностных испытаний.

В настоящее время задачи автоматизации испытаний при наземной экспериментальной отработке температурно-статической прочности изделий РКТ решаются на уровне отдельных стендов (экспериментальных установок). Используемые на стендах системы измерения и сбор данных покупаются у разных производителей, как правило, не являются универсальными, выполняют узкий круг задач и не отвечают предъявляемым к ним требованиям и возможностям современных информационных технологий. Это зачастую

приводит к излишним энергетическим и материальным затратам, недостаточной точности получаемых результатов. В данном параграфе в общем виде приводятся основные параметры системы измерений применительно к проведению криогенных прочностных испытаний.

В общем случае система измерений и сбора данных должна выполнять следующие функции [102,103]:

- проводить тарировку измерительных каналов;

- измерять нагрузки, приходящие на ОИ от системы нагружения;

- измерять реакцию ОИ на эти нагрузки;

- обработать полученную измерительную информацию;

- оперативно (в темпе эксперимента) представить обработанную информацию в виде, удобном для управления испытаниями;

- оперативно (в темпе эксперимента) представить обработанную информацию в виде, удобном для анализа прочности ОИ;

- хранить измеренные данные неопределённое количество времени;

- проводить математическую обработку измеренных данных.

Для уменьшения человеческих и временных затрат при проведении измерений предпочтительно использовать готовые программные комплексы, позволяющие создавать без программирования из готовых элементов сценарии экспериментов для различных типовых задач, содержащие настройки сбора, обработки и визуализации, проводить измерения, обработку и визуализацию в темпе проведения испытаний. Существующие на рынке программные комплексы позволяют проводить настройку сценариев эксперимента, осуществлять хранение и поиск нужного сценария в базе данных, проводить сквозную калибровку измерительных каналов, проводить измерения в реальном масштабе времени с одновременной архивацией и визуализацией экспериментальных данных, просматривать и анализировать результаты. В реальном масштабе времени производится первичная математическая обработка и допусковый контроль значений измеряемых параметров. Вся информация сохраняется в формате базы данных и доступна для последующей обработки и сравнительного анализа. Чаще

всего в них предусмотрена возможность организации распределенной системы измерений, данные в которой передаются по сети Ethernet со сборщиков на сервер.

Применяемые вторичные измерительные приборы (платы с аналого-цифровыми преобразователями) выбираются исходя из применяемых первичных преобразователей (датчиков). При проведении криогенно-статических испытаний используются следующие типы датчиков:

- термоэлектрические датчики температуры;

- термосопротивления;

- датчики усилий (тензометрические);

- датчики перемещений (предпочтительно тензометрические);

- тензорезисторы;

- датчики давления (предпочтительно тензометрические).

Измерение тензометрическими датчиками осуществляется посредством мостовых схем. Тензорезисторы могут подключаться по трехпроводной, четырехпроводной или пятипроводной схеме. Наиболее распространенная трехпроводная схема включения тензорезисторов [102-106].

Исходя из указанных данных можно построить схему системы измерений и сбора данных при проведении криогенно-статических испытаний (Рисунок 4.2). Система основана на применении основного оборудования фирмы Л-Кард. Платы LTR212 способны проводить тензометрирование схем У моста, У моста и полного моста. В качестве тензодатчиков могут выступать любые тензорезистивные датчики, такие как тензорезисторы, датчики перемещений, датчики усилий, датчики давления.

При захолаживании ОИ до температур не ниже минус 196 оС рекомендуется применять термоэлектрические датчики температуры типа ХК (хромель-копель) или ХА (хромель-алюмель), в исключительных случаях МК (медь-копель); до температур ниже минус 196 оС - термопреобразователи сопротивления на платиновой основе, реже - медные термопреобразователи сопротивления [103,106-108].

Тмимгм 257 I

Теюодагчия 457 I

Датчии >м«мр<ту|

Я-

Снск'ма И1%1срсннй и сАора данных при проведении крио1снно-с1а1ичсски\ нсным

р«и, ЧЯ МП |- -

- - '

АРМ опоратора-тоиологэ

'й.

Технологический сервер базой дайны«

обеспечения испытании дл» отработки томпературно-статическои прочности

Сермр единого в|

- -[ с.., }

3

] |

- Границы систем Границы помещений

иЭВ интерфейс МР1 итерфейс

00

Рисунок 4.2. Схема системы измерений и сбора данных при проведении криогенно-статических испытаний

4.5 Разработка специальных мер по защите испытательного оборудования, оснастки и испытательных боксов от воздействия криогенных температур при проведении прочностных испытаний

При проведении криогенно-статических испытаний до разрушения на испытательное оборудование, оснастку и испытательный бокс возможно воздействие пониженных температур, в том числе жидкого азота, а также динамических нагрузок от воздействия взрывной волны и осколков. Воздействие жидкого азота опасно в первую очередь возникающими сильными градиентами температур, которые приводят к большим деформациям, возникающих в оборудовании и строительных конструкциях. В связи с этим встает вопрос по созданию эффективной теплозащиты, обеспечения «развязки» фундамента бокса от фундамента здания, в котором расположен бокс, а также защиты от осколков.

Для защиты пола и стен бокса от воздействия жидкого азота в случае разрушения бака оптимальным вариантом будет использование поддона, устанавливаемого под баком. Вторая функция поддона - прием разлившегося жидкого азота и его удаление (либо слив в специальную емкость, либо испарение). В случае многоразового использования поддон следует делать из нержавеющей стали, в случае одноразового - из стандартных углеродистых сталей (сталь 3.. .сталь 20).

В случае невозможности изготовления или использования поддона для принятия жидкого азота, в боксе необходимо предпринять меры по непосредственной защите пола и стен. Для этого возможна временная установка локальных защитных приспособлений в виде листов металла или теплоизоляции.

Испытательную оснастку, датчики силы, перемещений рекомендуется защищать с помощью тонких теплоизоляционных листов, которые будут защищать как от холодных конвективных потоков, так и от непосредственного воздействия жидкого азота в случае разрушения бака.

Отдельной проблемой стоит защита силовых колец, устанавливаемых на нижний и верхний шпангоуты бака, от воздействий криогенных температур. В этом случае существует несколько путей решения данной проблемы. Первый:

установка на испытуемые баки межбаковых ферм/отсеков или их частей, который будут играть роль термической развязки. Использование данных отсеков несет дополнительный положительный эффект, т.к. они позволят воссоздать более правильные граничные условия на бак.

Второй путь решения проблемы: изготовление силовых колец из нержавеющей стали. Этот вариант не является приоритетным, т.к. такие кольца выходят дорогими в изготовлении, а также по той причине, что у разработчиков баков зачастую уже имеются готовые силовые кольца, правда выполненные из стали 20.

Третий путь: изготовление переходника между баком и силовым кольцом, выполненного из материала с низким коэффициентом теплопроводности, например, из фторопласта, паронита, стеклопластика и т.п. Обязательным требованием к такому переходнику будет его способность выдерживать испытательные силовые нагрузки.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Решена задача по разработке методов захолаживания газообразными хладагентами криогенных топливных баков ракет космического назначения для повышения их конструктивно-массового совершенства путем задания истинного напряженно-деформированного состояния при проведении прочностных испытаний. Достоверность и практическая ценность разработанных методов захолаживания подтверждена проведенными экспериментальными исследованиями и разработанными на их основе нормативными документами.

1. Проанализированы существующие методы охлаждения конструкций жидкими и газообразными хладагентами. Сформулированы предложения по использованию того или иного метода при отработке криогенно-статической прочности конкретных классов изделий РКТ.

2. Разработана физико-математическая модель теплового состояния криогенных баков для предложенных методов захолаживания при их прочностных испытаниях с учетом протекания нестационарных процессов. Результаты расчетов показали, что охлаждение топливных баков газообразным хладагентом является реализуемой на практике технологией с продолжительностью захолаживания, сопоставимой с продолжительностью захолаживания традиционным методом заливкой жидкого азота..

3. Экспериментально доказана эффективность захолаживания баков азотной капельно-газовой смесью, а также парами жидкого азота путем сброса давления с точки зрения снижения затрат и времени подготовки к испытаниям по сравнению с традиционным подходом. Эксперименты показали, что погрешность имитации эксплуатационных температур не превышает 4 0С, при этом затраты жидкого азота разработанными методами до 20-ти раз ниже, чем при использовании традиционным методом заливкой жидким азотом. Методы рекомендуются к применению при отработке кислородных и метановых баков ракет космического назначения среднего и тяжелого классов.

4. На основе полученных результатов, теоретических и экспериментальных данных разработаны методики захолаживания метанового,

кислородного и водородного баков ракет космического назначения. Предложены меры защиты испытательных боксов и испытательного оборудования от разрушительного воздействия пониженных температур и хладагентов при проведении испытаний.

5. Результаты работы найдут применение при отработке криогенно-статической прочности конструкций в предприятиях ракетно-космической отрасли. Часть разработанных методов внедрено в АО «ЦНИИмаш». Выпущен стандарт организации «Имитация эксплуатационных температур и внутреннего давления при статических прочностных испытаниях сборок кислородных и метановых топливных баков ракет-носителей среднего и тяжелого классов».

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Федеральная космическая программа России на 2011-2025 годы.

2. ЦНИИМАШ. Центр исследований прочности. История развития [Текст] // Под ред. Н.Г. Паничкина. - Королев, М.О.: ЦНИИмаш, 2001. C. 325

3. Разработка системного проекта использования и совершенствования отраслевой экспериментальной базы до 2025 г. Книга 2. Комплексные исследования состояния экспериментальной базы и определение оптимального состава экспериментальной базы отрасли, необходимого для отработки разрабатываемой и перспективной РКТ по направлениям прочности и динамики: отчет о НИР / Колозезный А.Э. - Королёв: ФГУП ЦНИИмаш, 2012. 186 с.

4. Осадчий Я.Г. Методы экспериментального исследования прочности силовых элементов ракетных конструкций при высоких и криогенных температурах. Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук: 05.07.03. - Королёв (М.о.), 1994. 226 с.

5. Ерофеев М.Б. Возможности замены криогенных опрессовок топливных ёмкостей при нормальной температуре // Космонавтика и ракетостроение. 2015. № 3(82). С. 59-62.

6. Ноткин В.Л. Глубокое охлаждение конструкций летательных аппаратов при теплопрочностных испытаниях М., «Спутник+». 2012. 142 с.

7. Ноткин В.Л. Теплообмен в баке с криогенной жидкостью в условиях внешнего нагревания // Ученые записки ЦАГИ. 1984. Том XV. № 3. С. 55-63.

8. Александров А.А., Зарубин В.С., Зимин В.Н. Термонапряженное состояние оболочки цилиндрического криогенного бака при его заполнении // Известия Высших учебных заведений. Машиностроение. 2016. № 4(673). С. 5-15.

9. Зарубин В.С., Зимин В.Н., Кувыркин Г.Н. Математическое моделирование температурного состояния оболочки цилиндрической криогенной емкости при заполнении и опорожнении // Математика и математическое моделирование. МГТУ им. Баумана. Электрон. журнал. 2015. № 6. С. 44-60.

10. Зарубин В.С., Зимин В.Н., Кувыркин Г.Н. Оценка допустимой осевой сжимающей нагрузки на цилиндрическую оболочку вертикального криогенного

бака при его заполнении // Проблемы машиностроения и надежности машин. 2019. № 7. С. 54-63.

11. Зарубин В.С., Зимин В.Н., Кувыркин Г.Н. Деформация оболочки цилиндрического криогенного бака при его заполнении // Известия высших учебных заведений. Авиационная техника. 2019. № 3. С. 13-20.

12. Зарубин В.С. Температурные поля в конструкции летательных аппаратов М.: Машиностроение. 1966. 216 с.

13. Юранев О.А., Васюкова Д.А., Колозезный А.Э. Квалификация способов расчета захолаживания крупногабаритной испытательной сборки «криогенного» топливного бака РКН при свободной конвекции газообразного хладагента // Общероссийский научно-технический журнал «Полет». 2015. № 7. а 18-24.

14. Юранев О.А., Васюкова Д.А., Колозезный А.Э. Эффективный подход к проведению зачетных прочностных испытаний криогенных баков перспективных средств выведения // Авиакосмическая техника и технология. 2013. № 1. С. 23-25.

15. Юранев О.А., Васюкова Д.А., Колозезный А.Э. Использование криогенной гелиевой системы для имитации эксплуатационных температур при испытаниях на прочность // Космонавтика и ракетостроение. 2012. № 2 (67). С. 179-186.

16. Юранев О.А., Васюкова Д.А., Колозезный А.Э. Расчетное обоснование использования криогенной гелиевой установки для имитации эксплуатационных температур при испытаниях на прочность криогенных топливных баков ракет космического назначения // Инновационный арсенал молодежи: труды третьей научно-технической конференции ФГУП «КБ «Арсенал». СПб. 2012. С. 280-282.

17. Методологические основы научных исследований при обосновании направлений космической деятельности, облика перспективных космических комплексов и систем и их научно-технического сопровождения: В 5 томах. Т.5: Методология исследований прочности и динамики ракет-носителей и

космических аппаратов О.А. Юранев [и др.] М.: «Издательско-торговая корпорация «Дашков и К», 2016. 376 с.

18. Юранев О.А., Васюкова Д.А., Колозезный А.Э. Эффективный подход к проведению зачетных прочностных испытаний криогенных баков перспективных средств выведения // Тезисы докладов Седьмого международного аэрокосмического конгресса 1АС'12. Москва. 2012. С. 44.

19. Юранев О.А. Исследования различных способов захолаживания криогенных топливных баков изделий ракетно-космической техники // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Машиностроение. 2018. № 3. С. 64-71.

20. Юранев О.А. Исследования различных способов захолаживания криогенных баков // Наука и технологии. Том 4. Материалы ХХХУШ Всероссийской конференции, посвященной 75-летию Южно-Уральского государственного университета. М.: РАН, 2018. 49 с.

21. Юранев О.А., Борщев Н.О. Теоретическая оценка времени захолаживания бака жидкого водорода при испытаниях // «Известия высших учебных заведений. Машиностроение». 2021. № 12 (741). С. 83-90.

22. Юранев, О.А. Использование газообразных хладагентов для имитации эксплуатационных температур «криогенных» топливных баков РН с целью повышения эффективности экспериментальной отработки их прочности // Труды 64-й Всероссийской научной конференции МФТИ. 29 ноября - 03 декабря 2021 г. Аэрокосмические технологии / сост.: К.С. Слободчук, Ю. А. Борисов / Министерство науки и высшего образования Российской Федерации, Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет). -Москва-Долгопрудный-Жуковский: МФТИ, 2021. 355 с.

23. Борщев Н.О., Белявский А.Е., Юранев О.А. Оценка времени захолаживания криогенного бака азотной парожидкостной смесью // «Известия высших учебных заведений. Машиностроение», № 9 (750). М., 2022. С. 116-125.

24. Технический отчет № 748-А5А2С-ТО.29-12 по результатам зачетных статических испытаний на прочность сборки А5А2С черт. А5А2С-0000-0. ФКП «НИЦ РКП», 2012. 124 с.

25. Андреев В. Борисов В., Климов В. и др. Внимание: газы. Криогенное топливо для авиации М.: Моск. рабочий. 2001. 224 с.

26. Вентура Г., Ризегари Л. Искусство криогеники. Низкотемпературная техника в физическом эксперименте, промышленных и аэрокосмических приложениях. Пер. с англ.: Учебно-справочное руководство Л. Долгопрудный: Издательский Дом «Интеллект», 2011. 336 с.

27. Александров А.А., Бармин И.В., Денисова К.И., Чугунков В.В. Инновационная модель применения жидкого азота для охлаждения ракетного топлива в емкостях заправочных систем наземных комплексов // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Машиностроение. 2017. № 3. С. 4-17.

28. Горбачев С.П., Кириенко К.И. Моделирование режимов заправки криогенного емкостного оборудования // Научно-технический сборник «Вести газовой науки». 2015. № 1 (21). С. 124-132.

29. 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. Серия «Машиностроение». 2016. № 2. С. 7-27.

30. Зысин В.А., Баранов Г.А., Барилович В.А., Парфенова Т.Н. Вскипающие адиабатные потоки. М.: Атомиздат, 1976. 152 с.

31. Богданов С.Н., Иванов О.П., Куприянова А.В. Холодильная техника. Свойства веществ. Справочник. Изд. 2-е, доп. и переработ. «Машиностроение» (Ленингр. отд-ние), 1976. 275 с.

32. Будневич, С.С. Процессы глубокого охлаждения. Теория и расчет М.: Машиностроение, 1966. 260 с.

33. Бамбушек Е.М., Бухарин Н.Н., Герасимов Е.Д. и др. Тепловые и конструктивные расчеты холодильных машин: Учебное пособие для вузов по специальности «Холодильные и компрессорные машины и установки; Под общ. ред. И.А. Сакуна. Л.: Машиностроение. Ленинград. отд-ние, 1987. 423 с.

34. Проработка возможности проведения криогенно-статических испытаний натурных конструкций в гидропневмобоксе № 2 корпуса КТПИ: отчет о НИР / Осадчий Я.Г. Калининград: ЦНИИмаш, 1979 г. 124 с.

35. Горбачев С.П., Попов В.П., Славин М.В. Определение времени захолаживания криогенного бака // Известия вузов. Машиностроение. 2006. № 5. C. 43-53.

36. 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. Электронный научно-технический журнал. 2014. С. 145-161.

37. Мацех А.М., Павленко А.Н. Особенности теплообмена и кризисных явлений в стекающих пленках криогенной жидкости // Теплофизика и аэромеханика. 2005. том 12. № 1. C. 105-119.

38. Конвективный теплообмен летательных аппаратов / Под науч. ред. Б.А. Землянского. М.: Физматлит. 2014. 380 с.

39. Таубман Е.И., Горнев В.А., Мельцер В.Л. и др. Контактные теплообменники М.: Химия, 1987. 256 с.

40. Григорьев В.А., Павлов Ю.М., Аметистов Е.В. Кипение криогенных жидкостей. М.: Энергия, 1977. 288 с.

41. Рязанцев В.И., Манцев В.Н. Особенности изготовления сварных летательных аппаратов из алюминиевых сплавов систем Al-Mg-Li и Al-Cu-Li // Авиакосмическая техника и технология. № 2. 2001. С. 16-23.

42. Доброжинская Р.И., Барабохин Н.С. Разработка и исследование нового криогенного свариваемого сплава 01545К системы Al-Mg-Sc и его опробование применительно к условиям работы при температуре жидкого водорода // Авиакосмическая техника и технология. 2000. № 1. С. 17-24

43. Choice of materials and design of propellant tanks and adjacent structures for future launchers, including / Yuriy Gusev, Anton Kolozezny, Nickolai Panichkin // RLV. IAC-08-C2.1.12. 59th International Astronautical Congress. 2008. P. 16-24.

44. Солнцев Ю.П., Степанов Г.А. Конструкционные стали и сплавы для низких температур М.: Металлургия, 1985. 271 с.

45. Колозезный А.Э. Основы концепции развития экспериментальных технологий обеспечения температурной прочности «криогенных» топливных баков перспективных конкурентоспособных средств выведения // Космонавтика и ракетостроение. 2012. № 2(67). С. 62-69.

46. 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 (685). С. 18-25

47. Ашихмина Т.В. Численное моделирование процессов в топливном баллоне с криогенной заправкой природным газом при бездренажном хранении // Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета. № 2. 2007. С. 21-27.

48. Кудрявцев А.А. К обоснованию параметров и рабочих процессов криогенного оборудования при использовании в качестве топлива карьерными автосамосвалами сжиженного природного газа // Вестник РУДН. Серия «Инженерные исследования». 2007. № 2. С. 82-86.

49. Сафонов В.С. Обоснование режимных параметров технологических трубопроводов комплексов СПГ с учетом требований промышленной безопасности // Научно-технический сборник «Вести газовой науки». 2017. № 1(29). С. 83-99.

50. Варгафтик Н.Б. Справочник по теплофизическим свойствам жидкостей и газов. М.: Наука. 1972. 721 с.

51. Различные области применения холода / Под ред. А.В. Быкова. М.: Агропромиздат, 1985. 272 с.

52. Михеев М.А., Михеева И.М. Основы теплопередачи. М., «Энергия». 1977. 344 с.

53. Исаченко В.П., Исаченко В.А., Осипова В.П., Сукомел А.С. Теплопередача. М., «Энергия». 1975. 488 с.

54. Исаев С.И., Кожинов И.А., Кофанов В.И. и др. Теория тепломассообмена: Учебник для вузов; Под ред. А.И. Леонтьева. М.: Высшая школа, 1979. 495 с.

55. Кутателадзе С.С. Теплопередача и гидродинамическое сопротивление: Справочное пособие М.: Энергоатомиздат, 1990. 367 с.

56. Орлов М. Е. Теоретические основы теплотехники. Тепломассообмен: учебное пособие; Ульяновский гос. техн. ун-т. Ульяновск: УлГТУ, 2013. 204 с.

57. Фаворский О.Н., Каданер Я.С. Вопросы теплообмена в космосе М.: Высшая школа, 1967. 248 с.

58. Мучник Г.Ф., Рубашов И.Б. Методы теории теплообмена Ч.1 Теплопроводность. Учебное пособие для вузов М.: Высшая школа, 1970. 288 с.

59. Вукалович М.П., Новиков И.И. Термодинамика. Учебное пособие для вузов М.: Машиностроение, 1972. 672 с.

60. Мучник Г.Ф., Рубашов И.Б. Методы теории теплообмена. Тепловое излучение. Учеб. пособие для втузов М.: Высшая школа, 1974. 272 с.

61. Костюк В.В., Фирсов В.П. Теплообмен и гидродинамика в криогенных двигательных установках. М.: Наука, 2015 319 с.

62. Архаров А.М., Беляков В.П., Микулин Е.И. и др. Криогенные системы: Учебник для вузов по курсу «Криогенная техника»- М.: Машиностроение. 1987. 536 с.

63. Каганер М.Г. Тепловая изоляция в технике низких температур М., Машиностроение. 1966. 275 с.

64. Полунин В.Л. Пенополимеры в низкотемпературной изоляции М.: Энергоатомиздат, 1991. 276 с.

65. Новиченок Л.Н., Шульман З.П. Теплофизические свойства полимеров. Минск, «Наука и техника». 1971. 120 с.

66. Анализ состояния и результатов проектных и экспериментальных работ по теплозащите криогенных баков многоразовой космической системы и разработка мероприятий по обеспечению достаточной ресурсной прочности и надежности: отчет о НИР / Колозезный А.Э. ФГУП ЦНИИмаш, 2011. 135 с.

67. Эскизный проект «Многоразовая ракетно-космическая система первого этапа». Часть 29. Планер возвращаемого ракетного блока (ВБР). Книга 3. Пояснительная записка 374БЛ11-0000-0 ПЗ.29КН3. - ОАО «Композит». 2013. 221 с.

68. Описание теплоизоляции K-flex / Режим доступа: https://kflex.ru/?yclid=4285849957856216390

69. Каблов Е.Н., Бейдер Э.Я., Петрова Г.Н. и др. Пенополиимиды // М. Электронный научный журнал «ТРУДЫ ВИАМ» 2015. № 4. DOI: 10.18577/23076046-2015-0-4-9-9

70. Анурьев В.И., Справочник конструктора-машиностроителя: В 3 т. Т. 1. 8-е изд., перераб. и доп. Под ред. И.Н. Жестковой. М.: Машиностроение, 2001. 920 с.

71. Беляков В.П. Криогенная техника и технология. М.: Энергоиздат. 1982 . 272 с.

72. Delta IV Payload Planners Guide. United Launch Alliance. September 2007. P. 36.

73. H-IIB Launch Vehicle. Japanese Aerospace Exploration Agency. 2009. P.

38.

74. Лизин В.Т., Пяткин В. А. Проектирование тонкостенных конструкций: Учеб. пособие для студентов вузов 3-е изд., перераб. и доп. М.: Машиностроение. 1994. 384 с.

75. Юдаев Б.Н. Теплопередача: Учебник для вузов 2-е изд., перераб. и доп. М.: Высшая школа. 1981. 319 с.

76. Сычев В.В., Вассерман А.А., Козлов А.Д. и др. Термодинамические свойства гелия // ГСССД. М.: Изд-во стандартов, 1984. 320 с.

77. Варгафтик Н.Б., Филлипов Л.П., Тарзиманов А.А., Тоцкий Е.Е. Справочник по теплопроводности жидкостей и газов. М.: Энергоатомиздат, 1990. 352 с.

78. Уонг Х. Основные формулы и данные по теплообмену для инженеров: Пер. с англ. Справочник М.: Атомиздат, 1979. 216 с.

79. Малков М.П., Данилов И.Б., Зельдович А.Г., Фрадков А.Б. Справочник по физико-техническим основам криогеники. Под ред. М.П. Малкова.

- 3-е изд., перераб. и доп. М.: Энергоатомиздат, 1985. 432 с.

80. Мартыненко О.Г., Соковишин Ю.А. Свободно-конвективный теплообмен. Справочник Минск. Изд. «Наука и техника», 1982. 217 с.

81. Солнцев Ю.П., Ермаков Б.С., Слепцов О.И. Материалы для низких и криогенных температур: Энциклопедический справочник. СПб., ХИМИЗДАТ. 2008. 218 с.

82. Новицкий Л.А., Кожевников И.Г. Теплофизические свойства материалов при низких температурах. Справочник. М.: Машиностроение, 1975. 219 с.

83. Лебедев Д.В. Конструктивная прочность криогенных сталей М.: Металлургия, 1976. 264 с.

84. Термодинамические свойства азота В.В. Сычев [и др.] М.: Издательство стандартов, 1977. с. 352.

85. Горлач И.В. Моделирование теплогидродинамических процессов при захолаживании криогенных коммуникация двухфазными потоками. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук: 05.04.03.

- Балашиха: НПО «Криогенмаш», 1992. 20 с.

86. Остроухов В.Б. Разработка способов повышения эффективностии систем захолаживания жидкого кислорода. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук: 01.04.09. - Москва, 1992. 19 с.

87. Юранев О.А., Борщев Н.О., Винокуров Д.К., Белявский А.Е., Сорокин А.Е. Расчет нестационарного температурного поля титановых изделий ракетно-космической техники, подверженных лучисто-конвективному нагреву // М. Журнал «Титан». 2020 № 1(67). С. 43-48.

88. Бермант А.Ф. Краткий курс математического анализа М. Изд. «Наука», 1965. 265 с.

89. Кузнецов Г.В., Шеремет М.А. Разностные методы решения задач теплопроводности: учебное пособие. Томск: Изд-во ТПУ, 2007. 172 с.

90. Патанкар С.В. Численное решение задач теплопроводности и конвективного теплообмена при течении в каналах: Пер. с англ. Е.В. Калабина; под ред. Г.Г. Янькова. М.: Издательство МЭИ, 2003. 312 с.

91. Патанкар С. Численные методы решения задач теплообмена и динамики жидкости: Пер. с англ.; под ред. В.Д. Виленского. М.: Энергоатомиздат, 1984. 152 с.

92. Деккер К., Вервер Я. Устойчивость методов Рунге-Кутты для жестких нелинейных дифференциальных уравнений. М.: Изд. «Мир», 1988. 153 с.

93. Джалурия Й. Естественная конвекция: тепло- и массообмен М.: Мир. 1983. 399 с.

94. Кармишин А.В., Лиходед А.И., Паничкин Н.Г. [и др.] Основы отработки прочности ракетно-космических конструкций М.: Машиностроение. 2007. 480 с.

95. Солнцев Ю.П., Степанов Г.А. Материалы в криогенной технике: Справочник Л.: Машиностроение. 1982. 312 с.

96. 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.

97. Криогенное и кислородное машиностроение. Серия ХМ-6. Криогенные гелиевые системы М.: ЦИНТИхимнефтемаш. 1978. 25 с.

98. Филин Н.В., Буланов А.Б. Жидкостные криогенные системы Л.: Машиностроение, Ленингр. Отд-ние. 1985. 247 с.

99. Грачев А.Б., Калини Н.В. Получение и использование низких температур. М.: Энергоиздат. 1981. 128 с. (Б-ка теплотехника).

100. Архаров А.М. Основы криологии. Энтропийно-статистический анализ низкотемпературных систем М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана. 2014. 507 с.

101. Архаров А.М., Архаров И.А., Афанасьев В.Н. [и др.]Теплотехника: Учебник для втузов; Под общ. Ред. А.М. Архарова, В.Н. Афанасьева. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2004. 712 с.

102. Касаткин Б.С., Кудрин А.Б., Лобанов Л.М. [и др.] Экспериментальные методы исследования деформаций и напряжений: Справочное пособие; Под ред. Б.С. Касаткина. Киев: Наукова думка. 1981. 584 с.

103. Серьезнов А.Н. Измерения при испытаниях авиационных конструкций на прочность. М.: Машиностроение, 1976. 224 с.

104. Дайчик М.Л., Пригоровский Н.И., Хуршудов Г.Х. Методы и средства натурной тензометрии: Справочник. М.: Машиностроение. 1989. 240 с.

105. Исследование и расчет напряжений в деталях машин и конструкциях / Под. ред. Н.И. Пироговского М.: Наука. 1966. 192 с.

106. Испытательная техника: справочник. В 2-х кн. / Под ред. В.В. Клюева. М.: Машиностроение, Кн.2. 1982. 560 с.

107. Чистяков В.С. Краткий справочник по теплотехническим измерениям М.: Энергоатомиздат, 1990. 320 с.

108. Фрайден Дж. Современные датчики. Справочник: Пер. с англ. М.: Техносфера, 2005. 592 с.

ПРИЛОЖЕНИЕ

Описание программы «program Console 1» ! модуль описания переменных module ishodnue Double precision Pr, Prv Double precision pp Double precision limda Double precision T, T2, Tst2, Tevti , T3 Double precision tau Double precision delta Double precision d Double precision l Double precision LIMDAEVTI Double precision shagtau Double precision deltaevti Double precision u Double precision Tst Double precision ni Double precision deltast Double precision sigma Double precision e Double precision niv Double precision ll

Double precision ppst, qperenos2, qperenosl, teploemkostgeli2, ppgelil,

ppgeli2

Double precision limdav, Tvh, G, tgeli, tgeli2, teploemkostgelil Double precision V, ppef, teploemkostef, vst, teploemkost2 double precision k0, k1,k2,k3

double precision Re, nu, alpha, qkonv, limdaef, qkond, tsreda, gr, nuv, alphav, qkondst, qluch, epsilon, limdaef2

double precision limdaamgvn, teploemkostvn

double precision limdaamgl, teploemkostl , limdastl, teploemkoststl,

qkonvstl

end module ishodnue

!Блок интерфейса program Consolel use ishodnue implicit none

interface

double precision function teploemkost(TT)

Use ishodnue

double precision TT

end function teploemkost

end interface

interface

double precision function ppgeli(TTgeli)

Use ishodnue

double precision TTgeli

end function ppgeli

end interface

interface

double precision function limdaamg(TT)

Use ishodnue

double precision TT

end function limdaamg

end interface

interface

double precision function limdast(Tstt)

Use ishodnue

double precision Tstt

end function limdast

end interface

interface