ТЕХНІЧНА МЕХАНІКА
ISSN 1561-9184 (друкована версія), ISSN 2616-6380 (електронна версія)

ГОЛОВНА    ПРО ЖУРНАЛ    РЕДКОЛЕГІЯ    АВТОРАМ    ПОТОЧНИЙ ВИПУСК    АРХІВ    КОНТАКТИ

УДК 662.758:629.78

Технічна механіка, 2021, 4, 29 - 43

ЗАСТОСУВАННЯ «ЗЕЛЕНОГО» ПАЛИВА В СИСТЕМАХ РЕАКТИВНИХ КЕРУЮЧИХ ДВИГУНІВ МАЛОЇ ТЯГИ

DOI: https://doi.org/10.15407/itm2021.04.029

Тимошенко В. І., Патриляк Л. К., Книшенко Ю. В., Дураченко В. М., Долінкевич А. С.

Тимошенко В. І.
Інститут технічної механіки Національної академії наук України і Державного космічного агентства України,
Україна

Патриляк Л. К.
Інститут біоорганічної хімії та нафтохімії ім. В. П. Кухаря Національної академії наук України,
Україна

Книшенко Ю. В.
Інститут технічної механіки Національної академії наук України і Державного космічного агентства України,
Україна

Дураченко В. М.
3Державне підприємство «Конструкторське бюро «Південне» ім. М. К. Янгеля»,
Україна

Долінкевич А. С.
Державне підприємство «Конструкторське бюро «Південне» ім. М. К. Янгеля»,
Україна

      Мета роботи – аналіз сучасного стану розробки та застосування екологічно чистих («зелених») палив у реактивних двигунах малої тяги, що використовуються як виконавчі органи систем стабілізації та керування рухом космічних апаратів (КА), а також адаптація до «зеленого» палива розрахункових методів визначення тягових характеристик двигунів. Монопаливом, що зараз широко використовується для забезпечення роботи згаданих двигунів є гідразин, розкладання якого створює реактивну тягу в результаті витікання через надзвукове сопло газоподібних продуктів реакції. Враховуючи високу токсичність гідразину та складну технологію його заправки їм КА, актуальним є пошук менш токсичних замінників, які при цьому не поступалися б за енергомасовими характеристиками. Одним з перспективних напрямів такої заміни є використання іонних рідин, які відносять до класу «зелених». Основні складники цих палив – водний розчин іонної рідини та паливний компонент. Екзотермічний термокаталітичний розклад «зеленого» монопалива поєднується із горінням паливного компонента та веде до підвищення тиску у камері згоряння за рахунок утворення газоподібних продуктів, що й забезпечує тягу двигуна. Відомо, що «зелене» монопаливо, продукти його повного розкладу та горіння суттєво менш токсичні, ніж гідразин та продукти його розкладу. Представлено дані про зарубіжні розробки керуючих двигунів з використанням «зелених» палив різного типу, що знаходяться на стадіях випробувань у наземних (стендових) умовах та на ряді космічних апаратів. Ключовим параметром, що визначає ефективність тягових характеристик реактивної рушійної установки, є працездатність продуктів розкладу та горіння, що є функцією їх температури та хімічного складу. Застосування для цієї мети методів розрахунку рівноважних високотемпературних процесів є надто ідеалізованим та потребує експериментального підтвердження. Крім того, суттєвий вклад у кінцевий результат мають конструктивні особливості подачі та руху палива через шар дрібнодисперсного каталізатора для забезпечення максимальної поверхні його контакту з монопаливом. У результаті паралельно з проведенням розрахункового визначення тягових характеристик рушійної установки, що проєктується, обов’язковим є здійснення її експериментального відпрацювання. У літературних джерелах представлено інформацію про технічні дані рушійних установок на «зеленому» паливі для одиночних двигунів. Однак, в системах керуючих двигунів КА їх кількість може сягати 8–16 одиниць, причому вони працюють у різних режимах та можуть відрізнятися за своїми тяговими/витратними характеристиками, що приводить до неусталених режимів подачі палива до працюючих двигунів. Для прогнозування цих процесів пропонується використання розробленої в Інституті технічної механіки Національної академії наук України і Державного космічного агентства України математичної моделі розрахунку роботи системи реактивних двигунів малої тяги, що описує рух палива в паливних магістралях, паливних клапанах та камерах згоряння, адаптованої до умов систем двигунів на «зеленому» паливі. При її реалізації використано результати експериментальних досліджень на розробленому у ДП «КБ «Південне» дослідному зразку двигуна на «зеленому» паливі. Аналіз результатів експериментів дозволив уточнити параметри працездатності застосованого монопалива та отримати розрахункові дані, які можуть бути використані для аналізу роботи одиночного двигуна або системи двигунів на даному виді палива у наземних та льотних умовах.
     

«зелене» ракетне паливо, стан розробок, хімічна термодинаміка палива, реактивний двигун малої тяги, працездатність ракетного палива, математична модель, експеримент, розрахунок

1. Decker M. M., Klein N., Freedman E., Leveritt C. S., Wojciechowski J. Q. HAN-Based Liquid Gun Propellants: Physical Properties, BRL-TR-2864, 1987. 64 p.

2. Jankovsky R. S. HAN-Based Monopropellant Assessment for Spacecraft, NASA TM 107287, (Also AIAA-96-2863), 32nd AIAA/ASME/ASEE joint Propulsion Conference and Exhibit, Lake Nuena Vista, FL, July 1-3, 1996. https://doi.org/10.2514/6.1996-2863

3. Fukuchi B., Nagase S., Maruizumi H., Ayabe M. HAN/HM-Based Monopropellant Thrusters. IHI Engineering Review. , 2010. Vol. 43, No. 1. P. 22–28.

4. Larsson A., Wingborg N. Green Propellants Based on Ammonium Dinitramide (ADN) // Advances in Spacecraft Technologies. Ed. By J. Hall, InTech, 2011. http://www.intechopen.com/books/advances-in-spacecraft-technologies/green-propellants-based-on-ammonium-dinitramide- (дата звернення 15.07.2021). https://doi.org/10.5772/13640

5. Patent US 20080064913 Self-adjusting catalуst for propellent decomposition / Fortini A. J., Babcock J. R., Wright M. J. // United States Air Force. – Publication Date: Mar 13, 2008.

6. Oommen C., Rajaraman S., Chandru Arun R., Rajeev R. Catalytic Decomposition of Hydroxylammonium Nitrate Monopropellant International Conference on Chemistry and Chemical Process IPCBEE. 2011. Vol. 10. IACSIT Press, Singapore. P. 205–209.

7. Patent US 7137244 B2. Reaktor for decomposition of ammonium dinitramide-based liquid monopropellants and process for the decomposition / T.-A. Gronland, B. Westrberg, G. Bergman et al. // Svenska Rymdaktiebolaget. – Publication Date: Octob.21, 2006.

8. Hwang C. H., Baek S. W., Cho S. J. Experimental investigation of decomposition and evaporation characteristics of HAN-based monopropellants. Combustion and Flame. 2014. V. 161. P. 1109–1116. https://doi.org/10.1016/j.combustflame.2013.09.026

9. Negri M., Grund L. Replacement of Hidrazine: Overwiew and First Results of the H2020 Project Rheform. THE 6th UROPEAN CONFERENCE FOR AERONAUTICS AND SPASE SCITNCES (EUCASS). 2015. https://www.researchgate.net/publication/312283589 (дата звернення 07.06.2021).

10. Masse R. K., Allen M., Driscoll, Spores R. A., Arringtot L. A., Schneider S. J., Vasek T. E. AF-M315 Propulsion System Advances &Improvements. Pablished online 22 Jul 2016. URL: https//doi/org/10.2514/6.2016-4577 (дата звернення 15.07.2021). https://doi.org/10.2514/6.2016-4577

11. Marshall W., Cavender D., Maynard A., Zuttarelli P. State of the Art in Green Propulsion -2020. Distribution Statement A: Approved for Public Release; Distribution is Unlimited. PA#20361. URL: https://nps.edu>documents> Distribution_Statement (дата звернення 15.08.2021).

12. Кондриков Б. Н., Анников В. Э., Егорцев В. Ю., Де Лука Л. Т. Горение нитрата гидроксиламмония. Физика горения и взрыва. 2000. Т. 36, № 1. С. 149–160. https://doi.org/10.1007/BF02701522

13. Нестеренко А. Н., Солодова С. В. Перспективные монотопливные термокаталитические двигатели. Вестник РГУ им. Канта. Физико-математические науки. 2008. Вып. 4. С. 80–84.

14. Карташов Ю. И., Спилиоти М. Н., Новиков И. И., Львов О. Н., Франчук В. Б., Первушина К. В. Новое высокоэнергетическое малотоксичное монотопливо на основе нитрата гидраксиламина. Физико-химические аспекты предельных состояний и структурных превращений в сплошных средах, материалах и технических системах. Вып. 2 / Под общ. ред.. чл.-корр. РАН Ю.В. Петрова. СПб.: Политехника, 2018. С. 51–57. https://doi.org/10.25960/7325-1134-5.5

15. Рыжков В. В., Сулинов А. В. Двигательные установки и ракетные двигатели малой тяги на различных физических принципах для систем управления малых и сверх малых космических аппаратов. Вестник Самарского университета. Аэрокосмическая техника, технологии и машиностроение. 2018. Т. 17, № 4. С. 115–128. https:/doi.org 10.18287/2541-7533-2018-17-4-115-128

16. ПК АСТРА 4 / рс, версия 1:07C. Моделирование химических и фазовых равновесий при высоких температурах : описание применения. МГТУ им. Баумана. Москва. МГТУ им. Баумана, 1991. 38 с.

17. Тимошенко В. И., Кнышенко Ю. В., Кошкин М. И. Расчетно-экспериментальное обеспечение разработки реактивных двигательных установок малой тяги. Техническая механика. 2005. № 2. С. 50–64.

18. Тимошенко В. И., Кнышенко Ю. В., Дураченко В. М., Анищенко В. М. Вопросы отработки управляющей жидкостной реактивной системы с питанием из магистралей маршевого двигателя последней ступени ракеты-носителя. Космічна наука і технологія. 2016. Т. 22, № 1. С. 20–35. https://doi.org/10.15407/knit2016.01.020

19. Тимошенко В. И., Кнышенко Ю. В. Влияние газонасыщенности жидкости на особенности неустановившихся течений в сложных трубопроводах. Инженерно-физический журнал. 2018. Т. 91. № 6. С. 1506–1516. https://doi.org/10.1007/s10891-018-1878-9

20. Тимошенко В. І., Книшенко Ю. В., Дураченко В. М., Асмоловський С. Ю. Аналіз роботи керуючих реактивних двигунів верхнього ступеня РН «Циклон-4М» при запусках та зупинках маршового двигуна. Технічна механіка. 2020. № 2. С. 22–35. https://doi.org/10.15407/itm2020.02.022

21. Беляев Н. М., Белик Н. П., Уваров Е. И. Реактивные системы управления космических летательных аппаратов. М. Машиностроение, 1979. 232 с.

Copyright (©) 2021 Тимошенко В. І., Патриляк Л. К., Книшенко Ю. В., Дураченко В. М., Долінкевич А. С.

Copyright © 2014-2021 Технічна механіка