Заборные устройства топливных баков КЛА общая характеристика

Поведение жидкости в условиях, приближающихся к невесомости, отличается от поведения жидкости в гравитационном поле из-за преобладающего влияния межмолекулярных сил адгезии, когезии и поверхностного натяжения. В общем случае без принятия специальных мер межмолекулярные силы не обеспечивают сплошности жидкости на выходе из бака, что создает проблему запуска ЖРДУ в условиях, приближающихся к невесомости.

Та же проблема сплошности жидкости на выходе из бака возникает и при изменении направления ускорения, действующего на ЛА под влиянием различных сил (аэродинамического торможения, работы двигателей системы ориентации, притяжения планет и др.).

В настоящее время предложены и частично реализованы многие способы, обеспечивающие подачу ЖРТ из баков в двигатель при малых гравитационных полях и воздействии на ЛА ускорений, переменных по направлению и величине. На рис. 10.1 приведена классификация этих способов.

На многих космических двигательных установках, особенно в первые два десятилетия развития космонавтики, использовались линейные ускорители (двигатели системы обеспечения запуска (СОЗ)) для отделения жидких компонентов топлива от газа-вытеснителя. Эту же задачу можно решить и в центробежном сепараторе, схема которого приведена на рис. 10.2. Центробежные силы оттесняют жидкость 5 на периферию сосуда, а возникающая в поле центробежных сил архимедова сила вытесняет пузырьки газа (пара) к центральному полому стержню (коллектору) 7. Через заборные отверстия 6 пар поступает к электронагревателю 3 и далее на турбину 8, вращающую коллектор 7 с лопастями сепаратора 1.

Время τ_с, необходимое для полного разделения жидкости и пара, складывается из периода τ₁ необходимого для прилива компонента к днищу, и периода τ₂ для прохождения через жидкость распределенных в ней пузырьков пара:

, (10.1)

где m - масса ЛА без топлива; P - величина приложенной силы; L - длина бака, r_{п -} средний радиус пузырька; а- ускорение ЛА; r_п, r_ж - плотность пара и жидкости, соответственно; L₂ - осредненный путь всплытия пузырька.

Бесспорным преимуществом систем, использующих для разделения фаз ускорение, является их высокая надежность, возможность применения любых геометрических форм баков, а также любых компонентов топлив.

Способы забора топлива

Создание ускорений для Вытеснительные системы Использование сил Использование тиксо-

Разделения фаз с механич. разделен. фаз поверхн. натяжения тропных топлив

Двигатели СОЗ Центробеж. Сильфоны Мембраны Метал. сетки Пористые материалы Клиновые

ускорители Мешки поверхности

Использование силовых полей:

Электрических, магнитных

Рис. 10.1. Классификация способов забора топлива в условиях невесомости

Разделение жидкой и газовой фаз может быть осуществлено под влиянием ускорений, развиваемых различными силовыми полями- электрическими, акустическими, магнитными. На рис. 10.3 приведена схема электрофорезной системы разделения жидкости и пара. В неоднородном электрическом поле нейтральные частицы перемещаются в область поля с большей напряженностью. Пар скапливается в области, прилегающей к экранированному центральному электроду

Рис.10.2.Схема центробежного сепаратора:

1 - лопасть сепаратора; 2- клапан; 3 -нагреватель; 4 - полость газа (пара); 5 - жидкость; 6 - заборные отверстия; 7 - коллектор отбора газа; 8 – турбина

Рис.10.3.Схема электрофорезной системы разделения:

1- линии напряженности электрического поля; 2 - источник поля; 3 - жидкость; 4 – пар

Использование силовых полей для разделения фаз требует соответствующего источника энергии, не всегда имеющегося на борту ЛА. Увеличение массы системы питания, связанное с конструктивным решением способа разделения фаз, определяется для конкретной разработки. Однако использование силовых полей не нашло пока распространения из-за недостаточной лабораторной отработки и присущих этому способу недостатков. Двигатели СОЗ для создания ускорений применялись в космической технике достаточно часто, однако этот способ разделения фаз не имеет больших перспектив для ЖРДУ с большим количеством запусков из-за значительного увеличения массы, а также сложностей разделения фаз при наличии разнонаправленных ускорений.

Наконец, центробежные разделители также не нашли пока применения, т.е. требуют источника энергии для привода, тщательной конструктивной проработки и лабораторной доводки в условиях, приближенных к условиям невесомости.

Вытеснительные системы с механическим разделением фаз используют в качестве разделителей деформируемые элементы: сильфоны, поршни, мембраны, мешки. Они не могут быть использованы в топливных баках сложной формы и для криогенных компонентов топлива. Деформируемые элементы из пластичных материалов обеспечивают отделение газа наддува в течение нескольких месяцев. Надежное разделение фаз на более длительный период пока не достигнуто из-за диффузии атомов через пластичный разделитель. Кроме того, они недостаточно надежны как при эксплуатации, так и при монтаже вследствие ограниченной прочности.

Металлические деформируемые элементы хотя и могут обеспечить длительное и многоразовое питание ЖРДУ при любых направлениях ускорений, однако имеют значительную массу и недостаточную надежность. К тому же ни один деформируемый элемент в своем конечном положении не обеспечивает полного вытеснения жидкого компонента вследствие условий монтажа и собственного остаточного объема.

Проблема повторного запуска ЖРДУ в условиях, приближающихся к невесомости, может решаться при использовании тиксотропных компонентов топлива. Явление тиксотропности - это способность коллоидной системы изменять фазовое состояние под влиянием внешних условий (давления, температуры).

Коллоидная система, в которой дисперсионная среда - жидкость, а
дисперсная фаза - твердое вещество, называется золью. В зависимости от степени взаимодействия между дисперсной фазой и дисперсионной средой золи подразделяются на лиофобные и лиофильные. В лиофильных золях взаимодействие между дисперсной фазой и дисперсионной средой выражено очень сильно. Коллоидные частицы этих систем увлекают с собой значительное количество растворителя и создают структурированные студенистые системы, которые обычно называются гелями.

Каркас тонкой трехмерной сетки геля образован дисперсной фазой, поры же каркаса заполняются дисперсионной средой.

Важно отметить, что криогенный золь имеет меньшую испаряемость по сравнению с жидким компонентом. Водородные гели обладают меньшей проницаемостью через конструкционные материалы и сварные швы.

Гелирование компонентов осуществляется добавкой к ним специальных присадок - желатинизаторов. В качестве желатинизаторов могут выступать мелкодисперсные металлические порошки (менее 1 мкм), полученные распыливанием Аl, Мg, Ве без соприкосновения их с воздухом.

Кроме металлических порошков разработаны десятки других желатинизаторов: стирольные полимеры (2 %), октаноат алюминия (0,2 - 1 %), алкиламины, субмикроскопические волокна кристаллического b-карбида кремния, покрытые двуокисью кремния с добавкой 0,01 - 2 % стеариновой кислоты и др.

Компоненты топлива в гелеобразном состоянии в условиях невесомости не растекаются по всему объему бака и обеспечивают готовность системы питания к повторным запускам. При изменении гидростатического давления или при включении насосов возникшие касательные напряжения переводят гель в жидкое состояние и создают условия для обычного течения компонента по каналам системы питания. При уменьшении касательных напряжений (например, при уменьшении давления) компонент возвращается в гелеобразное состояние.

Весьма перспективными системами, обеспечивающими запуск и питание ЖРДУ в условиях, приближенных к невесомости, являются системы, основанные на использовании сил поверхностного натяжения жидкого компонента. Поскольку разделение жидкого компонента и газа наддува осуществляется в этих системах с помощью так называемого капиллярного перепада давлении на границе раздела «газ – жидкость» Dp_кап, их называют капиллярными системами:

, (10.2)

где s — коэффициент поверхностного натяжения жидкости; R₁ и R₂ - главные радиусы кривизны границы раздела.

На практике для расчета капиллярного перепада давлении используется модифицированное уравнение Юнга—Лапласа

, (10.3)

где k - коэффициент, учитывающий форму отверстии (k = 2 для круглых отверстий и k = 2,83 - для квадратных), q - угол смачивания между жидким компонентом и поверхностью материала разделителя, r - характерный размер отверстия (радиус круглого отверстия и сторона квадрата для квадратного отверстия).

Если капиллярный перепад давлений больше суммы перепадов от различных сил, стремящихся разорвать границу раздела “газ – жидкость”, то капиллярное заборное устройство обеспечит разделение фаз и подачу жидкого компонента в ЖРДУ.

Заборные устройства, использующие силы поверхностного натяжения, обладают определенной универсальностью, так как могут быть использованы для любых компонентов топлива и геометрических форм баков.Они характеризуются также высокой полнотой выработки топлива, высокой степенью использования объема бака и широким диапазоном допустимых перегрузок.

Капиллярные фазоразделительные системы условно можно разделить на две основные группы:1) КЗУ с удержанием некоторой части топлива в.области сливного отверстия; 2) КЗУ с полным удержанием всего объема топлива. Следует отметить, что большинство из функционирующих в настоящее время систем управления топливом нельзя отнести к какой-либо одной из указанных выше групп. Эти системы имеют элементы той и другой группы. Останавливаясь коротко на общих чертах каждой из указанных групп, заметим следующее. Удерживая заданную часть топлива вблизи сливного отверстия топливного бака (ТБ) (см. рис.10.4), КЗУ первой группы обеспечивают работу двигателей КЛА в течении промежутка времени, необходимого для осаждения основной массы топлива и генерации непрерывной поверхности раздела фаз (ПРФ) по требуемому контуру. Неконтролируемая часть топлива находится в свободном состоянии и ее перемещения вполне произвольны. Основным элементом КЗУ первой группы является так называемая ловушка, представляющая собой замкнутую камеру, расположенную непосредственно над сливным отверстием. Объем ловушки рассчитан на возможность однократного запуска двигателей. После запуска двигателей топливо под действием перегрузки оседает к сливному отверстию и ловушка повторно заполняется. Как правило, в конструкции ловушки широко используются тканые металлические сетки и перфорирофанные пластины. КЗУ первой группы функционируют чаще всего в условиях однонаправленного действия тяги и не обладают достаточной гибкостью, т.к. для пополнения ловушки требуется большое осевое ускорение.

Рис. 10.4. Капиллярная система управления положением топлива с его частичным удержанием

1 – неконтролируемая часть топлива; 2 – капиллярное заборное устройство;3 – контролируемая часть топлива; 4 – газ; 5 – сливное отверстие; 6 – стенка бака.

Отмеченных недостатков лишены устройства капиллярного нагнетания, которые также можно отнести к первой группе КЗУ. Эти устройства состоят из близко расположенных поверхностей, сближающихся между собой по мере приближения к сливному отверстию.

В отличии от заборных устройств первой группы, работоспособность КЗУ, контролирущих всю массу топлива (рис.10.5) не ухудшается при изменении направления действия вектора тяги. Использование КЗУ второй группы позволяет постоянно поддерживать связь основной массы топлива со сливным отверстием бака посредством кольцевого зазора между стенкой бака и капиллярным экраном. К недостаткам КЗУ второй группы следует отнести более низкую надежность и больший вес по отношению к КЗУ первой группы.

Рис. 10.5. Капиллярная система управления положением топлива со стабилизацией всей его массы.

1 – топливо; 2 – газ; 3 – стенка бака; 4 – капиллярное заборное устройство

Кроме того, при значительных геометрических размерах топливных баков применение такого типа КЗУ становится практически неосуществимым по следующим причинам. Если к корпусу КЛА прилагается некоторая сила F (см. рис.10.6), то весь КЛА приобретает ускорение а, величина которого равна F/m, где m - масса КЛА. Топливо у поверхности КЗУ находится при этом под действием гидростатического перепада давлений

Dp_с = a r l, (10.4)

где r - плотность топлива, кг/м³; l - перепад уровней поверхностей жидкости в направлении действия силы F,м.

Рис. 10.6. Работа капиллярного заборного устройства 2-ой группы в условиях действия боковой перегрузки

1 –жидкость; 2 –газ; 3 – капиллярное заборное устройство; 4 – стенка бака; 5 – поверхность раздела фаз «жидкость-газ».

При значительных размерах бака возникает опасность нарушения работоспособности КЗУ из-за больших перепадов давления. Поэтому ТБ делят на секции одной или несколькими перегородками, которые сообщаются друг с другом через специальные окна. Применение секционированных баков позволяет снизить гидростатический перепад давлений до допустимого уровня.

Диапазоны применения тех или иных типов капиллярных СОЗ в зависимости от действующего внешнего массового ускорения g, времени готовности к запуску ДУ t (время осаждения топлива) и степени загруженности бака топливом h представлены на рисунке 10.7.

Системы питания ЖРДУ с капиллярными заборными устройствами многократно использовались в различных космических аппаратах: ракетных ступенях "Транстэйдж", "Титан-3", "Аджена", межпланетном космическом ^аппарате "Викинг-1", в посадочном и взлетном модулях КК "Аполлон". В настоящее время они используются в реактивной системе управления (РСУ) и системе орбитального маневрирования (СОМ) МТКК "Спейс Шаттл".

Особенности каждой конструкции определяются в основном двумя факторами:

1) величиной действующих на систему перегрузок,

2) функциональным назначением (запуск или запуск и питание ДУ при перегрузках различного направления).

t,с (время осаждения) h,%

	ЛОПАТКИ     (без осаждения)	ЛОВУШКИ (сетки)
	УСТРОЙСТВА ПОЛНОЙ СВЯЗИ (сетки) (МНОГОСЕКЦИОННЫЙ БАК)
УСТРОЙСТВА ПОЛНОЙ СВЯЗИ (сетки)

10^-8 10^-6 10^-4 10^-2 1 3 g,м/c

Рис. 10.7. Диапазон применения капиллярных систем обеспечения запуска двигателя КЛА

Из-за возрастания действующих перегрузок характерные размеры капиллярных разделителей уменьшились до 10 мкм (сетка 325 Х 2300 меш.). Для РСУ МТКК "Спейс Шаттл" по сравнению с КА "Викинг-1" (максимальный зазор пластин достигает 150 мм).

Кроме того, в космическом аппарате "Викинг-1" топливо забирается из центральной части бака и от нижнего днища. Питание ДУ в случае прилиэа к одной из стенок бака, а не к нижнему днищу, не обеспечивается.

Система питания РСУ МТКК "Спейс Щаттл" обеспечивает подачу топлива при любом возможном направлении перегрузок вследствие контакта компонентов с заборными каналами.

В настоящее время системы питания, использующие силы поверхностного натяжения, совершенствуются с целью использования их для криогенных компонентов топлива. Их приходится дополнять системами терморегулирования для исключения кипения жидкости на поверхности капиллярного разделителя.

Имитация действующих на систему питания перегрузок для ряда задач возможна путем подбора масштаба модели и выбора жидкости, имеющей подходящие физические свойства Основными критериями при моделировании величины перегрузки являются критерии Бонда (отношение гравитационных и капиллярных сил) и Вебера (отношение инерционных и
капиллярных сил)

. (10.5)

Кроме равенства критериев Бонда и Вебера для модели и натуры необходимо обеспечить равенство краевых углов смачивания натурной и модельной жидкостей