Экологическая безопасность при испытаниях и отработке ракетных двигателей


Экологические нормы проектирования испытательных стендов для отработки ЖРД и ДУ и систем стартовых комплексов



страница5/7
Дата06.06.2016
Размер0.95 Mb.
ТипУчебное пособие
1   2   3   4   5   6   7

3. Экологические нормы проектирования испытательных стендов для отработки ЖРД и ДУ и систем стартовых комплексов


3.1. Правила устройства и безопасной эксплуатации испытательных комплексов ЖРД и ДУ

Правила устройства и безопасной эксплуатации испытательных комплексов ЖРД устанавливают требования к устройству и безопасной эксплуатации ИК, обеспечению пожарной безопасности, гигиене и безопасности труда и к охране окружающей среды. Правила распространяются на все эксплуатируемые, реконструируемые, строящиеся и проектируемые испытательные стенды ЖРД, хранилища ракетного топлива и экспериментальные лаборатории, в которых проводятся огневые и холодные стендовые испытания ЖРД, агрегатов ЖРД и систем наземного оборудования с применением следующих компонентов ракетного топлива:

- гидразин, несимметричный диметилгидразин (НДМГ) и продукт люминал (суспензия алюминия в гидразине);

- спирт этиловый, углеводородные горючие, керосины различных марок;

- водород жидкий;

- азотный тетроксид (АТ) и окислители на основе азотной кислоты;

- окислители на основе концентрированной перекиси водорода;

- кислород жидкий;

- сжиженный природный газ (СПГ), в том числе метан жидкий.

Проектирование и эксплуатация ИК должны выполняться в соответствии с Правилами. Состав проектной документации на ИК, а также порядок ее разработки и согласования должен соответствовать Строительным нормам и правилам СНиП 11-01.

Действующие ИК и отдельные сооружения, в которых проводятся испытания с применением КРТ, подлежат обязательной сертификации. Руководители и специалисты, занятые проектированием, монтажом, наладкой, ремонтом и эксплуатацией ИК и входящих в них систем, должны быть аттестованы на знание Правил.

В Правилах устройства и безопасной эксплуатации ИК определены опасные факторы, характерные для испытательных комплексов ЖРД. Опасными и вредными производственными факторами являются:

- возможность разрушения объекта испытания (двигателя, агрегата) на рабочем месте испытательного стенда, сопровождающегося разлетом элементов конструкции, проливом КРТ, пожаром и взрывом;

- взрыво- и пожароопасность большинства горючих в смеси с другими КРТ, воздухом и кислородом;

- температура жидких криогенных КРТ и их паров ниже 120 К;

- работа технологического оборудования (резервуаров и трубопроводов) под давлением выше атмосферного;

- наличие в продуктах сгорания КРТ вредных веществ;

- аэродинамический шум от истекающей струи работающего объекта испытания;

- тепловое и силовое воздействие выхлопной струи объекта испытания на газоотражатель испытательного стенда и сооружения ИК;

- понижение концентрации кислорода в атмосфере помещения вследствие утечек азота и разбавления им воздуха, могущее привести к асфиксии (удушью) работников;

- токсичность большинства КРТ и продуктов их взаимодействия.

С учетом токсичности КРТ делятся на четыре класса опасности (по мере убывания опасности):

- первый класс: горючие гидразинового ряда (гидразин, НДМГ и продукт Люминал-А);

- второй класс: некоторые углеводородные горючие (модификации керосина и синтетические горючие) и окислитель перекись водорода;

- третий класс: окислители азотный тетроксид (АТ) и АК-27И (смесь HNO3 – 69,8 %, N2O4 - 28 %, J – 0,12…0,16 %);

- четвертый класс: углеводородное горючее РГ-1 (керосин), спирт этиловый и бензин авиационный.

Водород жидкий, СПГ (метан СН4) и кислород жидкий не токсичны, но при эксплуатации систем с указанными КРТ необходимо учитывать их пожаро- и взрывоопасность (особенно водорода в смесях с кислородом и воздухом).

Санитарно-гигиенические нормы КРТ приведены в табл. 3.1.



Таблица 3.1

Санитарно-гигиенические нормы КРТ

Наименование

КРТ, химическая формула



Плотность при 00С и 760 мм рт. ст., г/см3

Класс опасности по ГОСТ 12.1.007-76

Предельно допустимая концентрация (ПДК)

в воздухе рабочей зоны, мг/м3

в атмосфере воздуха, мг/м3

в воде водоема, мг/м3

Гидразин (N2H4)

1,025

1

0,1

0,001

0,01

НДМГ (С2Н8N2)

0,811

1

0,1

0,001

0,01

Продукт Люми-нал

1,35

1

0,1

0,001

0,01

Спирт этиловый (С2 Н6 О)

0,806

4

1000

5,0




Углеводородное горючее РГ-1

0,847

4

300

1,2




Бензин авиационный

0,74

4

-

5,0

-

Водород жидкий (Н2)

0,071 при Т=20 К

-

-

-

-

СПГ, метан (СН4)

0,424 при Т=111,5 К

-

-

-

-

Окислитель АТ (N2O4)

1,49

3

2,0

0,085

45,0

АК-27И (HNO3, N2 O4 и J)

1,596

3

2,0

0,085

45,0

Окислитель пере-кись водорода

1,37

2

0,3

0,02

0,1

Кислород жидкий

1,142 при Т=90 К













КРТ гидразинового ряда с окислителями жидким кислородом, АТ и АК самовоспламеняются при контакте и смешении, поэтому они пожароопасны. Большинство горючих также взрывоопасны и по ГОСТ 12.1.011 они отнесены к категории взрывоопасности IIА. Так, водород и метан в смесях с кислородом и воздухом в широком диапазоне концентраций взрыво- и пожароопасны, нижние и верхние концентрационные пределы воспламенения и детонации приведены в табл. 3.2.

Таблица 3.2

Пределы воспламенения и детонации топливных пар




Нижний предел, % Н2 по

Верхний предел, % Н2 по

Смесь

объему

Объему




воспламенения

детонации

воспламенения

детонации

Н2-02

4,6

15

94

90

Н2-воздух

4,1

18,3

74,2

59

Метан-02

5,6

15,0

61

60

Метан-воздух

5

6,3

15

13

В зависимости от класса опасности и категории взрыво- и пожароопасности применяемого КРТ для стендов ЖРД и их сооружений определяется ширина санитарно-защитной зоны (наименьшее расстояние до жилых зон). Ширина санитарно-защитной зоны зависит от мощности ЖРД, продолжительности испытания, эффективности применяемых газоочистных устройств, а также от местных условий, которая должна быть не менее указанной в табл. 3.3.



Таблица 3.3

Ширина санитарно-защитной дозы для стендов ЖРД

КРТ

Класс опасности по ГОСТ 12.1.007

Расход КРТ на один запуск, т

Расстояние, м

Гидразин, НДМГ, продукт Люминал

1

До 1

До 10


До 50

До 100


1000

2000


3000

4000


Углеводородное горючее

(типа С10Н16)



2

До 1

До 10


До 50

До 100


450

750


1400

2000


Углеводородное горючее, окислители типа АТ, АК и перекиси водорода

3

До 1

До 10


До 50

До 100


200

450


750

1000

Для стендов ЖРД, использующих КРТ 4 класса опасности (РГ-1, спирт, бензины), а также водород, СПГ и кислород, устанавливается минимальная ширина санитарно-защитной зоны 300 м.

Устройство испытательного стенда и их систем во многом определяется применяемыми КРТ.

Так, при применении опасных КРТ с учетом их токсичности определяется состав систем хранения, заправки и нейтрализации (улавливания) выбросов, чтобы обеспечить безопасные условия труда и исключить вредное влияние их на окружающую среду.

Хранение КРТ производится в специальных хранилищах с учетом класса опасности. Для наддува и продувок систем с КРТ и для обеспечения пожаротушения в отсеках ИК используется очень часто газообразный азот (инертный газ). Поэтому в помещениях и отсеках ИК, где возможны скопления наиболее опасных КРТ (горючие гидразинового ряда, окислители типа АК и АТ, взрывоопасные водород и метан) и инертного газа – азота, должны быть установлены автоматические газоанализаторы контроля опасных концентраций указанных веществ и газов с учетом их ПДК.

В помещениях и отсеках ИК, где проводятся работы с инертными газами (азотом) и кислородом, возможно опасное для работников их поступление или скопление при работающей приточно-вытяжной вентиляции. Поэтому в указанных помещениях следует предусматривать установку газоанализаторов на содержание кислорода с автоматическим включением звуковой и световой сигнализации при опасных концентрациях их в воздухе помещений: при снижении объемной доли кислорода ниже 19 % или повышении – более 23 %. Сигнализирующие устройства должны быть сблокированы с включением вентиляции. Воздухозаборники и контактные приборы должны размещаться в местах возможных утечек или наиболее вероятного скопления инертных газов.

Система сигнализации опасных накоплений водорода должна выдавать сигналы появления водорода в помещениях или других местах, начиная с минимального значения 0,4 % по объему в воздухе. Система сигнализации должна быть оборудована световыми и звуковыми приборами, подающими сигналы при появлении минимальной пороговой концентрации водорода в воздухе.

При пороговом значении концентрации Н2 в воздухе должна включаться:

- световая и звуковая сигнализация при 0,4 % по объему;

- система аварийной вентиляции при 1,0 % по объему;

- система пожаро- и взрывопредупреждения при 2,0 % по объему.

В современных отечественных системах контроля утечек водорода применяются сигнализаторы с инерционностью до 5…7 с.

На американских стендах при выполнении программ “Сатурн-5” и “Спейс-Шаттл” использовались различные системы контроля утечек водорода, в частности, практически безинерционный метод, основанный на добавлении радиоактивного трития в жидкий водород (миллионные доли %) на стадии его получения и последующем контроле утечек счетчиком Гейгера.

Наиболее опасные работы по подготовке и проведению операций с КРТ (заправка и испытание) проводятся по специальному технологическому плану, определяющему последовательность и правила проведения работ персоналом с дистанционным управлением и контролем операций. Перед проведением заправки и испытания системы с КРТ должны быть проверены на герметичность и проведены автономные и комплексные испытания систем автоматики и управления.

Нейтрализация, улавливание токсичных и взрывоопасных газов и топлив производится с помощью методов и устройств, которые будут рассмотрены в следующих разделах.



3.2. Принципиальные схемы систем нейтрализации

Многие промышленные производства основаны на технологических процессах с применением воды. Без воды, как и без энергии, они не могли бы работать. Каждому человеку в день необходимо потреблять 2 – 2,5 л воды. Мировая промышленность за год “выпивает” огромную массу воды – 1300 км3.



.В процессе производства часть воды испаряется, а оставшаяся, насыщенная разнообразными загрязняющими веществами, вновь попадает в реки, озера, подземные воды и моря. Объем этой воды составляет около 800 км3 в год. Если ее не очищать, то всех рек мира (а их годовой суммарный сток – около 40 тыс. км3) не хватит, чтобы восстановить загрязненные воды до качества, близкого к естественному, так как их потребуется разбавить в 1000 раз. Поэтому отработанные воды предприятий подвергают очистке; при этом нередко очищенную воду снова используют в производственном цикле. Такая система называется водооборотной. Поскольку часть воды все же теряется, то в оборотную воду добавляют немного свежей. Водооборотные системы широко используются в России, США, Японии и других странах. Водооборотные системы используются также на ИК, в системах охлаждения элементов стенда и в системах нейтрализации проливов КРТ. Обычные промышленные очистные сооружения удаляют лишь порядка 80 – 85 % загрязняющих веществ. В России такую воду называют нормально очищенной, однако, чтобы она приблизилась к естественной норме, ее необходимо разбавлять в пять – десять раз.

Промышленное загрязнение природных вод идет тремя путями. Во-первых, загрязненные сточные воды по канализационным трубам сбрасываются в водные объекты. Во-вторых, через атмосферу: все попавшие в нее загрязняющие вещества со снегом, дождем или в виде пыли в конце концов оказываются на поверхности Земли, а затем смываются в водоемы. Наконец, со свалок твердых промышленных отходов постоянно идет поток растворов; от 30 до 50 % минеральных удобрений и синтетических ядохимикатов смывается с полей дождями и талыми водами.

Таким образом, природные воды являются тем конечным пунктом, куда попадают все загрязнения из атмосферы и почвы.

Принципиальные схемы промышленных систем обеззараживания сточных вод перед их сбросом в водоемы и систем очистки питьевой воды, поступающей потребителям, показаны на рис. 3.1.





Рис.3.1. Принципиальные схемы промышленных систем очистки сточных вод (вверху) и систем очистки питьевой воды (внизу)
В обоих случаях используют осаждение взвесей, фильтрацию, аэрацию (обогащение кислородом), биохимические процессы и хлорирование. Кроме того, во многих системах для очистки питьевой воды вместо хлорирования используют озонирование. Указанные выше принципы очистки используются также в системах нейтрализации проливов (выбросов) КРТ. Во-первых, необходимо их собрать путем смыва водой в сборнике системы нейтрализации, а затем произвести их нейтрализацию в специальных системах с применением различных методов (термического, абсорбционного, биологического и др.). Например, абсорбционный метод основан на способности НДМГ или АТ вступать в реакцию с некоторыми веществами с образованием растворимых или газообразных продуктов. При очистке газов от паров НДМГ и АТ используются различные абсорбционные устройства, в которых реализуются следующие способы создания контакта между жидкостью и газом:

- пропускание газа в виде мелких пузырьков сквозь слой жидкости (барботирование);

- пропускание газа через разбрызгиваемую жидкость;

- смешение газа и жидкости в потоке (эжекция).

Эффективность систем нейтрализации проливов и выбросов КРТ, применяемых на ИК, несколько выше общепромышленных установок по очистке сточных вод ввиду интенсивности происходящих процессов за счет, например, турбулизации потоков и других эффектов.
3.3. Устройство испытательного стенда

и его основные системы

Испытательный стенд – это техническое устройство для установки объекта испытания в заданное положение, создания воздействий, съема информации и осуществления управления процессом испытаний и объектом испытаний.

Испытательные стенды различного назначения обычно состоят из двух частей, соединенных коммуникациями:

- исполнительной, состоящей из объекта испытания и систем, обеспечивающих воздействие различных эксплуатационных факторов;

- командной в виде пульта управления и систем информации (преобразование, анализ и отображение информации о параметрах объекта испытания).

Сложность испытательных стендов постоянно возрастает. Это объясняется многими причинами:

- увеличением сложности ЛА, что приводит к необходимости контроля все большего числа параметров;

- увеличением уровня, длительности приложения и усложнением спектра нагрузок, действующих на ЛА в полете, которые необходимо имитировать в процессе наземных испытаний;

- стремлением к одновременному воспроизведению нагрузок различной физической природы с целью приближения условий наземных испытаний к полетным;

- ужесточением экологических требований к испытательным стендам и их системам, исключающих техногенное воздействие на окружающую среду и обеспечивающих безопасность испытаний.

Все чаще встречаются случаи, когда сложность стендов сопоставима со сложностью испытываемых систем.

Проектирование испытательных стендов – сложный процесс, который включает в себя разработку технического задания, функциональных и принципиальных схем, разработку и расчет отдельных элементов и систем стенда, выбор компоновочной схемы стенда, обеспечивающей заданные проектные параметры, и окончательную разработку технической документации на стенд.

Существуют различные подходы к проектированию испытательных стендов. При индивидуальном подходе исходят в основном из частных задач создания стенда, которые возникают на том или ином предприятии в связи с необходимостью контроля определенных параметров ЛА или его узла.

При комплексном (системном) подходе вопросы проектирования стендов решаются исходя из комплексных задач обеспечения заданного уровня качества ЛА. В этом случае при разработке проекта на ЛА предусматривается создание системы взаимосвязанных стендов, необходимых для отработки, испытания и контроля систем вновь создаваемого ЛА на всех стадиях его проектирования, производства и эксплуатации.

Устройство испытательного стенда и систем ИС во многом определяется применяемыми КРТ [2,3].

Так, при применении опасных КРТ с учетом их токсичности и пожаро- и взрывоопасности состав систем хранения, заправки и нейтрализации (улавливания) выбросов (проливов) должен обеспечить безопасные условия труда и исключить вредное влияние их на окружающую среду.

Хранение КРТ производится в специальных хранилищах с учетом класса опасности.

Принципиальная схема стенда для испытаний двигателя и ДУ представлена на рис. 3.2.

К основным системам обеспечения испытаний стенда можно отнести следующие.

1. Системы топливоподачи, которые включают: систему хранения, заправочные системы (для баков ДУ и для стендовых баков питания двигателя), расходные системы.

Системы топливоподачи можно классифицировать на:

- насосные;

- вытеснительные;

- газобаллонные.

Р
ис. 3.2. Принципиальная схема стенда для испытаний ДУ

Системы топливоподачи предназначены для хранения и подачи различных компонентов топлива (криогенных, высококипящих, низкокипящих, металлизированных и других). В качестве теплоизоляции систем с криогенными компонентами топлива (например, водород и кислород) могут применяться различные виды теплоизоляции: вакуумная, пористая и экранно-вакуумная.

На рис. 3.3 показана стендовая система подачи криогенного компонента (жидкого водорода) для испытания ЖРД. Показаны различные подсистемы, обеспечивающие переохлаждение криогенного топлива: эжектированием газовой подушки, барботированием некондесирующимся газом через слой жидкости, с использованием теплообменных устройств с вторичным теплоносителем (жидким азотом или паром) и циркуляцией компонента. Показана также пусковая подсистема подачи с разделительной емкостью жидкого водорода для обеспечения гидродинамического подобия систем подачи стенда и ракеты на переходных режимах работы (запуске).




Рис. 3.3. Схема системы подачи криогенного компонента к ЖРД

Для проведения длительных по продолжительности испытаний питание двигателя осуществляется из стендового топливного бака водорода с подпиткой из баков хранилища.

2. Системы наддува. Как и в ДУ, они могут быть непрерывного и дискретного действия. В качестве регулирующих органов используются газовые редукторы, дроссели при непрерывном действии и отсечные клапаны или электро- пневмоклапаны, открываемые по командам систем регулирования от сигнализаторов давления (СД) или датчиков давления.

3. Системы газоснабжения. Включают газификационные установки (рис. 3.4) или компрессорные установки (рис.3.5) для закачки сжатых газов, баллоны для хранения сжатых газов, устройства для очистки, осушки и маслоотделения, а также устройства для отбора и проведения анализа состава и состояния газов (например, содержание кислорода в газообразном азоте не должно превышать 1 %, содержание О2 в Н2 не более 10-4 % по объему; точка росы должна быть ниже -50 оС и т. д.), распределительные щиты для выдачи газов потребителю с различными параметрами расхода и давления.

Р
ис. 3.4. Система газоснабжения с газификацией криогенного компонента


Р
ис. 3.5. Система газоснабжения с компрессорной установкой

4. Система отвода продуктов сгорания – газоотражательные устройства, которые могут быть выполнены в открытом (как показано на рис. 3.2) и закрытом исполнении (рис. 3.6,в) в зависимости от продолжительности испытания, параметров и характеристик двигателя. Газоотражательные устройства стендов могут быть охлаждаемыми и неохлаждаемыми.

5. Система охлаждения – замкнутая или разомкнутая. При этом предпочтительнее замкнутые системы охлаждения, так как расходы охлаждающей воды очень большие () и достигают десятков тонн в секунду, что требует при больших временах работы двигателя на стенде больших запасов воды, насосов большой производительности для подачи воды на охлаждение элементов стенда. Здесь массовый секундный расход топлива .

Для работы систем охлаждения элементов стенда и пожаротушения применяются различные технологические системы. Вытеснительная система подачи воды может быть использована для охлаждения некоторых элементов стенда (например, рам, державок и других конструкций) при относительно небольших расходах охлаждающей воды и продолжительности испытания.

Р
ис. 3.6. Системы нейтрализации и дожигания выбросов КРТ:

а – абсорбционный; б – термический; в - система отвода продуктов сгорания


В основном используется насосная система подачи, которая включает резервуары для хранения достаточных объемов воды, магистрали заправки, группу перекачивающих насосов с электроприводами, всасывающие и напорные магистрали питания, регулирующую, контрольную и запорную арматуру. Для экономии воды строят замкнутые системы водоснабжения, в которых нагретая в тракте элемента стенда (выхлопной диффузор, газоотводящее устройство) вода охлаждается в градирнях или брызгательных бассейнах. Для замкнутой системы водоснабжения требуется восстановление только испарившейся в процессе охлаждения воды. Брызгательные бассейны дешевле, но для них требуется большая площадь. Градирни могут быть размещены на меньшей площади, но строительство их связано со значительными капитальными затратами. Поэтому вопрос о выборе и строительстве того или другого охладителя решается с учетом конкретных особенностей каждого испытательного комплекса.

В системах охлаждения газоотражательных устройств стенда и пожаротушения используется, как правило, разомкнутая система подачи воды. В указанных системах с учетом расположения резервуаров и насосных станций на значительном расстоянии от стенда, особенно при испытаниях двигателей больших тяг, необходимо выполнять линии закольцовки, которые позволяют уменьшить время поступления воды, например, при ликвидации последствий пожаров на двигателе в процессе испытания. Принципиальная схема подачи воды для охлаждения выхлопного диффузора с газоотводящим устройством и пожаротушения представлена на рис. 3.7.



Рис.3.7. Принципиальная схема подачи воды для пожаротушения и выхлопного диффузора с газоотводящим устройством:

1 – коллектор подачи воды для пожаротушения в боксе; 2 – испытуемый двигатель; 3 – выхлопной диффузор; 4 – газоотводящее устройство; 5 – коллектор подачи воды для охлаждения струи; 6, 7 – задвижки с электроприводом для подачи воды к потреби-телю и обеспечения циркуляции; 8 – электродвигатель; 9, 13 – насос; 10 – резервуар; 11 – указатель уровня; 12 – магистраль заправки; 14 – брызгательный бассейн
Работа системы осуществляется следующим образом. Резервуар 10 через магистраль заправки 12 с вентилем заполняется водой, при этом уровень контролируется указателем уровня 11. После заполнения полостей насосов водой включением электроприводов запускаются насосы 9 и система работает по линии циркуляции через открытые задвижки 7 (проводится слив воды во входной коллектор питания насосов). Затем по определенной команде с пульта управления производится переключение насосов на питание потребителя путем открытия задвижек 6 и закрытия задвижек 7, в результате чего подается вода на охлаждение выхлопного диффузора 3, газоотводящего устройства 4, а также в коллектор охлаждения струи двигателя 5 и коллектор водяного пожаротушения 1. Вода из выходных коллекторов выхлопного диффузора и газоотводящего устройства по магистрали поступает для последующего охлаждения в брызгательный бассейн 14, откуда насосом 13 перекачивается в резервуар 10 для повторного использования.

6. Системы управления (СУ), регулирования процессом испытания и диагностики параметров стенда и испытуемого изделия (двигателя, ДУ). В системах управления в последнее время используются ЭВМ для автоматизированного управления технологическими процессами (АСУ ТП). Система диагностики включает контроль параметров двигателя и ДУ (например, давления, температуры и сплошности потока на входе в насосы, оборотов ТНА для исключения кавитационного срыва насосов, давления и температуры в теплонапряженных узлах камеры и газогенератора, пульсации давления, вибраций и т. д.).

7. Стендовая информационно-измерительная система (ИИС) для получения информации о параметрах и характеристиках в системах испытательного стенда и объекта испытания.

В некоторых современных системах функции управления и информационно-измерительные функции могут быть объединены.

8. Система электроснабжения ИИС, СУ и вспомогательных систем (грузоподъемных устройств, оборудования стенда).

9. Системы вентиляции (приточная и вытяжная), отопления.

10. Система обеспечения безопасных условий. Включает контроль среды в отсеках и помещениях ИК, обеспечение пожаротушения, службы химической защиты, организационно-технических мероприятий по технике безопасности. Для обеспечения экологических требований на испытательном комплексе используются системы улавливания и нейтрализации токсичных и взрывоопасных выбросов, показанные на рис. 3.6. Это в основном дренажные выбросы из баков при заправке, сливе, а также выбросы газов из камер сгорания двигателей.

В указанных системах применяются термический метод, основанный на дожигании газов с добавлением окислителя или горючего, и абсорбционный метод, основанный на поглощении вредных выбросов (газов) химическими соединениями . В качестве абсорбента применяют: для горючего – кислоты, воду и для окислителей – щелочные растворы. Для дренажных выбросов устройства простые и нашли широкое применение, а устройства для улавливания выбросов из камер в процессе запуска и работы очень громоздкие, эффективность их мала и вопрос их применения решается в комплексе с учетом необходимости обеспечения глушения шума и светомаскировки.

Для примера на рис. 3.6,в показана система улавливания и нейтрализации токсичных выбросов с закрытым выхлопом из двигателя с тягой 100 кН. Струя газов из двигателя, работающего на компонентах топлива НДМГ и АТ, истекает в тракт с выхлопным диффузором и эжектором, где происходит их охлаждение за счет подачи воды в струю, и через камеру смешения и гидрогаситель с водой газ попадает в выхлопную шахту (трубу) и выбрасывается затем в атмосферу.

Расход воды на охлаждение системы и нейтрализацию выбросов в установке составляет 600 кг/c. Эффективность указанной установки по токсичным выбросам составляет 95…97 %.

Для двигателей с тягой более 1500 кН система улавливания и нейтрализации выбросов из камер сгорания в процессе запуска содержит громоздкое оборудование. Так, например, геометрические размеры гидрогасительной камеры составляют до 30 м в диаметре, выхлопной шахты (трубы) в диаметре до 20 м и по высоте более 100 м.

При этом следует отметить, что термохимические методы нейтрализации окиси углерода СО и окиси азота NО значительно проще и эффективнее, чем методы нейтрализации СО и NО в отходящих газах с использованием катализаторов и специальных реагентов. Преимущество термохимических методов заключается в том, что они менее чувствительны к чистоте газового потока и попутно обеспечивают дожигание других веществ: взрывоопасную примесь Н2 и токсичные продукты неполного сгорания углеводородов (сажу и др.).

Как уже упоминалось выше, в ЖРД максимальный удельный импульс тяги достигается при процессах горения с недостатком окислителя, обычно в диапазоне коэффициента избытка окислителя αдв = 0,75-0,85. Поэтому в двигателях, работающих на керосине и кислороде при αдв < 1, образуется большое количество окиси углерода СО и свободного водорода Н2. Так, в выхлопных струях указанного ЖРД содержится до 32 % СО и до 8 % Н2. Применение специальных дожигателей за выхлопным диффузором стенда обеспечивает эффективное дожигание газов за счет подачи в них кислорода и воды. При этом остаточное содержание в выхлопном газе окиси углерода уменьшается до 0,6 % и водорода – до 0,8 % .

11. Системы имитации высотных условий. Их можно разделить на две группы:

- система с барокамерой и откачивающими средствами, содержащая выхлопные диффузоры и эжекторные установки, которая позволяет получить разрежение на срезе сопла двигателя и вокруг двигателя на уровне 150…3000 Па;

- система с барокамерой и откачивающими средствами на основе конденсации выхлопных газов, где наряду с выхлопными диффузорами и эжекторными установками применяются устройства для конденсации газов на криопанелях, охлаждаемых до температуры 77 К (удаление водяного пара и двуокиси углерода) и 20 К (удаление кислорода и азота).

К первой группе относятся системы, представленные на рис. 3.8 и 3.9. На рис. 3.8 показана система имитации высотных условий на стенде при испытаниях ЖРД с использованием барокамеры, выхлопного диффузора (газодинамической трубы) и эжекторного устройства, которые могут применяться как по отдельности, так и совместно. Данная схема применима для испытаний высотных двигателей средних и больших тяг, которая позволяет одновременно уменьшить уровень шума ракетного двигателя с 150-160 Дб до 90-120 Дб . Так, например, при испытаниях кислородно-водородного двигателя РД-0120 на испытательном стенде применялась система глушения шума с диффузором и водяными рассекателями струи, обеспечивающая снижения уровня шума до 120 Дб.

Рис. 3.8. Основные системы испытательного стенда для имитации

высотных условий и охлаждения систем (газоотражателя)
В частности, на одном из стендов США при испытании второй ступени ракеты “Сатурн-5”, в состав двигательной установки которой входило пять двигателей J-2 с суммарной тягой 5115 кН, использовалась система имитации давления, соответствующего высоте 18 км. Установка состояла из сверхзвукового диффузора длиной 22,8 м и диаметром выходного сечения – 4,2 м и встроенного кольцевого парогазового эжектора. Эжектор включался только перед запуском и остановом двигателя. Расход парогаза через эжекторное устройство составлял 407 кг/c.

На стенде фирмы “Мицубиси” (Япония) при испытании двигателя Le-5А с тягой 122 кН для создания высотных условий на срезе сопла использовалась система откачки с барокамерой, выхлопным диффузором и двухступенчатой эжекторной установкой. Схема указанной установки для испытания высотного двигателя Le-5А показана на рис. 3.9.





Рис. 3.9. Схема высотного стенда для испытаний ДУ с двухступенчатой эжекторной системой откачки газов


Ко второй группе систем имитации высотных (космических) условий (разрежение меньше 10-2 Па) можно отнести систему конденсационного типа, в которой могут применяться откачные и теплообменные устройства с уровнем охлаждения до температуры 77 К и 20 К для вымораживания (удаления) газов с применением жидких азота и водорода. На рис. 3.10 показана комбинированная схема системы, применяемая в испытательном центре им. Арнольдcа (США) для имитации высотных условий. В данной схеме используется комбинация систем: барокамера с откачивающими устройствами и теплообменные устройства с криогенной откачкой газов.

В системах имитации высотных условий, показанных на рис. 3.9 и 3.10, применяются громоздкие и энергоемкие оборудования, например, выхлопной тракт стенда для испытаний двигателя Le-5А имеет длину более 100 м и баллонные батареи с регулирующей арматурой для обеспечения расхода парогаза 270 кг/с, подаваемого в эжекторные установки в течение 600 с.




Рис. 3.10. Схема системы имитации высотных условий с конденсационными устройствами в центре им. Арнольдса


Таким образом, в результате рассмотрения систем обеспечения испытаний можно отметить, что многие системы имеют одинаковые технические решения на стенде для огневых испытаний двигателей и ДУ и на стартовом комплексе для обеспечения подготовки и проведения летных испытаний ЛА. К таким системам можно отнести системы заправки компонентами ракетного топлива, системы газоснабжения, системы отвода продуктов сгорания, охлаждения струи и газоотражателя, системы нейтрализации выбросов и проливов КРТ.


Поделитесь с Вашими друзьями:
1   2   3   4   5   6   7


База данных защищена авторским правом ©uverenniy.ru 2019
обратиться к администрации

    Главная страница