2. Рекомендации по выполнению основной части расчетно-пояснительной записки

2.1. Процессы в топливных баках ракет при их наддуве

Параметры газа внутри топливного бака зависят от величины расхода газа на наддув; от состава газа, поступающего в бак; от физико-химических процессов, протекающих в баке; от исходных значений величин газовых подушек; температуры жидкости в баке; конструктивных особенностей бака; типа расположения насадка, применяемого для ввода газа, и от многих других факторов.

При наддуве топливного бака возможно протекание внутри бака следующих процессов:

– движение газа внутри бака;

– теплообмен между стенками топливного бака, зеркалом жидкости и газом наддува;

– массообмен между газом наддува и жидкостью в баке (диффузия, испарение, конденсация, растворение отдельных составляющих газа наддува в компоненте топлива);

– изменение состава газа наддува в результате химического взаимодействия его с жидким компонентом, химических реакций в газе и массообмена;

– изменение параметров газа при расширении его в баке;

– движение уровня поверхности жидкости (зеркала) и перемешивание слоев жидкого компонента, сопровождающегося образованием жидкой пленки на внутренней стенке и силовых элементах бака.

Движение газа и жидкости внутри бака существенно зависит от конструкции, относительного размера и расположения насадка и изменяется по мере опускания зеркала жидкости. При снижении уровня жидкости в баке на его внутренней освободившейся поверхности образуется пленка жидкости, толщина которой зависит от физического состава жидкости и скорости опускания уровня в баке. Пленка жидкости оказывает существенное влияние на протекание внутрибаковых процессов. При одних условиях она может испаряться, увеличивая массу и влажность газа наддува в баке, а при других условиях – увеличить степень конденсации составляющих газа наддува и, следовательно, уменьшить его влажность.

Условием, необходимым для испарения жидкостей, является наличие положительного значения перепада давлений:

,

где р_S – давление насыщенных паров при заданной температуре жидкости; р_П – парциальное давление этих паров в объеме бака.

В случае, когда , процесс массообмена направлен в противоположную сторону, т.е. вместо испарения происходит конденсация паров на поверхности жидкости.

Процесс перехода пара в жидкость возможен не только на поверхности жидкости и стенках бака, но и во всем объеме газа. Объемная конденсация паров наиболее вероятна в начальный момент наддува, когда резко снижается температура горячего газа вследствие смешения его с холодным газом предварительного наддува.

Процессы массообмена (испарение и конденсация), протекающие в баке, тесно связаны с процессом теплообмена между газом, жидким компонентом и стенками бака. В результате теплоотдачи в стенку и жидкость температура газа понижается, что вызывает поверхностную и объемную конденсации. Объемная конденсация протекает интенсивно в начальный период работы системы наддува в результате смешения газа наддува с холодным газом предварительного наддува.

В общем случае тепловые потоки в баке состоят из лучистых и конвективных потоков и тепловых потоков, связанных с переносом массы. При сравнительно низких температурах в топливных баках лучистые потоки пренебрежимо малы. На конвективные тепловые потоки в стенки и жидкость существенно влияет характер движения газа внутри бака и наличие на стенках жидкой пленки, образующейся в результате конденсации паров и опускания уровня компонента. Величины и направления тепловых потоков, связанных с переносом массы, определяются теми же факторами, что и перенос самой массы и существенно зависят от паросодержания и температуры газа наддува, свойств газа наддува, свойств и температуры компонента топлива, площади поверхности и температуры стенок бака.

При наддуве бака горячим газом, содержащим паровую фазу, поверхностная конденсация на зеркало жидкого компонента вызывает появление теплового потока, направленного к жидкости. При наддуве сухим горячим газом тепловой поток от него идет на подогрев и испарение жидкости, причем теплота, затраченная на испарение, вместе с испарившейся жидкостью вновь возвращается в газ наддува. Тепловой поток, направленный к стенкам бака, аналогичным образом может быть разделен на идущий непосредственно в стенки и на испарение жидкости.

Существенное влияние на величину коэффициентов тепло- и массоотдачи в стенку бака и к жидким компонентам оказывают характер движения газа внутри бака и наличие пленки жидкости на стенке бака. В результате процессов тепломассообмена между жидкостью, стенкой бака – с одной стороны и газом – с другой стороны, состав последнего изменяется. Изменение состава газа наддува возможно также в результате химических процессов между газом наддува и жидкостью, а также в результате химических реакций в самом газе. Изменение состава газа наддува в баке приводит к изменению газовой постоянной и показателя политропы.

При расчете горячих систем наддува обычно используется эффективная работоспособность газа внутри бака

,

где р_ – абсолютное давление в баке на момент времени τ; V_ – объем газовой подушки в баке на момент времени τ; G_ – количество газа, израсходованного на наддув бака к моменту времени .

Количество израсходованного газа на наддув бака на момент времени  определяется из выражения

,

где G_O – масса газа предварительного наддува; – суммарный секундный расход газа на наддув бака.

Объем газовой подушки на момент времени  определяется из выражения

,

где V_O – объем недолива топливного бака при заправке; – секундное значение объемного расхода жидкости из бака.

Величина является функцией всех параметров, характеризующих процессы в баке при наддуве горячими газами.