автореферат диссертации по авиационной и ракетно-космической технике, 05.07.07, диссертация на тему:Разработка методик расчета, проектирования и испытания баллона с криогенной заправкой для бортовой дроссельной системы охлаждения

На правах рукописи

Сармин Дмитрий Викторович

РАЗРАБОТКА МЕТОДИК РАСЧЕТА, ПРОЕКТИРОВАНИЯ И ИСПЫТАНИЯ БАЛЛОНА С КРИОГЕННОЙ ЗАПРАВКОЙ ДЛЯ БОРТОВОЙ ДРОССЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ ОХЛАЖДЕНИЯ

05.07.07 — Контроль и испытание летательных аппаратов и их систем

автореферат 2 8 НОЯ 2013

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Самара - 2013

005540947

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королёва (национальный исследовательский университет)» (СГАУ) на кафедре теплотехники и тепловых двигателей.

Научный руководитель: Довгялло Александр Иванович,

доктор технических наук, профессор.

Официальные оппоненты: Кудинов Василий Александрович, доктор физико-математических наук, профессор, федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Самарский государственный технический университет», заведующий кафедрой теоретических основ теплотехники и гидромеханики;

Алексеенко Василий Павлович, кандидат технических наук, доцент, федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королёва (национальный исследовательский университет)», начальник учебной части — заместитель начальника военной кафедры.

Ведущая организация: федеральное государственное унитарное предприятие «Государственный научно-производственный ракетно-космический центр «ЦСКБ - Прогресс»

Защита состоится «24» декабря 2013 г. в 12— на заседании диссертационного совета Д212.215.02 при федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королёва (национальный исследовательский университет)», по адресу: 443086, г. Самара, Московское шоссе, 34, ауд. 209.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Самарского государственного аэрокосмического университета имени академика С.П.Королёва (национальный исследовательский университет)».

Автореферат разослан 23 ноября 2013 г.

Учёный секретарь диссертационного совета, Д 212.215.02

Скуратов Д.Л.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования

Все большее распространение беспилотных летательных аппаратов требует уменьшения массы и габаритов, бортовых систем охлаждения (СО) инфракрасного (ИК) диапазона. В настоящее время существует необходимость в улучшении характеристик бортовых дроссельных систем охлаждения, включая увеличение времени функционирования на борту ЛА и снижение её массы. Дроссельная система охлаждения с предлагаемым здесь баллоном имеет ряд преимуществ перед другими типами бортовых дроссельных систем, основным из которых будет увеличение времени функционирования. Для оценки перспективности дроссельной системы охлаждения (ДСО) на базе баллона с криогенной заправкой (БКЗ) необходима разработка экспериментальных образцов и проведение опережающих исследований физических процессов в имитационных условиях, а также привлечение математического моделирования и проведение исследований на специальных стендах, необходимых при создании и отработке новых бортовых систем охлаждения аэрокосмического назначения.

Степень разработанности темы

В настоящее время для охлаждения ИК - приемников применяются различные типы систем охлаждения: ГКМ Стирлинга, дроссельные, испарительные, а также термоэлектрические охладители. Наиболее перспективными к применению в беспилотных ЛА являются дроссельные системы охлаждения ввиду своей конструктивной простоты и отсутствия вибраций. Но, несмотря на многолетний опыт, основанный на эмпирическом подходе и теоретическом обосновании применения, некоторые аспекты в охлаждении ИК - приемников дроссельными системами охлаждения остались нерешёнными. В этой связи разработка методик расчёта, проектирования и испытания систем охлаждения, сочетающих в себе как испарительные, так и дроссельные типы систем охлаждения, а также средств их реализации на практике, позволяющих минимизировать массу и увеличить время работы, является актуальной задачей.

Цель работы - повышение эффективности бортовой дроссельной системы охлаждения за счёт применения в её составе баллона с криогенной заправкой.

Задачи исследования:

- анализ современного состояния развития СО и обоснование использования баллона с криогенной заправкой в составе бортовой дроссельной системы охлаждения;

- разработка физических и математических моделей для анализа процессов в баллоне с криогенной заправкой и бортовой дроссельной системе охлаждения на его базе, учитывающих специфику неравновесных двухфазных систем;

- разработка методики и рекомендаций по расчёту и испытанию баллона с криогенной заправкой и бортовой дроссельной системы на его базе;

- создание экспериментальной установки для проведения испытаний баллона с криогенной заправкой; проведение экспериментов с целью подтверждения расчётной методики оценки работоспособности экспериментального образца БКЗ;

- получение характеристик бортовых дроссельных систем охлаждения на базе баллона с криогенной заправкой.

Научная новизна заключается в следующем:

- разработана физико-математическая модель баллона с криогенной заправкой;

- решена задача определения параметров состояния криопродукта в неравновесной двухфазной системе с граничными условиями первого рода при условии размещения жидкой фазы внутри газовой среды;

- разработаны методики и рекомендации по расчёту и испытанию баллона с криогенной заправкой как нового элемента для бортовых дроссельных систем охлаждения;

- разработана методика моделирования (численный эксперимент) и расчёта теплофизических процессов в баллоне с криогенной заправкой, как в неравновесной двухфазной термодинамической системе;

- проведены испытания экспериментального образца БКЗ, позволившие получить результаты, подтверждающие расчётную методику; создана и апробирована методика проведения испытаний БКЗ, учитывающая особенности использования криопродукта;

- впервые получены характеристики рабочего тела дроссельной системы охлаждения на основе БКЗ.

Теоретическая и практическая значимость результатов работы заключается в создании впервые системы охлаждения сочетающей в себе характеристики дроссельной и испарительной систем охлаждения, а также разработке на этой основе обобщённого метода расчёта и проектирования такой системы охлаждения и средств её реализации.

Практическая ценность результатов работы

- получены теоретические и экспериментальные данные по теплофизиче-ским параметрам рабочего тела в баллоне нового типа;

- выявленные преимущества БКЗ позволяют разработать типоряд специальных баллонов с улучшенными эксплуатационными характеристиками не зависящие от режима полёта ЛА;

- разработаны рекомендации для расчёта и проектирования баллона с криогенной заправкой и бортовой дроссельной системы на его базе.

- анализ физических процессов в БКЗ позволяет выявить их влияние на характеристики штатных бортовых дроссельных систем охлаждения и подтвердить возможность их совместной эксплуатации без внесения изменений в конструкцию криоохладителей;

- разработанный алгоритм и программа расчёта могут быть использованы для существующих и вновь проектируемых криогенных ёмкостей и систем охлаждения, а также в методике испытаний БКЗ.

Методология и методы исследования

Общий методологический подход при выполнении работы базируется на аналитических методах, численном моделировании, экспериментах на имитационных моделях и экспериментальном образце баллона с криогенной заправкой с

привлечением аппарата вычислительной математики и современных программных средств как существующих, так и специально созданных в процессе работы.

Экспериментальные исследования проводились на стендовом оборудовании кафедры теплотехники и тепловых двигателей СГАУ.

Достоверность, обоснованность и представительность результатов работы обеспечены применением при теоретическом исследовании законов сохранения в общепризнанном виде, корректным использованием экспериментальных данных.

Объект исследования

Теплофизические процессы в баллонах с криогенной заправкой используемых в ДСО.

Предмет исследования

Методики расчёта, проектирования и испытаний баллонов с криогенной заправкой для дроссельных систем охлаждения.

Положения, выносимые на защиту

- анализ режимно-параметрических характеристик баллона с криогенной заправкой;

- методики расчёта баллона с криогенной заправкой и бортовой дроссельной системы на его базе;

- результаты расчётно-теоретического анализа физических процессов в баллоне с криогенной заправкой и результаты экспериментальных исследований;

- численное моделирование (прогнозирование) рабочих характеристик бортовой дроссельной системы охлаждения на базе баллона с криогенной заправкой.

Реализация и внедрение результатов работы

Результаты внедрения диссертационной работы подтверждены актами использования в Государственном научном центре Российской Федерации ОАО «НПО «Орион», г. Москва.

Степень достоверности разработанных моделей и полученных результатов исследований подтверждена сходимостью результатов расчёта с экспериментальными данными, полученными на специально созданном модельном стенде и данными других авторов.

Апробация результатов исследования

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на: всероссийской научно-технической конференции «Новые материалы и технологии» НМТ-2008, г. Москва, МАТИ, 2008 г.; международной молодёжной конференции «XVI Туполевские чтения» г. Казань, КГТУ, 2008 г; международной научно-технической конференции «Проблемы и перспективы развития двигателестрое-ния» г. Самара, СГАУ, 2009 г.; XX международной научно-технической конференции по фотоэлектронике и приборам ночного видения г. Москва, ФГУП НПО «Орион», 2008 г.; XXI международной научно-технической конференции по фотоэлектронике и приборам ночного видения г. Москва, ФГУП НПО «Орион», 2010 г.; международной научно-технической конференции «Проблемы и перспективы развития двигателестроения» г. Самара, СГАУ, 2011 г.; IX международной научной конференции «Актуальные вопросы теплофизики и физиче-

ской гидрогазодинамики», г. Алушта, Институт теплофизики СО РАН им. С.С. Кутателадзе, 2011 г.

Публикации по теме диссертации

По результатам выполненных исследований имеется 14 печатных работ, в том числе пять работ опубликованы в ведущих рецензируемых научных изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России, восемь публикаций в тематических сборниках и трудах конференций.

Структура и объем работы

Работа изложена на 155 страницах, содержит 14 таблиц, 78 рисунков, состоит из введения, 4 глав, выводов к главам, заключения и списка литературы, включающего 60 источников.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении изложены основные особенности бортовых систем охлаждения, на основе чего обосновывается актуальность темы и определяется цель исследований, приводится научная новизна. Кроме того изложена теоретическая и практическая значимость, а также методология и методы исследований.

В первой главе представлен анализ современного состояния развития бортовых систем охлаждения и их подсистем.

Отмечается, что большой вклад в развитие систем авиационно-космического назначения внесли такие учёные, как A.M. Архаров, В.М. Бродян-ский, А.Д. Суслов, Е.И. Микулин, В.А. Афанасьев, Н.М. Григоренко, Г.А. Гороховский, Ю.О. Прусман, В.И. Могорычный, В.И. Карагусов, А.П. Меркулов. Среди научных школ, как наиболее значимых в этой области, можно отметить московские вузы МЭИ и МГТУ им. Баумана, а среди опытно-конструкторских организаций - НТК «Криогенная техника» (г. Омск), НПО «Криогенмаш» (г. Балашиха, МО), НПО «Гелиймаш» (г. Москва) и д.р.

Анализ систем охлаждения показывает, что период существенного роста их эффективности заканчивается. Возможности принципиальных улучшений связаны с совершенствованием их подсистем и реализацией новых физических принципов.

Дроссельные системы охлаждения используются в авиации как системы с разомкнутым и замкнутым циклом. В системах с разомкнутым циклом (баллонные системы) масса заправки и параметры рабочего тела в баллоне определяют их эксплуатационные свойства и реализуемые характеристики. Поэтому создание баллона нового типа, способного работать в составе бортовой системы охлаждения с улучшенными за счёт его использования характеристиками, является актуальной задачей.

Баллон с криогенной заправкой (БКЗ) — это элемент бортовой дроссельной системы охлаждения, обладающий новыми функциональными свойствами, а именно: повышенным ресурсом и возможностью хранения и использования газов как в компримированном, так и в криогенно-жидком состоянии.

Во второй главе представлены исследования, содержащие теоретический анализ рабочего процесса в баллоне с криогенной заправкой (БКЗ).

На рисунке 1 предложена конструкция баллона. Внутри баллона высокого

давления размещается криогенный сосуд (термос) в который заливается рабочее тело. При этом между оболочкой термоса и внутренней стенкой баллона образуется не заполняемая жидкостью газовая полость с теплоизоляцией. Соотношение объёмов термоса и газовой полости таково, что, если криопродукт заправляемый в термос полностью газифицируется, то газ заполнит весь объем баллона, и это будет соответствовать стандартному давлению и номинальной массе заправки газообразным продуктом.

Отправной точкой при проектировании БКЗ является масса заправляемого рабочего тела. Исходя из массы рабочего тела в жидком состоянии, рассчитывается его объем, а затем подбирается термос. Учитывая конечное давление во всем объёме БКЗ, выбирается объём самого баллона, содержащего как термос, так и многослойную экранную теплоизоляцию. В зависимости от конечных параметров температуры и давления однофазного рабочего тела во всем объёме БКЗ подбирается как сама теплоизоляция, так и количество экранов.

Данная глава содержит постановку задачи по определению параметров состояния в двух фазах рабочего тела с учётом конструкции исследуемой ёмкости.

Сложность задачи заключается в том, что рассматриваемая термодинамическая система «газовая полость-жидкость» не является равновесной. Как подсистема - газовая полость является открытой (т.е. с переменной массой рабочего тела) и теплоперенос осуществляется теплопроводностью через многослойную газовую стенку со встречным потоком газа с переменным по радиусу расходом. При этом эти процессы нестационарны (рисунок 2).

Так как изменение объёма жидкости д Vж. за счёт испарения

Рисунок I - Конструктивная схема баллон с криогенной загшавкой

незначительно, и сама газовая полость без учёта объёма газа в термосе имеет постоянный объем, то для рассматриваемого момента времени процессы в газовой полости можно рассматривать как

При V = const .

В случае испарения жидкости и натекании ее в газовую полость, тепло, подводимое к газу,

Рисунок 2 - Схема для постановки задачи и разработки алгоритма расчёта процессов в баллоне

определится разницей между теплом от стенки (!Ос и теплом, уходящим в жидкость ■ Очевидно, что при стационарном процессе переноса тепла теплопроводностью с!Ос = = <11 с. При квазистационарном (во временном промежутке Дг ) процессе при натекании холодной массы газа тх часть тепла ¿10с будет расходоваться на изменение внутренней энергии натекающей массы газа (1т х :

Этот процесс аналогичен рассмотренному у В.П. Исаченко в задаче о теплопроводности пористой стенки со стационарным транзитным потоком жидкости через поры. В этом случае правомерно сделать такие же, допущения о том, что температура основного и вновь поступающего газа на координате г одинакова, а перенос тепла можно представить как теплопроводность основного газа и тепло-массообмен между ним и поступающими массами газа йтхг.

Изменение внутренней энергии вновь, поступившей массы газа в каждую газовую прослойку с!тх г будет:

Здесь определить распределение тхг =/{г) аналитическим путем весьма

сложно. Поэтому были выполнены предварительные расчёты с использованием реальных табличных значений теплофизических свойств рабочего тела (азота), которые показали, что поступившая в газовую полость масса с1тх распределяется в каждой газовой прослойке объёмом ЙК = 2лгйг практически поровну.

Таким образом, <Шх определится интегральной суммой с1ихг по всем слоям.

С учётом вышеизложенного средневзвешенное по массе значение температуры газа в газовой полости будет соответствовать среднеарифметическому значению:

2

До такого среднего температурного уровня < нагреется натекающая масса холодного газа йтх и изменение ее внутренней энергии как доли от изменения внутренней энергии всей массы газа в газовой полости составит:

где значения с,, взяты при соответствующих значениях I .

Таким образом, для рассматриваемого момента времени при заданном линейном распределении температуры газа по радиусу имеется возможность определить с10с и сШх*&их.

с/Ос - ¿О ж = с!и

(1)

¿их г - тх г-С,,,-(Лг , при этом тх= I тхг(г)-с1г .

(2)

^ НАЧАЛО ^

Вывод ре^'льтатоЕ расчетов Построение графиков

Уравнение энергии для газовой полости с внешним подводом тепла и натеканием массы газа будет выглядеть следующим образом:

с/дс - аож + /х ■ итх = аи, (3)

где (с!Ос - с/О,,, ) - тепло, равное разности подводимого и отводимого теплового потока, идёт на с!(7х, т.е.

аос - аож = ыих; (4)

(¡и - изменение внутренней энергии газа в полости за счёт внешнего тепла и натекания массы холодного газа.

В свою очередь <ш как полный дифференциал можно выразить следующим образом:

(IV = Су-т-с1Т+ СуТ-с1т , (5) где т и Т соответственно масса и температура газа в газовой полости.

Подстановка (3) в (4) даёт следующее уравнение:

йих + 1Х ■ Фпх = ¿IV (6)

или с учётом (5):

<111 х + >х ■ с!тх =СУ ■ т- <1Т + Су ■ Г ■ <1тх (7) Основываясь на приведённых выше соотношениях, был разработан алгоритм (рисунок 3) и составлена программа расчёта. Алгоритм содержит следующую последовательность расчётных действий:

— задаются конструктивные параметры баллона, начальные параметры рабочего тела в баллоне, температура стенки и др.;

— расчёт ведётся на один погонный метр цилиндрического баллона;

— для первого шага расчёта определяются параметры состояния газа в газовой полости баллона, параметры жидкости, насыщенных паров над жидкостью в термосной ёмкости БКЗ, занимаемые ими объёмы и массы;

- задавая в качестве шага расчёта величину испарившейся доли жидкости Лтж^ рассчитывается потребное количество тепла, необходимое для его испарения;

- по потере энтальпии стенки баллона находится ее температура;

- масса испарившейся жидкости расчётным образом распределяется между освободившимся в термосе объёмом и газовой полостью баллона;

- по температуре и удельному объёму в газовой полости находится давление в баллоне;

— по изменению внутренней энергии в газовой полости за счёт притока низко-

(конид ^

Рисунок 3- Блок схема программы расчёта параметров в баллоне с криогенной заправкой

температурных паров Лтх из термоса уточняется значение температуры стенки; - с новыми данными по состоянию рабочего тела и стенки баллона расчёт входит в новый цикл.

Программа выполнена в системе программирования Delphi 7 и работает в среде Windows ХР.

Опираясь на методику расчёта происходящих процессов, изложенную в главе 2, с помощью разработанной программы на уровне численного эксперимента были выполнены расчёты основных теплофизических параметров рабочего тела с учётом фазовых переходов и реального состояния газа.

В третьей главе содержатся результаты экспериментальных исследований процессов в баллоне с криогенной заправкой.

На базе БКЗ с целью изучения физической картины и процессов в баллоне была создана экспериментальная установка, изображённая на рисунке 4.

1 - стапель; 2 - винты с проставками; 3 - штуцер термопары; 4 - штуцер соединительный; 5 - манометр; 6 - вентиль регулирующий; 7 - расходомер: 8 — клапан предохранительный пружинный; 9 - клапан предохранительный разрывной; 10 - универсальный газовый баллон: 11 - милливольтметр цифровой; 12 - компьютер.

Рисунок 4 - Схема экспериментальной установки для исследования энергетических

процессов в БКЗ

Сама конструкция и фото внешнего вида установки макетного образца баллона представлена на рисунке 5.

Испытания проводились для двух режимов безрасходного и расходного. В ходе испытаний производилось снятие параметров давления и температуры стенки баллона, стенки термосной ёмкости, газа и жидкости. Давление в бал-

лоне изменялось от 0,1 до 1,6 МПа. Уровень давления при испытаниях ограничивался требованиями техники безопасности, при этом на теплофизические процессы это не оказывало влияния. Масса ёмкости с предохранительной автоматикой составила 8,8 кг. Температура стенки ёмкости в различных сечениях в зависимости от времени работы на расходном режиме фиксировалась тепловизором и представлена на рисунке 6.

Рисунок 5 - Конструкция и фото внешнего вида установки макетного образца БКЗ

30 40 50 60 Время, мин

80 90 — Э

Рисунок 6 - Распределение температуры стенки баллона в различных сечениях в зависимости от времени работы на расходном режиме (индексация точек соответствует рисунку 5) 1 1

и

15 -10 -35 -60 -85 -110 -135 -160 -185

___

, 1 У" 4

1

< ■■4 .4 - /

/

}

/

1Г— к' 1 Г 1 ;— 1 ~~> г к -< 1 1 Ь <1

0 3 5 8 10 13 15 19 22 25 28 30 35 38 41 44 47 50 52 55 Время, мин

Ф Температура газа А Температура жидкости

♦ Температура стенки баллона - • — Температура жидкости расчет

......... Температура газа расчет, — — Температура стенки баллона расчет

Рисунок 7 - Расчётные и экспериментальные графики изменения температуры жидкости, изоляции, газа и стенки БКЗ от времени хранения криопродукта (безрасходный режим)

ц ш

Л «

14

12 10 8 6 4 2 0

>

0 3 5

10 13 15 19 22 25 28 30 35 38 41 44 47 50 52 55

Время, мин ж Эксперимент - Расчёт

Рисунок 8 - Расчётные и экспериментальное изменение давления газа по времени хранения криопродукта в БКЗ (безрасходный режим)

На рисунках 7 и 8 экспериментальные кривые по температуре и давлению наложены на расчётные графики изменения давления и температуры, полученные по вышеизложенной методике при давлении заправки 0,1 МПа жидкого криопродукта.

Максимальное рассогласование теоретических и экспериментальной данных по давлению составило 8 % по температуре 3 %, что указывает на применимость методик.

В четвертой главе были выполнены расчётно-аналитические исследования дроссельных систем охлаждения при различных начальных параметрах рабочего тела. На рисунке 9 представлены рабочие процессы двух вариантов дроссельных систем охлаждения. В первом случае в дроссельной системе используется стандартный баллон, заправленный азотом с начальным давлением Р0 = 30 МПа и температурой Т0 = 293 К.

БВД-баллон высокого давления; В - запорный вентиль; Д-дроссельный вентиль; И - теплоизоляция; ВС - внутренний сосуд (термос); БКЗ баллон с криогенной заправкой; Т- теплообменник: а - рабочий процесс в Т - Б диаграмме; б - схемы дроссельных систем охлаждения: I - обычная баллонная система; II - система с БКЗ Рисунок 9 - Работа дроссельных систем охлаждения

Во втором случае в составе дроссельной системы используется предлагаемый баллон (БКЗ). Термодинамические расчёты показали, что в случае заправки такого баллона криопродуктом (азотом) через 3-4 часа (до 20 часов в зависимости от конструкции) наступает равновесное состояние системы баллон — рабочее тело. Температура составляет величину Г0 = 130 — 135 Кпри давлении Р0 = 4 МПа. При моделировании работы сравниваемых СО принималось, что стандартный и исследуемый баллоны имеют объем У6 = Юл, начальная масса рабочего тела равна т0 = 3 кг, а холодопроизводительность систем задаётся величиной (}х = 10 Вт.

20 1----1-П--- . 55

£ 35 к и ч ч * и о 2

~ , ✓ Ч щ Д 25

х 5---—.. —-->----Я аг

Ч _________о

р ----— 15

о

^ 0 20 40 60 80 | 5

Время, мин * 0 20 40 60 80

—-Дроссельная система с БКЗ Время, мин

— - — Дроссельная система с БВД

а 6

Рисунок 10 - График изменения расхода хладагента (а) и удельной холодопроизводи-тельности (б) по времени работы бортовых дроссельных систем охлаждения

Результаты расчётов удельной холодопроизводительности и расхода хладагента по времени для двух систем, представленные на рисунке 10, показывают,

что время функционирования дроссельной системы со стандартным баллоном и БКЗ соответственно равны гБВД = 60 мин и тБКЗ = 90 мин. Работа дроссельной микрокриогенной установки в реальных условиях применения отличается наличием ряда нестационарных режимов, «деформирующих» рабочий процесс микроохладителя. Основные исходные параметры процесса - давление хладагента рвх его температура Твх и расход т (или один из этих параметров) - изменяются не только в период запуска установки, но и в режиме охлаждения объекта.

Режим охлаждения с переменным фактическим расходом М используют в микроохладителях с регуляторами холодопроизводительности и с «пусковыми» секциями теплообменника, режим с переменным давлением рнх характерен для разомкнутых систем охлаждения, а условие Твх = уаг является типичным для баллонных микрокриогенных систем, поскольку они обычно работают при переменной температуре окружающей среды и изменением температуры в баллоне.

Микрокриогенная установка обычно рассчитывается для работы в экстремальных условиях, либо для минимально возможных в режиме охлаждения рабочих давлений хладагента и максимальных температурах окружающей среды, либо для условий пускового периода, когда необходимо обеспечивать относительно короткое время вывода системы на рабочий режим.

Для определения характеристик теплообменника дроссельных систем была предложена методика расчёта режима «избыточной» холодопроизводительности Qx при переменном расходе хладагента учитывающая реальные теплофизиче-ские свойства рабочего тела. Выполнен сравнительный анализ параметров и характеристик дроссельного теплообменника для системы охлаждения, в которой используется стандартный баллон (БВД), и теплообменника для дроссельной системы охлаждения, в которой используется БКЗ.

Сравнение полученных расчётных данных позволяет сделать вывод, что потребная тепло передающая поверхность микроохладителя (F0 - общая поверхность теплообменника) дроссельной системы с БКЗ в 5 - 10 раз меньше, чем у аналогичной системы со стандартным баллоном, то есть - БКЗ может работать в составе любой штатной дроссельной СО. При расчёте поверхность теплообменника ^ разбивалась на три зоны: Рр - обеспечивает охлаждение прямого потока до температуры, соответствующей кривой постоянного теплосодержания; Рх -поверхность теплообменника необходимая для дальнейшего понижения температуры газа до максимально допустимого значения; - «избыточная» поверхность теплообменника. Зависимость этих поверхностей теплообменников для двух систем от изменения потребного расхода для обеспечения постоянной холодопроизводительности (показатель т) показаны на рисунке 11.

Зависимость отношения избыточной площади поверхности микроохладите-

рх

ля к его полной поверхности (—) от изменения потребного расхода для обеспе-

Р0

чения постоянной холодопроизводительности показывает, что для дроссельного устройства охлаждения с БКЗ требуется на 60 — 70 % меньше избыточной поверхности

При расчёте гидравлического сопротивления Д Рв каналах высокого и низкого давления микроохладителя было выявлено, что Д Р на порядок ниже для дроссельной системы охлаждения с БКЗ. Данный результат обусловлен тем, что в дроссельной системе на базе БКЗ для обеспечения требуемой холодопроиз-водительности имеют место существенно

меньшие расходы и, соответственно, скорости рабочего тела в каналах микроохладителя.

Полученные тепло-физические характеристики БКЗ и СО на его базе позволяют рассматривать методику расчёта как соответствующую происходящим физическим процессам, что разрешает использовать ее в практике расчёта, проектирования и испытаний аналогичных ёмкостей.

В конце четвертой главы представлена оценка перспективности применения БКЗ в составе бортовой дроссельной системы охлаждения. Технико-экономическая оценка применения БКЗ в составе ДСО показывает, что в сравнении с БВД имеет место снижение массы системы до 1,5-2 раз, либо пропорциональное увеличение времени ее функционирования по сравнению с существующими штатными системами.

При этом было проведено сравнение двух вариантов БКЗ в составе ДСО:

1. Холодопроизводительность ДСО 10 Вт, объем баллона высокого давления и БКЗ 1 л.

2. Холодопроизводительность ДСО 2=10 Вт, объем баллона высокого давления и БКЗ 8 л.

Анализ графика (рисунок 12) показывает, что время работы ДСО можно увеличить за счёт БКЗ на 50 — 80 % (в зависимости от массы заправки рабочим телом) в тоже время масса БКЗ больше БВД при равной холодопроизводитель-ности на 5-20 % в зависимости от объёма баллонов.

— го • • • Гр — к» — агх а - система с БВД; б - система с БКЗ Рисунок 11 - Зависимости площадей теплообменника в режиме избыточной холодопроизводительности от пасхола хлалагента

150

100

50

о. СП

3

1 | 2 к

N 1 4

0,2 0,4 0,7 0,9 1,9 3,2 4,4 Масса заправки рабочего тела системы, кг

1 - система с БВД, объём баллона 1 л.; 2 - система с БКЗ, объём баллона 1 л.; 3 - система с БВД, объём баллона 8 л.; 4 - система с БКЗ, объём баллона 8 л. Рисунок 12 - График изменения времени работы систем от массы заправки рабочим телом

Для получения объективной характеристики оценки эффективности использования БКЗ в составе ДСО была введена удельная величина - коэффициент

времени работы У

', где тасо - время работы дроссельной системы, а тбал

- масса баллона систем. Анализ графика (рисунок 13) показывает, что БКЗ при одинаковой массе заправки в составе ДСО увеличивает время работы бортовой системы охлаждения в 1,2 - 1,5 по сравнению с БВД. Или для фиксированного времени работы бортовую ДСО, в состав которой входит БКЗ, необходимо будет заправлять рабочим телом на 40-60 % меньше по сравнению с ДСО на основе баллона высокого давления.

Таким образом, применение БКЗ позволяют снизить массогабаритные характеристики системы, увеличить эффективность использования криогенных рабочих тел и криогенных систем на борту, что особенно актуально для беспилотных ЛА с ограничениями по массе и габаритам.

7

"2 2

3

1 Ч

2 4

0,2 0,4 0,7 0,9 1,9 3,2 Масса рабочего тела системы, кг

4,4

1 — система с БВД, объём баллона 1 л.; 2 - система с БКЗ, объём баллона 1 л.; 3 - система с БВД, объём баллона 8 л.; 4 - система с БКЗ, объём баллона 8 л. Рисунок 13 - Зависимость коэффициент времени работы от массы заправки баллона рабочим телом

заключение

В результате выполнения теоретических и экспериментальных исследований разработана методология и методики по расчёту, проектированию и испытанию баллона с криогенной заправкой для бортовых дроссельных систем охлаждения.

При этом получены следующие результаты н выводы:

1. На основе теоретических и экспериментальных исследований решена задача повышения эффективности авиационной системы охлаждения, заключающаяся в увеличении времени функционирования на борту ЛА и снижении её массы.

2. Разработаны физико-математические модели процессов в баллоне с криогенной заправкой и бортовой дроссельной системы охлаждения на его базе, учитывающие специфику неравновесных двухфазных систем.

3. Разработаны алгоритм и программа расчёта для существующих и вновь проектируемых криогенных ёмкостей и систем охлаждения, а также для использования в производстве, испытании и эксплуатации БКЗ.

4. Решена задача определения параметров состояния криопродукта в неравновесной двухфазной системе с граничными условиями первого рода при условии размещения жидкой фазы внутри газовой среды.

5. Создана экспериментальная установка для проведения испытаний баллона с криогенной заправкой, выполнены эксперименты, подтверждающие расчётные методики и работоспособность экспериментального образца БКЗ.

6. Разработаны методики и рекомендации по расчёту, проектированию и испытанию баллона с криогенной заправкой и бортовой дроссельной системы на его базе.

7. Получены характеристики дроссельной системы охлаждения на основе БКЗ как нового бортового комплекса.

8. Выявленные преимущества БКЗ позволяют разработать типоряд специальных баллонов с улучшенными эксплуатационными характеристиками;

9. Доказано, что применение БКЗ имеет следующие преимущества:

- обеспечивает работу систем со штатным криоохладителем по времени в 1.5 раза больше существующих дроссельных систем охлаждения;

- при заданном времени функционирования и принятых параметрах термо-статирования система охлаждения на базе БКЗ имеет холодопроизводительность на 25 % большую, чем у существующих дроссельных систем;

- ДСО на базе БКЗ требует на 40 - 60 % меньшего количества криопродукта по сравнению с ДСО на основе баллона высокого давления;

- масса СО на базе БКЗ при прочих равных условиях снижается на 30 %.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Статьи в реферируемых изданиях, рекомендованных ВАК:

1. Сармин, Д.В. Анализ работы баллонного микроохладителя при использовании азота с околокритическими параметрами [Текст] / Д.В. Сармин, А.И. Довгялло, А.П. Логашкин, Д.А. Угланов // Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета им. С.П. Королева, 2009. - №3. - 4.2. - С. 328-334.

2. Сармин, Д.В. Дроссельная бортовая система охлаждения на базе баллона с криогенной заправкой [Текст] / Д.В. Сармин, А.И. Довгялло, Д.А. Угланов // Прикладная физика, 2010. - № 6. - С. 75-78.

3. Сармин, Д.В. Использование ёмкости высокого давления с криогенной заправкой в качестве хранилища-регазификатора для автономных комплексов газоснабжения и железнодорожного транспорта [Текст] / Д.В. Сармин, Т.В. Ашихмина, Д.А. Угланов, А.И. Довгялло // Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета им. С.П. Королева, 2011. - №5. - С. 76-83.

4. Сармин, Д.В. Предварительные исследования тепловых процессов в баллоне с криогенной заправкой бортовой дроссельной системы [Текст] / Д.В. Сармин, А.И. Довгялло, Д.А. Угланов // Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета им. С.П. Королева, 2011. - №3. - 4.4. - С. 78-85.

5. Сармин, Д.В. Имитационные испытания баллона с криогенной заправкой для дроссельной системы охлаждения и ее сравнительные характеристики [Текст] / Д.В. Сармин., С.О. Некрасова Д.А. Угланов, А.И. Довгялло // Прикладная физика, 2013. - № 4. - С. 54-59.

6. Сармин, Д. В. Теплоотрицательная энергетика в комплексах сжиженного природного газа [Текст] / А.И. Довгялло, Д.В. Сармин, Д.А. Угланов, Ю.В. Шишкина // Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета имени академика С.П. Королева. - 2013 - №3(41). - С. 84-89.

В других изданиях и материалах конференций:

7. Сармин Д.В. Использование баллона с криогенной заправкой как перспективная технология в системах охлаждения радиоэлектронного оборудования [Текст] / Д.В. Сармин, А.И. Довгялло, Д.А. Угланов // Новые материалы и технологии: сб. докладов всероссийской науч.-тех. конф. - Москва, МАТИ, 2008. - С. 45-46.

8. Довгялло А.И. Авиационная дроссельная бортовая система охлаждения на основе универсального газового баллона [Текст] / А.И. Довгялло, Д.В. Сармин, Д.А. Угланов // XVI Туполевские чтения: сб. докладов науч.-тех. конф.-Казань, КГТУ, 2008. - С. 54.

9. Довгялло А.И. Дроссельная бортовая система охлаждения на базе баллона с криогенной заправкой [Текст] / Д.В. Сармин, А.И. Довгялло, А.П. Логашкин, Д.А. Угланов // Фото электроника и приборы ночного видения: сб. докладов XXI межд. науч.-тех. конф. - Москва, ФГУП НПО «Орион», 2008. - С. 54.

10. Сармин, Д.В. Расчёт энергетических характеристик дроссельной системы охлаждения с криогенной заправкой [Текст] / А.И. Довгялло, Д.В. Сармин,

Д.А. Угланов // XVII Туполевские чтения: Материалы конференции: сб. докладов науч.-тех. конф.- Казань, КГТУ. - 2009. - 4.5. - С. 13-14.

1 1. Сармин, Д.В. Экспериментальная установка для исследования баллона с криогенной заправкой для дроссельной системы охлаждения ИК-приёмника [Текст] / А.И. Довгялло, Д.В. Сармин, Д.А. Угланов // Фото электроника и приборы ночного видения: сб. докладов XXI межд. науч.-тех. конф. - Москва, ФГУП НПО «Орион», 2010. - С. 86.

12. Сармин, Д.В. Предварительные испытания ёмкости с криогенной заправкой для бортовой системы охлаждения [Текст] / Д.В. Сармин, А.И. Довгялло, Д.А. Угланов // Проблемы и перспективы развития двигателестроения: материалы докладов межд. науч.-тех. конф. — Самара, СГАУ, 2011.- №2. - С. 123-124

13. Довгялло, А.И. Исследование тепловых процессов в баллоне с криогенной заправкой дроссельной бортовой системы охлаждения [Текст] / А.И. Довгялло, Д.В. Сармин, Д.А. Угланов // Современная наука: идеи, исследования, результаты, технологии: сб. трудов. - Киев, 2011- Вып. 2(7). - Т.6— С. 238241.

14. Благин, Е.В. Возможность применения термокомпрессора в криогенном газификаторе [Текст] / Д.В. Сармин, Е.В. Благин, Д.А. Угланов, Ю.В. Шишкина // Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве: сб. трудов 8-ой межд. науч.-тех. конф. - Москва, ГНУ ВИЭСХ, 2012,- С.- 35-38.

Подписано в печать 22 ноября 2013 Формат 60x90/16. Усл. Печ. л.1. Тираж 100 экз. Отпечатано с готового оригинал-макета СГАУ, 443086 , г. Самара, Московское шоссе, 34

Федеральное Государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королева (национальный

исследовательский университет)"

На правах рукописи

04201455496

Сармин Дмитрий Викторович

РАЗРАБОТКА МЕТОДИК РАСЧЁТА, ПРОЕКТИРОВАНИЯ И ИСПЫТАНИЯ БАЛЛОНА С КРИОГЕННОЙ ЗАПРАВКОЙ ДЛЯ БОРТОВОЙ ДРОССЕЛЬНОЙ

СИСТЕМЫ ОХЛАЖДЕНИЯ

05.07.07 - Контроль и испытание летательных аппаратов и их систем

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Довгялло Александр Иванович

Самара - 2013

СОДЕРЖАНИЕ

Перечень условных обозначений, индексов и сокращений..........................................4

Введение.............................................................................................................................7

Глава 1 Бортовые системы охлаждения летательных аппаратов...............................17

1.1 Современное состояние развития бортовых систем охлаждения аэрокосмического назначения........................................................................................17

1.2 Дроссельные системы охлаждения..........................................................................24

1.2.1 Замкнутые дроссельные системы охлаждения...................................................25

1.2.2 Баллонные дроссельные системы охлаждения...................................................29

1.3 Схемы и конструкции дроссельных микроохладителей.......................................32

1.4 Системы охлаждения с использованием хладагента в субкритическом состоянии..........................................................................................................................39

1.5 Системы охлаждения с хранением сжиженных хладагентов при температуре окружающей среды.........................................................................................................42

1.6 Выбор типа систем охлаждения...............................................................................44

Выводы по 1 главе...........................................................................................................51

Глава 2 Баллон с криогенной заправкой (БКЗ)............................................................53

2.1 Рабочий процесс баллонной дроссельной системы...............................................53

2.2 Баллон с криогенной заправкой...............................................................................57

2.3 Теплофизика процессов в баллоне с криогенной заправкой................................61

2.3.1 Масса заправляемого рабочего тела.....................................................................61

2.3.2 Определение времени хранения криоагента в БКЗ в безрасходном состоянии..........................................................................................................................62

2.3.3 Физико-математическая модель процессов в баллоне с криогенной заправкой..........................................................................................................................64

2.4 Алгоритм и результаты расчёта параметров в баллоне (БКЗ)..............................71

Выводы по 2 главе...........................................................................................................82

Глава 3 Экспериментальные исследования процессов в баллоне с криогенной заправкой..........................................................................................................................83

3.1 Объект исследования. Цели и задачи эксперимента.............................................83

3.2 Подготовка и проведение испытаний.....................................................................85

3.3 Обработка результатов испытаний БКЗ..................................................................91

3.4 Анализ результатов испытаний БКЗ.......................................................................93

3.5. Исследование температурного состояния стенки БКЗ.......................................100

3.6 Расчёт на прочность баллона в программном пакете ANS YS Structural...........103

3.6.1 Граничные условия..............................................................................................106

3.6.2 Настройка постпроцессора..................................................................................106

3.6.3 Анализ результатов..............................................................................................107

3.7 Оценка погрешностей определяемых величин. Основные положения используемого метода оценки погрешности..............................................................112

3.8 Рекомендации по доработке конструкции БКЗ....................................................117

Выводы по 3 главе.........................................................................................................121

Глава 4 Определение характеристик дроссельной системы охлаждения на базе баллона высокого давления и БКЗ при различных начальных параметрах............122

4.1 Время функционирования дроссельных систем охлаждения.............................122

4.2 Работа баллонного микроохладителя при использовании азота с околокритическими параметрами................................................................................129

4.4 Технико-экономические характеристики дроссельной системы охлаждения

на базе БКЗ.....................................................................................................................140

4.5 Оптимальная масса криопродукта и масса ёмкостей для его хранения............143

Выводы по 4 главе.........................................................................................................153

Заключение.....................................................................................................................154

Список использованных источников..........................................................................156

ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ, ИНДЕКСОВ И СОКРАЩЕНИЙ

Условные обозначения:

п ДЖ

Я - газовая постоянная,

кг-К

с1 „ -наружный диаметр баллона, м ; йн - внутренний диаметр баллона, м ;

кг

Рстенки - плотность материала стенки, —г;

м

Vс - объем стенки баллона (одного погонного метра), м3\ тс - масса стенки баллона (одного погонного метра), кг\

Н

Р0 - начальное давление в баллоне, —т',

м

7^ - начальная температура стенки баллона, К;

о щЩэю

Сс - начальная теплоемкость стенки баллона,

кг-К

й Т - диаметр термосной ёмкости, м ;

8из - толщина изоляции, м ;

с1из - диаметр изоляции термосной ёмкости, м ;

Уг - объем термоса баллона, м3;

Т°ж - начальная температура жидкости, К;

Токр - температура окружающей среды, К;

1Ж - энтальпия жидкости при определённой температуре,

кг

кДж .

кг

£> - плотность жидкости, —г,

~ Ж 3

м

УУ1Ж - масса жидкости в одном погонном метре термоса, кг;

иг - начальный удельный объем газа, —;

кг

Уг - объем газовой полости, м3;

Щ - масса газа, находящегося в газовой полости, кг;

Я пот ~ тепл°5 потребное для нагрева 1 кг жидкости, цЦщ

бпот ~ тепло, потребное для нагрева жидкости, цЦщ

\ - коэффициент теплопроводности газа, Вт /м- К;

Лиз - коэффициент теплопроводности изоляции термоса, Вт / м- К;

Qc - мощность теплового потока от стенки к жидкости, Вт / м\

Тж - время прогрева жидкости до нового значения температуры, с;

Т'с - температура стенки баллона, К;

А тисп - время, за которое происходит испарение части жидкости, с;

Ост - количество тепла, через газовую прослойку от стенки к жидкости, цЦщ Г - теплота испарения жидкости, кДж / кг;

Ьтж - масса жидкости, испарившейся за промежуток времени Атист кг;

3'

м

б - удельный объем жидкости,

кг

д V ж Р - объем газовой полости в термосе, м3;

О - удельный объем паров жидкости в термосе, —;

кг

Атп - масса паров в объёме, освободившемся от испарения жидкости, кг;

а газа

Шхолод - масса низкотемпературного газа, кг;

■газа ~ кДж

1халод ~ энтальпия паров испарившеися жидкости,

кг кДж

Су- изохорная теплоемкость газа,

кг • К

АТг - изменение температуры в газовой полости, К; Т'г+] - температура в газовой полости, К; гИ*х - масса газа в газовой полости, К;

Ог - удельный объем газа в газовой полости,—;

кг

Р - давление в баллоне,

м

ЛГС - изменение температуры стенки баллона, К;

Т'с+] - уточнённое значение температуры стенки баллона, К;

т'^ - масса жидкости в термосе, кг;

У^1 - общий объем, освободившийся в термосе от жидкости, м3; а0щГ внешний коэффициент теплоотдачи.

тбвд- время работы штатной системы, мин; тбкз- время работы штатной системы с БКЗ, мин; Спр- приведенная теплоёмкость, кДж/ кг -К;

энтальпии газа до дросселирования, кДж / кг-,

- энтальпии газа после дросселирования, кдж / Кг\

тепловыделение чувствительного элемента, Вт;

~ тепловыделение из окружающей среды, Вт; <2 х - холодопроизводительность дроссельной системы, Вт; ар - гидравлическое сопротивление теплообменника, МПа; Рост - остаточное давление в баллоне, МПа; рГТ - плотность насыщенных паров в термосной ёмкости, кг!мъ; О*

тепловая нагрузка на микроохладитель, Вт;

М0 - минимальный расход хладагента, кг/с, М - фактический расход хладагента, кг/с;

АТН - температурный напор на теплом конце теплообменника БВД, К; А Тн ' - температурный напор на теплом конце теплообменника БКЗ, К;

- общая поверхность теплообмена, м ;

^ - средне интегральный коэффициент теплопередачи; Вт/(м2-К); Т2в - температура газа перед дросселем, К;

кДж

- энтальпия рабочего тела после дросселя,-;

1 кг

- охлаждение прямого потока до температуры постоянного

2

теплосодержания, м ;

Рх - площадь теплообменника необходимая для понижения температуры газа

2

до заданного уровня, м ;

- «избыточная» поверхность теплообменника, м2;

кДж

шн - потери холода от недорекуперации,-;

кг

ДТХ, ДТр - средние температурные напоры между потоками, К;

кх , кр - средне интегральные значения коэффициентов теплопередачи для зон

теплообменника Рх и

(2г = М-(/, -14)~ тепловая нагрузка на зону Рр теплообменника, Вт; 0рХ ~ тепловая нагрузка на зону Вт.

Сокращения: ОЭС - оптико-электронная система; ИК - инфракрасный приёмник излучения; БВД - баллон высокого давления; БКЗ - баллон с криогенной заправкой; ЗДС - замкнутая дроссельная система; ДСО - дроссельная система охлаждения; БДСО - бортовая дроссельная система охлаждения; ПКГ - полупроводниковые квантовые генераторы; СВЧ - сверхвысокая частота; ЛА - летательный аппарат; ГКМ - газовая криогенная машина; СПГ - сжиженный природный газ; СО - система охлаждения.

ВВЕДЕНИЕ

В современных летательных аппаратах авиационного и космического назначения все более широкое применение находят различные оптико-электронные и квантовые системы и устройства навигационного, боевого и научного назначения. Лазерные дальномеры, прицелы, системы наведения, лидары, гироскопы - вот далеко не полный перечень устройств, основным элементом которых является оптико-электронный прибор [1,2].

Одним из основных элементов оптико - электронных систем (ОЭС) являются инфракрасные приёмники (ИК-приёмники). Высокая эффективность работы ИК-приёмников обеспечивается охлаждением до температуры 77 К и ниже [3,4]. Для этого существуют различные системы и агрегаты, классификация которых представлена в главе 1.

Обеспечение охлаждения до криогенных уровней температуры ИК -приёмников, элементов оптических систем и других устройств, устанавливаемых на летательных аппаратах, - важнейшее требование, предъявляемое ко многим авиационным и космическим проектам. Существует множество систем охлаждения, разной степени совершенства, которые могут удовлетворить тем или иным техническим требованиям. Основными параметрами, которыми отличаются аэрокосмические системы охлаждения от промышленных или систем наземного применения, являются:

- минимально возможная масса и габариты;

- минимально возможная потребляемая мощность;

- высокая надёжность, исключающая необходимость ремонта.

Степень совершенства бортовых систем охлаждения (СО) в значительной

мере определяет возможности аэрокосмической техники.

Актуальность работы обусловлена необходимостью повышения эффективности существующих и разработки новых более современных систем охлаждения с улучшенными тактико - техническими и эксплуатационными характеристиками.

Дроссельная система охлаждения с предлагаемым в данной диссертационной работе баллоном, имеет ряд преимуществ перед другими типами бортовых дроссельных систем, основным из которых будет увеличение времени функционирования. Новизна и ожидаемая перспективность дроссельной системы охлаждения на базе баллона с криогенной заправкой (БКЗ) требуют разработки экспериментальных образцов и проведения опережающих исследований.

Целью работы является повышение эффективности бортовой системы охлаждения за счёт применения в её составе баллона с криогенной заправкой.

Объект исследования:

- теплофизические процессы в баллонах с криогенной заправкой используемых в дроссельной системе охлаждения (ДСО).

Предметом исследования являются:

- методики расчёта, проектирования и испытаний баллонов с криогенной заправкой для дроссельных систем охлаждения.

В соответствии с поставленной целью были определены задачи исследования. Их содержанием было:

- анализ современного состояния развития СО и обоснование использования баллона с криогенной заправкой в составе бортовой дроссельной системы охлаждения;

- разработка физических и математических моделей для анализа процессов в баллоне с криогенной заправкой и бортовой дроссельной системы охлаждения на его базе, учитывающие специфику неравновесных двухфазных систем;

- разработка методики и рекомендаций по расчёту, проектированию и испытанию баллона с криогенной заправкой и бортовой дроссельной системы на его базе;

- создание экспериментальной установки для проведения испытаний баллона с криогенной заправкой, проведение экспериментов с целью

подтверждения расчётных методик и оценки работоспособности экспериментального образца БКЗ;

- получение характеристик бортовых дроссельных систем охлаждения на базе баллона с криогенной заправкой.

Методы исследования.

Общий методологический подход при выполнении работы базируется на аналитических методах, численном моделировании, экспериментальных исследованиях опытного образца баллона с криогенной заправкой с привлечением аппарата вычислительной математики и современных программных средств как существующих, так и специально созданных в процессе работы.

Экспериментальные исследования проводились на стендовом оборудовании кафедры теплотехники и тепловых двигателей СГАУ.

Достоверность, обоснованность и представительность результатов работы обеспечены применением при теоретическом исследовании законов сохранения в общепризнанном виде, корректным использованием экспериментальных данных.

Положения, выносимые на защиту:

- анализ режимно-параметрических характеристик баллона с криогенной заправкой;

- методики расчёта, и проектирования баллона с криогенной заправкой и бортовой дроссельной системы на его базе;

- результаты расчётно-теоретического анализа физических процессов в баллоне с криогенной заправкой и результаты экспериментальных исследований;

- численное моделирование (прогнозирование) рабочих характеристик бортовой дроссельной системы охлаждения на базе баллона с криогенной заправкой;

Научная новизна:

- разработана физико-математическая модель баллона с криогенной заправкой;

- решена задача определения параметров состояния криопродукта в неравновесной двухфазной системе с граничными условиями первого рода при условии размещения жидкой фазы внутри газовой среды;

- разработаны методики, и рекомендации по расчёту, проектированию и испытаниям баллона с криогенной заправкой как нового элемента для бортовых дроссельных систем охлаждения;

- разработана методика моделирования (численный эксперимент) и расчёта теплофизических процессов в баллоне с криогенной заправкой, как в неравновесной двухфазной термодинамической системе;

- проведены испытания экспериментального образца БКЗ, позволившие получить результаты, подтверждающие расчётную методику; создана и апробирована методика проведения испытаний БКЗ, учитывающая особенности использования криопродукта;

- впервые получены характеристики дроссельной системы охлаждения на основе БКЗ как нового бортового комплекса.

Практическая ценность:

- получены теоретические и экспериментальные данные по теплофизическим параметрам рабочего тела в баллоне нового типа;

- выявленные преимущества БКЗ позволяют разработать типоряд специальных баллонов с улучшенными эксплуатационными характеристиками;

- разработаны рекомендации для расчёта, и проектирования баллона с криогенной заправкой и бортовой дроссельной системы на его базе;

- анализ физических процессов в БКЗ позволяет выявить их влияние на характеристики штатных бортовых дроссельных систем охлаждения и подтвердить возможность их совместной эксплуатации без внесения изменений в конструкцию криоохладителей;

- разработанный алгоритм и программа расчёта могут быть использованы для существующих и вновь проектируемых криогенных ёмкостей и систем охлаждения, а также в методике испытаний БКЗ.

Реализация и внедрение результатов работы:

Результаты внедрения диссертационной работы подтверждены актами использования в Государственном научном центре Российской Федерации ОАО «НПО «Орион», г. Москва.

Апробация диссертационной работы:

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на: всероссийской научно-технической конференции «Новые материалы и технологии» НМТ-2008, г. Москва, МАТИ, 2008 г.; XX международной научно-технической конференции по фотоэлектронике и приборам ночного видения г. Москва, ФГУП НПО «Орион», 2008 г. международной молодёжной конференции «XVI Туполевские чтения» г. Казань, КГТУ, 2008 г; международной научно-технической конференции «Проблемы и перспективы развития двигателестроения» г. Самара, СГАУ, 2009 г.; XXI международной научно-технической конференции по фотоэлектронике и приборам ноч�