ИССЛЕДОВАНИЕ ПУТЕЙ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАКЕТ КОСМИЧЕСКОГО НАЗНАЧЕНИЯ НА ОСНОВЕ ГАЗИФИКАЦИИ ОСТАТКОВ ЖИДКОГО ТОПЛИВА В БАКАХ РАКЕТ тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.07.07, кандидат наук Маярская Маргарита Евгеньевна

• Маярская Маргарита Евгеньевна
• кандидат наук
• 2016

Оглавление диссертации кандидат наук Маярская Маргарита Евгеньевна

ВВЕДЕНИЕ

Глава 1. Аналитический обзор существующих технологий повышения эффективности ракет космического назначения с маршевыми жидкостными ракетными двигателями

1.1 Анализ источников загрязнения околоземного космического пространства и районов падения отделяющимися частями РКН с маршевыми ЖРД

1.2 Обзор существующих технологий повышения эффективности РКН с маршевыми ЖРД

1.3 Функции окислителя в составе ГГС

1.4 Металлы в составе ГГС

1.5 Постановка задач исследования

1.6 Основные результаты и выводы по первой главе

2.1 Структура испытаний при проведении исследований ГГС на экспериментальных стендах

2.2 Программы и методики проведения испытаний

2.3 Состав экспериментального исследовательского стенда

2.4 Основные результаты и выводы по второй главе

Глава 3. Подбор газогенерирующих составов для осуществления газификации невыработанных остатков топлива в баках ступеней РКН с маршевыми ЖРД

3.1 Модель термодинамического равновесия сложных систем

3.2 Общие требования к системе газификации

3.3 Оценка параметров и процессов системы газификации

3.4 Оценка массы ГГС, необходимых для газификации КРТ

3.5 Основные результаты и выводы по третьей главе

4.1 Реализация методики получения частиц окислителя различных размеров для улучшения характеристик горения ГГС

4.2 Реализация методики повышения равномерности распределения частиц металла в составе ГГС

4.3 Расчет газогенератора на примере ГГС для БГ ОЧ второй ступени РКН типа «Союз-2.1.в»

4.4 Основные результаты и выводы по четвертой главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

Приложение А

Приложение Б

ВВЕДЕНИЕ

В данной работе исследуются возможности повышения эффективности ракет космического назначения (РКН) с маршевыми жидкостными ракетными двигателями (ЖРД) за счет использования системы газификации, предназначенной для испарения невыработанных остатков жидких компонентов ракетного топлива (КРТ) после остановки маршевого ЖРД. Под эффективностью понимается полнота использования КРТ в баках ракет после остановки маршевого ЖРД за счет газификации с помощью газогенерирующих составов (ГГС) с физико-химическими свойствами, удовлетворяющими установленным в работе ограничениям.

Актуальность темы исследования

Деятельность ракетно-космической отрасли в последующие годы может быть затруднена вследствие засоренности окружающего пространства: операционных орбит, а также обширных областей на поверхности Земли.

В ходе эксплуатации РКН, представляющих собой конструкцию, состоящую из нескольких отделяющихся частей (ОЧ) - ступеней, а также блока полезной нагрузки (ПН), выводимой на орбиту, после выполнения каждой ступенью установленной миссии, ОЧ отбрасываются и выводятся из эксплуатации.

Для первых (и вторых - для многоступенчатых РКН) ступеней на поверхности Земли предназначены обширные территории - зоны падения, общая площадь которых в России составляет 49, а в Казахстане - 95 тысяч квадратных километров. Районы падения (РП) становятся причиной отчуждения огромных территорий и невозможности их использования (для возделывания земель в том числе) [67, 90].

Верхние ступени ракет после отработки своего ресурса остаются на операционных орбитах. С течением времени осуществляется их постепенный спуск в атмосферу, где они сгорают [67]. Однако возникает возможность чрезвычайных ситуаций, таких как:

- в процессе спуска в атмосферу возможны столкновения ступеней с объектами, находящимися в космическом пространстве (также отработавшие составляющие РКН, выведенные из эксплуатации спутники, действующие космические аппараты), и образование большого числа обломков - космического мусора (КМ);

- при сгорании в атмосфере ОЧ может быть уничтожена не полностью, что, в свою очередь, вызовет либо загрязнение поверхности Земли элементами конструкции (также увеличение площадей РП), либо, при наличии невыработанных остатков КРТ, в том числе токсичных, загрязнение почвогрунтов или вод, а также возможны пожары (в зависимости от типа РКН и заправленного топлива);

- на орбите наличие КРТ может вызвать взрыв ступени и последующее образование большого числа крупных и мелких объектов КМ [67, 90, 104, 119, 128];

- оставленные на орбитах функционирования ступени могут стать причиной столкновений с другими космическими объектами или аппаратами;

- число объектов КМ, находящегося на орбитах функционирования, растет с каждым годом, препятствуя исследованию космического пространства, увеличивается вероятность возникновения описанных чрезвычайных ситуаций.

Необходимо извлечь невыработанные жидкие остатки из баков ступеней РКН, исключив вероятность возникновения чрезвычайных ситуаций. Для этого разрабатывается активная бортовая система спуска, включающая в себя систему газификации КРТ и систему реализации полученного импульса - газовый ракетный двигатель (ГРД) [59, 86, 88, 92].

Возможна утилизация невыработанных остатков компонентов жидкого ракетного топлива за счет использования полученного в результате процесса их

газификации теплоносителя (ТН) для придания импульса ступени, достаточного для спуска ее с орбиты функционирования в атмосферу или увода на орбиты захоронения (для верхних ступеней), а также сужения возможных площадей падения отработавших ступеней (для нижних ступеней).

Реализация ТН будет успешной лишь в случае высоких величин приращения характеристической скорости, развиваемой ракетой, что возможно при максимальной эффективности газовой смеси (газогенерирующий состав (ГГС) + ТН + газы наддува), подаваемой в специальный ГРД. Характеристическая скорость выражает зависимость выработки КРТ от массовых характеристик, а также от физико-химических свойств ГГС, используемых при газификации.

Величина характеристической скорости зависит от нескольких факторов:

1) полноты использования остатков компонентов топлива в баках;

2) типа и конструктивных особенностей специальных устройств -газогенераторов, устанавливаемых для газификации остатков топлива;

3) применения топливных композиций - газогенерирующих составов (ГГС), способных в ходе горения выделить необходимое для газификации количество теплоты;

4) обеспечения сокращения или исключения количества конденсированных частиц в продуктах сгорания в случае использования твердотопливных композиций.

Цель исследования

Теоретическое и экспериментальное исследование возможности повышения эффективности ракет космического назначения с маршевыми жидкостными ракетными двигателями за счет подбора газогенерирующих составов для газификации остатков жидкого топлива в баках ракет для их последующей утилизации.

Задачи исследования

1. Анализ существующих технологий повышения эффективности ракет космического назначения с маршевыми жидкостными ракетными двигателями.

2. Разработка схемы выработки компонентов жидкого ракетного топлива в баках отделяющихся частей ступеней ракет на основе газификации с применением ГГС.

3. Разработка методов улучшения характеристик газогенерирующих составов.

4. Изготовление установки для экспериментальных исследований физических свойств компонентов газогенерирующих составов.

5. Оценка эффективности применения теплоносителя с улучшенными физико-химическими свойствами, выраженной через приращение характеристической скорости ступени РКН.

Объект исследования

Объектом исследования являются отделяющаяся часть ступени ракет космического назначения с остатками жидких компонентов ракетного топлива в баках, газогенерирующие составы для газификации.

Предмет исследования

Предметом исследования являются пути повышения эффективности ракет космического назначения, улучшение характеристик газогенерирующих составов, таких как теплоемкость, плотность, скорость горения.

Методы исследования

Методы, лежащие в основе исследования: системный анализ, термодинамика, проектно-конструкторский анализ, критериальный анализ, методы оптической визуализации и физико-химические методы.

Научная новизна результатов работы

1. Предложена модификация метода газификации остатков компонентов жидкого ракетного топлива в баках ступеней ракет космического назначения, в основе которой использование твердотопливных газогенерирующих составов.

2. Экспериментальное подтверждение эффективности предложенной технологии улучшения характеристик компонентов твердотопливных газогенерирующих составов.

Научные положения, выносимые на защиту

1. Метод газификации остатков жидких компонентов ракетного топлива в баках отделяющихся частей ступеней ракет космического назначения с маршевыми жидкостными ракетными двигателями, основанный на использовании газогенерирующих составов.

2. Методики улучшения характеристик газогенерирующих составов (тепловыделение, плотность и т. д.) на основе исследования свойств компонентов, входящих в их состав.

Достоверность результатов исследований

Достоверность проведенных исследований обоснована использованием отработанных программ и формул расчета и обработки данных, а также сходимостью экспериментальных данных с данными литературных источников.

Практическая значимость

1. Разработан метод газификации остатков жидких компонентов ракетного топлива в баках отделяющихся частей ступеней ракет космического назначения с маршевыми жидкостными ракетными двигателями, позволяющий повысить эффективность использования жидких компонентов ракетного топлива на 5 %.

2. Разработаны экспериментальные методики улучшения характеристик газогенерирующих составов, позволяющие повысить величину приращения характеристической скорости ступени ракеты.

3. Полученные материалы используются при чтении учебных курсов в ОмГТУ по дисциплинам «Основы ракетно-космической техники», «Испытание и обеспечение надежности ракетно-космической техники».

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «ИССЛЕДОВАНИЕ ПУТЕЙ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАКЕТ КОСМИЧЕСКОГО НАЗНАЧЕНИЯ НА ОСНОВЕ ГАЗИФИКАЦИИ ОСТАТКОВ ЖИДКОГО ТОПЛИВА В БАКАХ РАКЕТ»

Апробация работы

Основные положения и результаты работы докладывались и получили положительную оценку на Международных, Европейских, Общероссийских и Всероссийских конференциях и семинарах: I Российско- итальянский семинар (Омск, 2010); Общероссийская молодежная научно- техническая конференция «Молодежь. Техника. Космос» (СПб, 2011, 2012, 2014); Европейская конференция по астронавтике и космическим наукам - EUCASS (СПб, 2011, Мюнхен, 2013);

Международная молодежная научная конференция «XXI Туполевские чтения» (Казань, 2013); Международная научно- практическая конференция «Безопасность космических полетов» (СПб, 2014); Международная конференция «Высокоэнергетические материалы: демилитаризация, антитерроризм и гражданское применение» (Бийск, 2014).

Публикации

Материалы диссертационного исследования изложены в 20 публикациях: 8 статей, из них 5 статей в журналах из перечня ВАК РФ, в том числе 1 закрытая статья, 8 опубликованы в рецензируемых в базах РИНЦ или Scopus изданиях, а также в 6 научно-технических отчетах.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка цитируемой литературы и приложения. Работа изложена на 112 страницах и содержит 43 рисунка, 19 таблиц, 2 приложения, библиографические ссылки из 130 наименований.

Глава 1. Аналитический обзор существующих технологий повышения эффективности ракет космического назначения с маршевыми жидкостными

ракетными двигателями

1.1 Анализ источников загрязнения околоземного космического пространства и районов падения отделяющимися частями РКН с маршевыми ЖРД

С 1957 года было запущено более 3600 космических аппаратов (КА). За долгое время использования средств исследования космоса было произведено более 1000 крупных и миллионы сотен мелких объектов космического мусора (КМ) - к ним относятся около 23000 каталогизированных объектов размером более 10 см).

Примерно третья часть каталогизированного КМ остается на орбитах функционирования (например, верхние ступени РКН) и представляет угрозу дальнейшему исследованию космоса (вследствие возможности столкновений с другими космическими объектами или, для РКН с ЖРД, вероятностью взрыва невыработанных компонентов жидкого топлива в баках, например, в [49] говорится о взрывах остатков топлива российских РН «Протон», к 2001 году насчитывавших около 25 случаев) [67, 90]. Отработавшие нижние ступени РКН, падая на Землю, способствуют загрязнению почв и вод из-за наличия невыработанных компонентов топлива в баках (для РКН с ЖРД), а также разбросом обломков на большие расстояния, в том числе, в районах, труднодоступных для их сбора и утилизации. Возможно также разрушение конструкций до падения вследствие взрывов остатков КРТ, что может произойти вблизи входа в атмосферу и увеличит площади районов падения обломков.

Классификация КМ, находящегося в околоземном космическом пространстве (ОКП) и на поверхности Земли, представлена на рисунке 1.

Рисунок 1 - Классификация объектов КМ и причин его появления

Россия находится на первом месте в числе стран, загрязняющих космическое пространство [72, 120]. Тем более, что на территории России находится наиболее используемая пусковая площадка - космодром Плесецк, а также строится новый центр пусков - космодром Восточный.

В настоящее время ведутся активные исследования объектов КМ, их размеров и форм, областей расположения, а также разрабатываются документы по предотвращению дальнейшего загрязнения окружающего пространства [39, 62, 66, 107].

1.2 Обзор существующих технологий повышения эффективности РКН с маршевыми ЖРД

Ведущие фирмы США, Японии, Китая, Великобритании, Германии, Индии, исследователи, например, Уолкер Гасс - Швейцария, Лозанна; Мэйсон Пэк, Николас Джонсон, Джеймс Мэйсон - NASA, США, Хайнер Клинкрад - Франция, ESA; Томас Шильдкнехт - Берн, Швейцария, Хью Льюис - Саундгемптон, В.А. Давыдов - Роскосмос; Кристен Гейтс - Германия - возглавляют агентства и

исследовательские центры, ведут работу по поиску методов снижения негативного воздействия использования РКН на окружающее пространство [2, 53, 57, 62, 63, 76, 104, 108, 111].

Среди путей снижения опасности, представляемой КМ выделяют:

- снижение краткосрочной опасности (замедление роста опасности от КМ);

- уменьшение опасности в долгосрочной перспективе, включающее смещение с орбит нефункционирующих КА, увод на орбиты захоронения крупных космических объектов, очистку эллиптических орбит, пересекающих низкоорбитальную область [30].

Существует несколько способов выполнения предложенных действий, разработанных ведущими мировыми агентствами, подробно рассмотренными в Приложении А.

Применение системы газификации остатков жидких КРТ в баках ОЧ ступеней РКН и реализация энергетических ресурсов полученных газов для совершения маневров по очистке окружающего пространства [67, 90] учитывали лишь возможность газификации и утилизации образовавшихся газообразных продуктов, например, посредством сброса через сопла. Данные действия полностью отвечают требованиям [107], позволяя снизить риск возникновения обломков частей РКН в результате столкновений с объектами КМ и последующих взрывов (как в случае столкновения американского Iridium 33 и российского «Космос- 2251» спутников в 2009 г.). Но после извлечения КРТ ОЧ ступеней РКН остаются на орбите, вероятность их столкновения с другими объектами в космосе остается. Кроме того, при падении ступеней или их фрагментов на поверхность Земли, остается необходимость их вывоза с территорий падения, что затруднено (области падения могут находиться в труднодоступных местах, например, на Алтае, в тайге).

Методы извлечения остатков жидких КРТ из баков подробно рассматривались в работах [59, 67, 90], возможные пути описаны с помощью схемы на рисунке 2.

Рисунок 2 - Методы исключения жидких остатков КРТ из баков РКН Уменьшение остатков КРТ на активном участке траектории может способствовать невыполнению доставки груза - полезной нагрузки на орбиту. Это может произойти, в частности от того, что топливо (один из компонентов) будет выработано до завершения РКН миссии. Чтобы исключить такую возможность,

необходимо дополнительное оборудование - усовершенствованная система управления и контроля расходом каждого из компонентов топлива, система выключения маршевого ЖРД после выработки топлива, что вызовет существенное утяжеление конструкции РКН и удорожание всей миссии.

Существуют способы довывода груза на орбиту, включающие использование собственной двигательной установки КА (на американской РКН "Space shuttle"), применение разгонных блоков типа «Фрегат», «Бриз», которые оснащены системами многократного включения двигателя и позволяют осуществить полноценно миссию выведения груза на орбиту. Однако, по завершении маневра ОЧ разгонного блока остается в ОКП, становясь объектом КМ.

Методы пассивации, связывания остатков КРТ или их заключение в особую конструкцию, устойчивую к разрушению, содержат в себе определенные трудности и не являются оптимальными.

Все методы, относящиеся к наличию остатков КРТ в баках, пусть и в нереакционноспособном состоянии, оставляют вероятность возникновения негативных последствий (взрывов, пожаров) вследствие непредвиденных обстоятельств (в частности, столкновений с объектами КМ), которые могут возникнуть в процессе спуска ступеней на поверхность Земли. Кроме того, требуется произвести существенную доработку конструкций и систем РКН, в том числе и перед пуском, чтобы обезвредить КРТ до падения на Землю. Если использовать данные методы для верхних ступеней, то, как было сказано, даже при обеспечении безопасности, относящейся к взрывоопасности объекта, он все же остается на орбите функционирования [15, 16, 17, 18, 21].

Дожигание или термическое разложение КРТ требуют разработки специфических устройств, которые утяжелят конструкции ступеней. Кроме того, необходимо тщательно подбирать вещества, реагирующие к КРТ, так как возможно протекание реакций с большим выделением тепла и газа, что повлечет за собой отклонения значений температуры и давления от норм прочности конструкции и будет способствовать ее разрушению. Обезвреживание хорошо изучено и применялось на практике [90], оно достигается путем подачи противоположного

компонента в бак с испаряемым и является, несомненно, отличным способом нейтрализации негативного воздействия остатков КРТ на почвы и воды в РП на поверхности Земли. Данный метод, применим и для верхних ступеней, однако, объект остается по завершении процедуры на орбите.

В условиях невесомости, а также неопределенности положения остатков КРТ в баках сложно применять любые способы, относящиеся к вытеснению КРТ специальными устройствами или газами, так как необходимо сосредоточение остатков в области дренажных отверстий. Согласно исследований, проведенных НОЦ «Космическая экология» на базе МАИ, при завершении маршевым ЖРД своей работы вследствие перегрузок и изменения жесткостных характеристик нижних днищ топливных баков происходит перемещение компонентов внутри бака от нижнего к верхнему днищу, в результате чего жидкость в большинстве случаев занимает различные положения [86].

Системы сброса КРТ (в жидком или газообразном состоянии) в окружающее пространство через сопла сброса или маршевый ЖРД позволяют обеспечить полную выработку КРТ. Однако, существует опасность, что токсичные компоненты не успеют разложиться до безопасных составляющих до входа в атмосферу, поэтому требуется дополнительное исследование диапазона высот, для которых данные методы будут оптимальны. Кроме того, возможны случаи забивания дренажных отверстий снегом вследствие падения давления и замерзания образовавшегося конденсата.

Если использовать метод вскрытия баков, то возможны случаи разрушения конструкции ступени и образования большого числа обломков, которые, при падении на поверхность Земли, расширят области падения, увеличив негативное воздействие.

В представленной работе рассмотрены вопросы разработки и проведения испытаний основного элемента активной бортовой системы спуска отработанных ступеней (РКН) - системы получения теплоносителя за счет применения ГГС, включающих в себя такие компоненты, как окислитель, горючее, а также добавки для повышения скорости горения и тепловыделения в ходе газификации.

1.3 Функции окислителя в составе ГГС

Окислители являются источниками получения газообразных веществ, необходимыми для осуществления химической реакции. Для ЖГГ применяются жидкий или газообразный кислород, водород, фторид хлора, азотистые соединения и пр.

Фторид хлора и кислорода являются чрезвычайно сильными окислителями. Их применение нежелательно вследствие токсичности как исходных составов, так и продуктов реакции взаимодействия с другими веществами. Также известно, что керосин самовоспламеняется в присутствии данных окислителей, что делает их использование небезопасным [3].

Для окислителя в твердотопливных газогенераторах основной функцией является выделение значительного количества газообразных веществ (кислорода, азота или водорода) из твердых зарядов для обеспечения полноценной реакции горения [113-115, 116, 123, 128].

Перхлорат аммония в качестве окислителя в составе ГГС

Наиболее употребляемым в качестве окислителя является перхлорат аммония (ПХА) [94-96, 100, 117]. Данное вещество при разложении выделяет большое количество газообразных продуктов (содержание кислорода достигает 34 %), что способствует получению высоких значений удельного импульса. Несмотря на токсичность продуктов разложения [94], применимость данного окислителя широко известна. Существуют методы, позволяющие избежать образования хлористого водорода в ходе реакции горения - это добавки нитратов щелочных металлов или диоксида марганца (MnO2) и прочие [116]. Положительный эффект таких добавок был доказан в начале XX века несколькими зарубежными исследователями [99, 109].

Еще одним недостатком ПХА является высокая коррозионная активность, особенно в условиях высокой влажности, что сказывается на прочностных характеристиках КС и прочих элементах конструкций РКН.

Для перхлората аммония, входящего в состав ГГС, необходимо обеспечить сочетание частиц различных размеров в составе топлива. В работах [3, 95, 96] говорится распределении частиц данного окислителя по размерам: два или три типа размеров в составе образцов. Круг исследователей, занимавшихся вопросом горения составов на основе ПХА, огромен, например, Kishore (1979) и Ramohalli (1984), Brill и Budenz (2000), Summerfield и др. (1960), Hermance (1960), Waesche (1969), Beckstead и др. (1970), Price и др. (1986), Chorpening и Brewster (2002), Ramakrishna и др. (2002), Bandera A., De Luca L., Shusser M., Miller M.S. и т. д. Выявлено, что добавка мельчайших частиц к более крупным способствует сокращению времени, требуемого для достижения полноценного горения образца (при отсутствии внешнего нагревательного воздействия) [3 с. 153, 97]. Уменьшение размера частиц ПХА увеличивает влияние на скорость диффузионного горения, а, следовательно, на скорость образования зоны смешенного горения. На рисунке 3 представлена зависимость скорость горения образцов от размерности ПХА для состава, содержащего 86 % ПХА, в качестве связующего использовался полибутадиен с концевыми гидроксильными группами (HTPB) [103].

Рисунок 3 - Величина скорости горения образцов с частицами ПХА различных размеров при давлении, варьируемом от 1 до 100 атм

Как следует из рисунка, для давления, равного 1 атм не представляет никакого воздействия варьирование размеров частиц окислителя. С ростом давления (например, для 40 атм.) становится очевидно, что снижение размеров частиц ПХА позволяет повысить скорость горения образцов.

Проведено исследование использования частиц ПХА различных размеров на базе лаборатории Миланского политехнического института, в подразделении профессора Л. Де Люка. Воздействие на скорость горения ГГС оказывает сочетание крупных и мелких фракций ПХА [95-97, 99, 100, 103, 125]. Известно, что крупные частицы ПХА имеют хорошие качества при хранении, а также поддерживается низкий уровень их гигроскопичности. Для мелких частиц характерно увеличение гигроскопичности с возможностью слеживаемости, а также, для частиц 5 - 10 мкм при транспортировке возможны чрезвычайные ситуации из-за высокой плотности окислителя в емкостях при его высокой реакционной способности [94]. Кроме того, частицы мелкие в ходе реакции быстро разлагаются, в то время, как для газовыделения крупным частицам требуется большее время.

Существует проблема поставок частиц окислителя, в рассматриваемом случае, ПХА, имеющего размеры менее 20 мкм. Это связано с повышенной гигроскопичностью порошка с частицами настолько малых размеров, повышенной реакционной способностью - вероятно возгорание или взрыв, а также высокой вероятностью слеживания порошка [94]. Поэтому одной из задач является экспериментальное исследование возможности получения частиц таких размеров для непосредственного применения в рамках изучения ГГС.

Нитрат аммония в качестве окислителя в ГГС

Существует еще вариант окислителя - нитрат аммония [100, 110]. Но, в [95, 96, 100, 116, 129], при сравнении ПХА и НА получают следующие выводы: несмотря на отсутствие токсичных продуктов разложения и довольно высокие энергетические характеристики, основными проблемами при использовании нитрата аммония считаются: низкая скорость горения составов на их основе, плохая воспламеняемость составов, невысокие энергетические характеристики (в

сравнении в ПХА). Еще одним существенным недостатком окислителя является высокая гигроскопичность, а также возможные изменения объемов заряда вследствие полиморфных превращений кристаллической структуры нитрата аммония (для некоторых температур) [10].

Содержание окислителя в составе смеси должно быть высоким из-за низкого содержания газообразного кислорода в окислителе. Его плотность мала, а температурная чувствительность высока [10, 94]. Таким образом, нитрат аммония применим в случае, если необходимо большое время горения смеси вследствие того, что он имеет низкие температуры (до 1750 К) и скорости горения.

Динитрамид аммония и октоген в качестве окислителя в ГГС

В конце 70-х годов был разработан еще один окислитель - динитрамид аммония (АДНА). В работах [113, 114] Лемперта Д. Б., Нечипоренко Г. и Манелиса Г. Б., а также во многих других, например, [103, 112, 115], работах итальянских исследователей (Ь. Эе Ьиса, Ь. Оа^еШ, Б. М১1, и пр.) обязательно имеется часть, посвященная описанию, исследованию и применению АДНА. Нетоксичность продуктов реакции, высокие значения удельного импульса, а также доступность на рынке способствуют применению разработанного вещества в составе ГГС.

Еще одним компонентом ГГС может быть октоген. Согласно [48, с. 104, 244] октоген является наиболее важным мощным промышленным взрывчатым веществом и используется в качестве высокоэнергетического высокоплотного наполнителя высокоэффективных твердых топлив и баллиститных порохов. Он обладает высокой скоростью детонации. Кислородный баланс - 21,61 %, массовая доля азота - 37,81 %. Обеспечивает высокую плотность смеси и высокие значения удельного импульса.

1.4 Металлы в составе ГГС

Металлы - алюминий и магний рассматриваются как наиболее подходящие для применения. Алюминий широко представлен на рынке - многие

отечественные и зарубежные производители готовы поставлять данный металл. Имеется большое разнообразие форм и размеров частиц алюминия, типы покрытия для повышения характеристик горения также варьируются. Он является часто употребляемым вследствие высокой теплотворной способности реакции окисления, широкой доступности на мировых рынках, невысокой стоимости, а также нетоксичности ПС. Подробное описание свойств данного металла дано в [70].

На основании анализа многочисленных работ, изучающих металлы в составе твердых ракетных топлив [25, 38, 52, 65, 75, 97, 101, 103, 106, 116, 122, 123, 129], было выявлено, что составы с алюминием являются наиболее эффективными по большинству из параметров.

Существует несколько факторов, влияющих на эффективность горения ГГС, используемых в случае применения твердотопливных газогенераторов, в том числе агломерация частиц металлизированных добавок. Агломерация представляет собой скопление твердых частиц ПС в группы, формирование крупных образований, препятствующих равномерности горения топлив. Следствием являются снижение газообразования, уменьшение количества выделяемой в ходе реакции теплоты, уменьшение скорости горения топлив, значительное снижение величины удельного импульса ракеты. Агломерация становится существенной в случае, когда концентрация металла в составе топлива превосходит определенный порог, зависимый от исходного размера частиц металла, входящего в топливную смесь: растет с увеличением размера частиц [43].

Результаты, представленные авторами в [100], показывают важность исследования металлических добавок (на примере алюминия, магния).

1.5 Постановка задач исследования

Цель работы - теоретическое описание и экспериментальное исследование возможности повышения эффективности РКН с маршевыми ЖРД за счет выбора

ГГС для газификации жидких КРТ в баках ракет для их последующей утилизации. Для достижения поставленной цели необходимо решить задачи:

1. Провести анализ существующих технологий повышения эффективности ракет космического назначения с маршевыми жидкостными ракетными двигателями.

2. Разработать схему выработки компонентов жидкого ракетного топлива в баках отделяющихся частей ступеней ракет на основе газификации с применением ГГС.

3. Предложить и рассмотреть методы улучшения характеристик газогенерирующих составов.

4. Исследовать физические свойства компонентов газогенерирующих составов.

5. Оценить эффективность применения теплоносителя с улучшенными физико-химическими свойствами, выраженную через приращение характеристической скорости ступени РКН.

1.6 Основные результаты и выводы по первой главе

1. Из анализа научных публикаций выявлены направления и методы исследований системы газификации, заключающиеся в пассивации жидких КРТ и, в основном, удалении полученных газов из баков ступени посредством сброса в окружающее пространство. Приведены недостатки существующих путей повышения эксплуатационных характеристик РКН с маршевым ЖРД.

2. Предложен вариант газификации с применением ГГС для повышения эффективности РКН с ЖРД за счет полноты выработки жидких КРТ в баках ракет, а также использования полученного теплоносителя для реализации маневров ступени. Выявлено, что на эффективность газификации оказывает влияние компонентный состав ГГС.

Глава 2 Исследование возможности повышения эффективности системы газификации остатков жидких КРТ в баках ракет

В работе рассмотрены вопросы разработки и проведения испытаний основного элемента активной бортовой системы спуска отработанных ступеней (РКН) - системы получения теплоносителя [13, 84]. Разработана схема работы системы газификации КРТ (рисунок 4).

Рисунок 4 - Схема работы установки по газификации КРТ и последующей утилизации с использованием различных типов газогенераторов (ГГ): 1 -маршевый ЖРД, 2 - бак горючего (БГ), 3 - ГГ для с зарядом ГГС (на примере твердотопливного ГГС) для БГ, 4 - остатки КРТ в БГ, 5 - бак окислителя (БО). 6 -

остатки КРТ в БО, 7 - ГГ для БО (на примере ЖГГ), 8 - ГРД, (Г, О) - емкости с жидким ГГС, 9 - клапан, 10 - мембрана, 11 - редуктор давления, 12 - дроссель, 13

- баллон с газом наддува

После завершения ступенью миссии программно-временное устройство с помощью электро-пневмоклапанов запускает процесс газификации (для БГ в данном примере, срабатывает воспламенитель заряда твердого ГГС в 3, для БО -после срабатывания клапана через редуктор в емкости Г и О поступает сжатый газ (газ наддува) из 13, затем, через мембраны 10 поступает в ГГ, откуда, как и из ГГ для БГ, полученный ТН подается через дроссели 12 и мембраны 10 в бак с невыработанным КРТ. Затем образованные газы подаются в ГРД из каждого бака.

Система газификации является основной частью активной бортовой системы спуска, предлагаемой для утилизации жидких остатков КРТ. В нее входят несколько элементов, определяющих ее вес и конструкцию:

- система получения теплоносителя (за счет использования ГГС) - ГГ;

- топливо для осуществления процесса - ГГС;

- система ввода теплоносителя;

- система регулирования и подачи топлива в ГГ (при использовании жидкостных ГГС);

- система регулирования и подачи ТН в баки с остатками КРТ.

В качестве источника теплоносителя предложены ГГС - композиции, состоящие из нескольких веществ, имеющих различные физические и химические свойства. Исследование свойств компонентов ГГС необходимо для поиска возможности улучшения характеристик ГГС, например, количества выделяемой в ходе газификации теплоты, минимизации массы остающегося в ГГ осадка от горения твердотопливных ГГС и т. д.

Испытания проводились на экспериментальных стендах научно-исследовательской лаборатории БРЬаЬ в рамках программы научно-образовательного сотрудничества ОмГТУ и Миланского политехнического университета. Исследовались следующие характеристики ГГС, используемых для газификации остатков жидких КРТ в баках ракет: удельная теплоемкость, давление, температура при горении, удельная масса, плотность, теплотворная способность и т. д. [14, 88].

2.1 Структура испытаний при проведении исследований ГГС на экспериментальных стендах

Испытания позволили найти оптимальные конструктивные и схемные решения отдельных частей системы газификации. На рисунке 5 представлена схематично структура стендовых (наземных) испытаний [51].

х

Исследовательские

Модельные

Полноразмерные

Конструкторские

Сравнительные

Уточняющие

Доводочные

Завершающие доводочные

Наземные ОИ

Автономные \ Комплексные

1

Совместные

Межведомственные

Установочные

Контрольно-технол.

Контрольно-выбороч.

Спец. периодич.

Рисунок 5 - Структура наземных стендовых испытаний Автономные испытания проводятся вне двигательной установки или объекта, а комплексные, наоборот, в составе двигательной установки или объекта.

Исследовательские испытания проводят для определения характеристик и параметров процессов, происходящих в двигателе. В результате появляется возможность улучшения конструкций. Исследуются типы топлив, подбираются оптимальные соотношения компонентов, ищутся способы повышения эффективности топлив, изучаются процессы в камерах сгорания и газогенераторах, анализируются процессы теплообмена, исследуется горение, причины его неустойчивости, а также вырабатываются рекомендации по ее исключению, проверка методик расчета и их уточнение.

Модельные испытания, проводимые на стендах, позволяют сократить расходы энергии и затраты на воспроизведение полномерных экспонатов, также -

проводить эксперименты при удобных условиях (температуре, давлении, влажности), приспособить модель для целей эксперимента.

Полноразмерные испытания проводятся на натурных стендах с их доработкой по стыковке со стендом и по установке датчиков для регистрации параметров.

При конструкторских испытаниях оценивается работоспособность, устойчивость и ресурс работы, нахождение значений основных параметров и их разброса и т. п.

Конструкторские испытания подразделяются на сравнительные (выбор из нескольких конструкций наиболее предпочтительной), уточняющие (определяют фактические значения параметров, определяющих область работоспособности конструкции), доводочные (доводят конструкцию до значений параметров, прописанных в техническом задании), заключительные доводочные (незначительные доработки, испытания окончательного конструкторского варианта).

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Маярская Маргарита Евгеньевна, 2016 год

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Абугов, Д. И. Теория и расчет ракетных двигателей твердого топлива : учебник для машиностроительных вузов / Д. И. Абугов, В. М. Бобылев. - М. : Машиностроение, 1987. - 272 с. : ил.

2. Авдеев, А. В. К вопросу борьбы с космическим мусором с помощью лазерной космической установки на основе HF-НХЛ [Электронный ресурс] / А. В. Авдеев. - Режим доступа : http://www.mai.ru/science/trudy/published.php?ID=35496.

3. Алемасов, В. Е. Теория ракетных двигателей : учебник для студентов машиностроительных специальностей вузов / В. Е. Алемасов, А. Ф. Дрегалин, А. П. Тишин ; под ред. В. П. Глушко. - М.: Машиностроение, 1980. - 533 с. : ил.

4. Алешина А.С., Сергеев В.В. Газификация твердого топлива : учеб. Пособие. - СПб. : Изд-во Политехн. ун-та , 2010.- 202 с.

5. Американцы создали липкую космическую руку [Электронный ресурс]. - Режим доступа : http://pikabu.ru/view/amerikantsyi_sozdali_lipkuyu_kosmicheskuyu_ruku_323526.

6. Анурьев, В. И. Справочник конструктора-машиностроителя : в 3 т. / В. И. Анурьев. - М.: Машиностроение, 2001. - 1 т.

7. Барбин, Н. М. Термодинамическое моделирование испарения расплавов Pb+Bi при высоких давлениях [Электронный ресурс] / Н. М. Барбин, Д. И. Терентьев, С. Г. Алексеев. - Режим доступа : http: //www.researchgate. net/publication/216578020.

8. Барбин, Н. М. Термодинамическое моделирование поведения веществ и материалов при нагревании и горении / Н. М. Барбин. - Екатеринбург : УрИ ГПС МЧС России, 2013. - 65 с.

9. Барбин, Н. М. Применение термодинамического моделирования для изучения полимеров при нагревании / Н. М. Барбин, С. Г. Алексеев, К. С. Алексеев // Известия ЮФУ. Технические науки. - С. 245-247.

10. Баррер, М. Ракетные двигатели / М. Баррер, А. Жомотт, Б.Ф. Вебек, Ж. Ванденкеркхофе. - М. : Оборонгиз, 1962. - 800 с.

11. Белькова, М. Е. Газификация жидких остатков компонентов ракетных топлив: газогенерирующие композиции / М.Е. Белькова // Труды VI Общеросс. молодеж. науч.-техн. конф. - СПб : Вестник БГТУ, 2014. - № 21. - С. 14-15.

12. Белькова, М. Е. Исследование газогенерирующих смесей для газификации остатков ракетного топлива в баках ступени ракеты / М. Е. Белькова // Труды XXXVIII акад. чтений по космонавт. ; под общ. ред. А.К. Медведевой. -М. : Комиссия РАН по разраб. науч. наследия пионеров освоен. космич. простр., 2014. - С.50 - 51.

13. Белькова, М. Е. Исследование дисперсии частиц алюминия в составе ракетных топлив / М. Е. Белькова // Инновации в авиации и космонавтике : тез. докл. науч.-практ. конф. студ. и молод. учен. МАИ. - Москва, 2011. - С. 84-85.

14. Белькова, М. Е. Исследование характеристик ракетных топлив: дисперсия частиц, термическая кондуктивность, плотность материалов / М. Е. Белькова // Молодежь, техника, космос: труды III Общеросс. молодеж. науч.-техн. конф. - СПб : БГТУ «ВОЕНМЕХ», 2011. - С. 28-30.

15. Белькова, М. Е. Обоснование целесообразности применения процесса газификации остатков жидких компонентов ракетного топлива в баках отделяющихся частей ступеней ракет космического назначения / М. Е. Белькова // Динамика систем, механизмов и машин, 2014. - № 2 - С. 190-193.

16. Белькова, М. Е. Обоснование экспериментальных исследований по газификации жидкости / М. Е. Белькова, И. Ю. Лесняк // Проблемы разработки, изготовления и эксплуатации ракетно-космической и авиационной техники : матер. VII Всеросс. науч.-тех. конф. памяти гл. конструктора ПО «Полет» А. С. Клинышкова. - Омск : ОмГТУ, 2012. - С. 109-111.

17. Белькова, М. Е. Перспективные методы очистки околоземной орбиты от отработавших ступеней ракет / М. Е. Белькова, А. Ю. Гарькушев, А. М. Сазыкин, А. И. Михайлин // Вопросы оборонной техники : серия 16. Технич. ср-ва противодей-я терроризму. - М.: НТЦ «Информтехника», 2014. - Вып. 7-8 (73-74). - С. 89-96.

18. Белькова, М. Е. Повышение энергетических характеристик двигательной установки автономной бортовой системы спуска отделяющейся части орбитальной ступени РН / М. Е. Белькова // Молодежь, техника, космос : труды IV Общеросс. молодеж. науч.-техн. конф. - СПб: БГТУ «ВОЕНМЕХ», 2012. - С. 26-27.

19. Белькова, М. Е. Последовательность расчета для оценки применимости метода газификации для извлечения остатков жидких компонентов ракетного топлива в баках ракет космического назначения / М. Е. Белькова // Электротехника. Электротехнология. Энергетика : в 3 ч.: Сб. науч. труд. VII Междунар. науч. конф. молод. ученых/ коллектив авторов. - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2015. - 2 ч. - С. 19-22.

20. Белькова, М. Е. Процедура получения мельчайших частиц перхлората аммония / М. Е. Белькова // Ракетно-космическая техника и высокие технологии : бб. матер. I Российско-итальянского семинара - Омск : ОмГТУ, 2010. - С. 38-43.

21. Белькова, М. Е. Разработка высокоэффективных газогенерирующих составов для решения проблем засорения околоземного пространства отработавшими частями ракет космического назначения / М. Е. Белькова, А. Ю. Гарькушев, А. М. Сазыкин, А. И. Михайлин // Известия Российской академии ракетных и артиллерийских наук. - М : Изд-во Россий. акад. ракет. и артиллерий. наук, 2014. - Вып. 3 (83). - С. 39-47.

22. Белькова, М. Е. Исследование процесса газификации компонентов топлива в баках ступеней ракет космического назначения / М. Е. Белькова, К. И. Жариков // Динамика систем, механизмов и машин, 2014. - № 2. - С. 224-227.

23. Березанская, Е. Л. Газогенераторы ЖРД : уч. пособ. / Е. Л. Березанская, В. Л. Курпатенков, Н. В. Шутов ; под ред. В. Л. Курпатенкова. -Москва, 1962. - 55 с.

24. Бестужева, В. В. Полимерные связующие энергетических конденсированных систем [Электронный ресурс] / В. В. Бестужева, С. А. Душенок, М. А. Ищенко и др. Технология высокомолекулярных соединений : Известия СПбГТИ), 2013. - № 21 (47) - С. 1-9. - Режим доступа : http://science.spb.ru/files/IzvetiyaTI/2013/2Шг^^/17/files/assets/common/download s/publication.pdf.

25. Борисов, В. А. Конструирование основных узлов и систем ракетных двигателей / В. А. Борисов. - Самара : СГАУ, 2010. - 119 с.

26. Братков, А. А. Химмотология ракетных и реактивных топлив / А. А. Братков, Е. П. Серегин, А. Ф. Горенков и др. ; под ред. А. А. Браткова. - М. : Химия, 1987. - 304 с.

27. Бронштейн, И. Н. Справочник по математике для инженеров и учащихся втузов / И. Н. Бронштейн, К. А. Семендяев. - М. : Государственное издательство физико-математической литературы, 1962.

28. Буйновский, А. С. Термодинамическое моделирование плазмохимического процесса синтеза дисперсных оксидов металлов / А. С. Буйновский, Е. В. Обходская, В. И. Сачков, С. А. Сосновский // Известия вузов. Физика, 2013. - Т. 56. - № 8. - С. 111-112.

29. Вассерман, А. А. Теплофизические свойства жидкого воздуха и его компонентов / А. А. Вассерман, В. А. Рабинович : монография. - М. : Изд-во комитета стандартов, мер и измерительных приборов при совете министров СССР, 1968. - №3. - 363 с.

30. Вениаминов, С. С. Космический мусор. Угроза человечеству / С. С. Вениаминов, А. М. Червонов : монография ; под ред. Р. Р. Назирова, О. Ю. Аксенова. - 2-е изд., исправ. и доп. - М. : ИКИ РАН, 2013. - 208 с.

31. Виницкий, А. М. Конструкция и отработка РДТТ / А. М. Виницкий, В. Т. Волков, И. Г. Волковицкий, С. В. Холодилов ; под ред. А. М. Виницкого. - М. : Машиностроение, 1980. - 230 с. : ил.

32. Волков, В. Т. Исследование и стендовая обработка ракетных двигателей на твердом топливе / В. т. Волков, Д. А. Ягодников. - М. : Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2007. - 296 с. : ил.

33. Волков, Е. Б. Основы теории надежности ракетных двигателей / Е. Б. Волков, Е. С. Судаков, Т. А. Сырицын. - М. : Машиностроение, 1970. - 400 с.

34. Волков, Е. Б. Ракетные двигатели. - М. : Воениздат, 1969.

35. Волков, Е. Б Жидкостные ракетные двигатели / Е. Б. Волков, Л. Г. Головков, Т. А. Сырицын. - М. : Воениздат, 1970. - 592 с.

36. Волков, Е. Б. Ракетные двигатели на комбинированном топливе / Е. Б. Волков, Г. Ю. Мазинг, Ю. Н. Шишкин. - М. : Машиностроение, 1973. - 184 с.

37. Гаврилов, В. Космический мусор, обломки недавнего прошлого [Электронный ресурс] / В. Гаврилов // Популярная механика. - Москва, 2006. - С. 3-7. - Режим доступа : http://maxreferal.ru/referat/kosmicheskii-musor8931/.

38. Глотов, О. Г. Влияние Компонентного состава на агломерацию и полноту сгорания алюминия в твердых ракетных топливах [Электронный ресурс] / О. Г. Глотов, В. Е. Зарко, В. В. Карасев, В. Н. Симоненко и др. - Режим доступа : http: //www. kinetics. nsc.ru.

39. ГОСТ Р52925-2008. Изделия космической техники. Общие требования к космическим средствам по ограничению техногенного засорения околоземного космического пространства. - М. : Федеральное агентство по техническому регулированию и метрологии, 2008. - 8 с.

40. Гранулометр [Электронный ресурс]. - Режим доступа : http: //www.rusnanonet.ru/download/equipment/mastersizer3000.pdf.

41. Гречух, И. Н. Конструкция, работа и проектирование жидкостного газогенератора ЖРД : метод. указ. к курсовому и дипломному проектированию / И. Н. Гречух, Л. И. Гречух ; под ред. Е. С. Воронкова. - Омск : Изд-во ОмГТУ, 2009. - 21 с.

42. Гречух, Л. И. Расчет твердотопливного газогенератора : методические указания к расчетно-графической работе. - Омск, ОмГТУ, 2000.

43. Губертов, А. М. Газодинамические и теплофизические процессы в ракетных двигателях твердого топлива / А. М. Губертов, В. В. Миронов, Д. М. Борисов и др. ; под ред. А. С. Коротеева. - М. : Машиностроение, 2004. - 512 с. : ил.

44. Дубовкин, Н. Ф. Физико-химические и эксплуатационные свойства реактивных топлив : справочник / Н. Ф. Дубовкин, В. Г. Маланичева, Ю. П. Массур, Е. П. Федоров. - М. : Химия, 1985. - 240 с. : ил.

45. Егорычев, В. С. Теория, расчет и проектирование ракетных двигателей : учеб. пособ. / В. С. Егорычев. - Самара : СГАУ, 2011. - 142 с. : ил.

46. Ерохин, Б. Т. Теория внутрикамерных процессов и проектирование РДТТ : учебник для высших технических учебных заведений. - М. : Машиностроение, 1991. - 560 с. : ил.

47. Жуковский, А. Е. Испытания жидкостных ракетных двигателей : учеб. пособ. для авиационных специальностей ВУЗов / А. Е. Жуковский, В. С. Кондрусев, В. Я. Левин, В. В. Окорочков ; под ред. В. З. Левина. - М. : Машиностроение, 1981. - 1999 с. : ил.

48. Зиновьев, В. М. Высокоэнергетические наполнители твердых ракетных топлив и других высокоэнергетических конденсированных систем. Физико-, термохимические характеристики, получение, применение : справочник / В. М. Зиновьев, Г. В. Куценко, А. С. Ермилов, И. И. Болдавнин. - Пермь : Изд-во Перм. гос. техн. ун-та, 2011. - 253 с.

49. История взрывов и столкновений в космосе. Часть III [Электронный ресурс]. - Режим доступа : http://unnatural.ru/explosion-history-3.

50. Казаков, А. Ю. Патент [Электронный ресурс] / А. Ю. Казаков, В. И. Трушляков и др. - Режим доступа : http://www.findpatent.ru/patent/248/2482034.html#.

51. Коломенцев, А. И. Испытание и обеспечение надежности : учебник / А. И. Коломенцев, М. В. Краев, В. П. Назаров и др. - Красноярск, 2006. - 336 с.

52. Коротких, А. Г. Влияние дисперсности порошка алюминия на процессы зажигания и нестационарного горения гетерогенных конденсированных систем : дис. доктора физ.-мат. наук : 01.04.17 / Коротких Александра Геннадиевича. - Томск : Изд-во ТПУ, 2012. - 302 с.

53. Космический мусор планируют уничтожать лазером [Электронный ресурс]. - Режим доступа : http://vlasti.net/news/206296.

54. Кособудский, И. Д. Термохимия: метод. указ. к самост. работе по общ. химии для студ. 1 курса всех спец-тей /И. Д. Кособудский, Л. В. Никитина, В. В. Симаков ; под ред. Л. А. Скворцова. - Саратов : СГТУ, 2003. - 15 с.

55. Костылев, Ю. С. Испытание продукции / Ю. С. Костылев, О. Г. Лосицкий. - М. : Изд-во стандартов, 1989. - 169 с.

56. Коэффициенты теплопроводности различных материалов [Электронный ресурс]. - Режим доступа : http: //www.teplotim.ru/table_kteplo_sort.html.

57. Ледков, А. С. Управление силой тяги при буксировке космического мусора на упругом тросе [Электронный ресурс] / А. С. Ледков. - Режим доступа : http: //technomag.bmstu.ru/doc/728391 .html.

58. Лемперт, Д. Б. Новое поколение газогенерирующих составов для автомобильных мешков безопасности / Д. Б. Лемперт, Г. Б. Манелис // Химия в интересах устойчивого развития. - 2005. - №13. - С. 855-858.

59. Лесняк, И. Ю. Экспериментальные исследования процесса низкотемпературной газификации жидкости / В. И. Трушляков, И. Ю. Лесняк, В. Ю. Куденцов, А. Ю. Казаков и др. // Омский научный вестник : ОмГТУ - Омск, 2014. - № 2 (100). - С. 150.

60. Механическая рука [Электронный ресурс]. - Режим доступа : http://iscience.ru/2012/02/16/shvejcarskie-inzhenery-stroyat-kosmicheskogo-uborshhika/.

61. Мищенко, К. П. Краткий справочник физико-химических величин / Под ред. К. П. Мищенко и А. А. Равделя. - Л. : Химия, 1974. - 200 с.

62. Назаренко, А. И. Моделирование космического мусора : ммонография. - М. : ИКИ РАН, 2013. - 216 с.

63. НАСА собирается сбивать космический мусор с помощью наземного лазера [Электронный ресурс]. - Режим доступа : http://www.dailytechinfo.org/space/2199-nasa-sobiraetsya-sbivat-kosmicheskij-musor-s-pomoshhyu-nazemnogo-lazera.html.

64. Нечаев, В. В. Основы прикладной термодинамики [Электронный ресурс] / В. В. Нечаев, А. А. Полянский, Г. Н. Елманов : эл. учеб. - Москва, 2010. - Режим доступа : http://www.kaf9.mephi.ru/thermodynamics/textbook/.

65. Низяев, А. А. Моделирование процесса эволюции индивидуальной агломерирующей частицы при горении алюминизированного твердого ракетного топлива : Труды III Общеросс. молодеж. науч.-техн. конф. «Молодежь, техника, космос». - СПб : БГТУ «ВОЕНМЕХ», 2011 . - С.119-121.

66. Обеспечение безопасности космических полетов как новое направление мониторинга чрезвычайных ситуаций [Электронный ресурс]. -Режим доступа : http://www.federalspace.ru/7808/.

67. Одинцов, П. В. Разработка активной бортовой системы увода средств выведения с орбит / В. Ю. Куденцов, П. В. Одинцов, В. В. Шалай, В. И. Трушляков // Космонавтика и ракетостроение : ЦНИИМаш, 2009. - № 4 (57). -122-128.

68. Описание и технические характеристики РКН Союз-2.1.в [Электронный ресурс]. - Режим доступа : http://www.samspace.ru/products/launch_vehicles/rn_soyuz_2_1v/.

69. Померанцев, В. В. Основы практической теории горения : учеб. пособ. для вузов / В. В. Померанцев, К. М. Арефьев, Д. Б. Ахметов и др. - Л. : Энергоатомиздат, 1986.

70. Похил, П. Ф. Горение порошкообразных металлов в активных средах / П. Ф. Похил, А. Ф. Беляев, Ю. В. Фролов, В. С. Логачев, А. И. Коротков. - М. : Наука, 1972. - 294 с.

71. Просеивающая машина [Электронный ресурс]. - Режим доступа : http: //baikalecolab .ru/wp-content/uploads.

72. Россия выбилась на первое место по количеству космического мусора в околоземном пространстве [Электронный ресурс]. - Режим доступа : http://www.interfax.ru/world/344060.

73. Сандарам, Д. Горение наночастиц алюминия (обзор) / Д. Сандарам, В. Янг, В. Е. Зарко // Физика горения и взрыва. - 2015. - т. 51. - № 2. - С. 37-59.

74. Связующие смесевых ракетных топлив [Электронный ресурс]. -Режим доступа : http://serge77.rocketworkshop.net/binder/binder.htm.

75. Сорокин, В. А., Яновский Л.С., Козлов В.А., Суриков Е.В. и др. Ракетно-прямоточные двигатели на твёрдых и пастообразных топливах. - М. : Физматлит, 2010. - 320 с.

76. Спутники CubeSail - использование солнечного паруса для очистки орбиты от космического мусора [Электронный ресурс]. - Режим доступа : http://www.dailytechinfo.org/space/1163-sputniki-cubesail-ispolzovanie-solnechnogo-parusa.html.

77. Теплота парообразования топлив [Электронный ресурс]. - Режим доступа : http://toplivko.ru/reaktivnye-i-dizelnye-topliva/teplota-paroobrazovanija-topliv.html.

78. Тимнат, И. Ракетные двигатели на химическом топливе : пер. с англ. -М. : Мир, 1990. - 294 с. : ил.

79. Тросовая система [Электронный ресурс]. - Режим доступа : http: //kulibin. org/projects/show/2999.

80. Тросовая система [Электронный ресурс]. - Режим доступа : http: //www.findpatent.ru/patent/249/2492125. html.

81. Трусов, Б. Г. Компьютерное моделирование фазовых и химических равновесий / Б. Г. Трусов : Инженерный вестник. - М. : Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2012 - № 10. - 7 с.

82. Трусов, Б. Г. Справочник по свойствам индивидуальных веществ / Б. Г. Трусов. - редакция 2.9 : полная версия, 2006.

83. Трусов, Б. Г. Химическое и фазовое равновесие многокомпонентных систем/ Б. Г. Трусов, 2000.

84. Трушляков, В. И. Разработка энергетической установки для автономной бортовой системы спуска отделяющейся части ступени ракеты космического назначения с жидкостным ракетным двигателем / В. И. Трушляков, Д. Б. Лемперт, В. Ю. Куденцов, М. Е. Белькова и др. // Высокоэнергетические материалы : демилитаризация, антитерроризм и гражданское применение. -Горный Алтай, Бийск : изд-во Алтай. гос. тех. ун-т им. Ползунова, 2012. - С. 6265.

85. Трушляков, В. И. Исследование возможностей испарения невырабатываемых остатков жидкого топлива в баках ступеней ракет / В. И. Трушляков, Д. Б. Лемперт, М. Е. Белькова. - Омский научный вестник, 2014. - № 2 (130). - С. 52-57.

86. Трушляков, В. И. Проведение теоретико-экспериментальных исследований для разработки методики повышения тактико-технических характеристик ракет космического назначения с маршевыми жидкостными ракетными двигателями на основе использования энергетических ресурсов, заключённых в невырабатываемых остатках жидкого топлива в отделяющихся частях ступеней РКН : отчет о НИР / Трушляков В. И., Куденцов В. Ю., Лесняк И. Ю. и др. - Омск, 2012. - 164 с.

87. Трушляков, В. И. Разработка бортовой системы извлечения невырабатываемых остатков жидкого топлива из баков на основе их газификации для повышения баллистической эффективности ракет / В. И. Трушляков, М. Е. Белькова // Высокоэнергетические материалы: демилитаризация, антитерроризм и гражданское применение. - Бийск : Изд-во Алт. гос. техн. ун-та, 2014. - С. 98-99.

88. Трушляков, В. И. Исследование возможности применения газогенерирующих составов для повышения эффективности жидкостных ракет / В. И. Трушляков, Д. Б. Лемперт, М. Е. Белькова // Физика горения и взрыва : Pleiades Publ. Ltd, 2015. - Вып. 51. - № 3. - С. 48-54.

89. Трушляков, В. И. Спец. тематика / В. И. Трушляков, Л. О. Штриплинг, В. Ю. Куденцов, М. Е. Белькова // Омский научный вестник : сер. машиностроение. - Омск, 2014. - № 2 (130). - С. 44-51.

90. Шалай, В. В. Развитие технологий снижения техногенного воздействия ракетных средств выведения на окружающую среду / В. Ю. Куденцов, В. В. Шалай, П. В. Одинцов, В. И. Трушляков // Космонавтика и ракетостроение : ЦНИИМаш, 2008. - № 4 (53). - с. 117-125.

91. Шар GOLD [Электронный ресурс]. - Режим доступа : http://facepla.net/the-news/tech-news-mnu/577-a-giant-gold-balloon.html.

92. Шатров, Я. Т. Определение направлений разработки методов, технических решений и средств снижения техногенного воздействия на окружающую среду для реализации на борту космических средств выведения / Я. Т. Шатров, Д. А. Баранов, В. И. Трушляков, В. Ю. Куденцов / Вестник СГАУ. -Самара, 2011. - № 1 (25). - С. 38-47.

93. Шишков, А. А. Газогенераторы ракетных систем / А. А. Шишков, Б. В. Румянцев. - М. : Машиностроение, 1981. - 152 с. : ил.

94. Шумахер, И. Перхлораты Свойства, производство и применение / И. Шумахер. - М. : Госхимиздат, 1963. - 275 с.

95. Atwood, A. I. Radiant ignition studies of ammonium perchlorate based propellants / A. A. Atwood, K. P. Ford, D. T. Bui, P. O. Curran, and T. Lyle // Progress in Propulsion Physics. - (2009) - №1. - pp. 121-140.

96. Cai, W. A model of AP / HTPB composite propellant combustion in rocket-motor environments / W. Cae, P. Thakre, and V. Yang : Combust. Sci. and Tech. -2008. - V. 180. - pp. 2143 - 2169.

97. Choi, J. J. Simulations of Composite Solid Propellant Combustion using Adaptive Mesh Refinement [Электронный ресурс]. - 2011. - Режим доступа : http://enu.kz/repository/2011/AIAA-2011-417.pdf.

98. Das, S. K. A review of heat transfer in nanofluids. / S.K. Das, S.U. Choi // Advances in heat transfer : Elsiever Inc. - 2009. - v. 41. - pp. 81-191.

99. Dautriche, M. Metal poudres salpetres 14, 192, 206. - 1909.

100. De Luca, L. T. Баллистические свойства твердых ракетных топлив, основанных на смесях перхлората аммония и нитрата аммония [Электронный ресурс] / L. T. De Luca, L. Galfetti, F. Severini, M. Galeotti, P. Taiariol. - Режим доступа : http://www.pirotek.info/Povders/toplivonanh4no3.htm.

101. Dokhan, A. The effects of AL particle size on the burning rate and residual oxide in aluminized propellants / A. Dochan, E. W. Price, R. K. Sigman and J. M. Seitzman // Joint 37th AIAA/ASME/SAE/ASEE Propulsion Conference and Exhibit : Publ. by the American Institute of Aeronautics and Astronautics, Inc. - 2001. - 12 p.

102. Du, F. Nanotube Networks in Polymer Nanocomposites: Rheology and Electrical Conductivity / F. Du, R. C. Scogna, W. Zhou, S. Brand, J. E. Fisher, and K. I. Winey // Macromolecules. - 2004. - 37. - pp. 9048-9055.

103. Gross, M. A. Two dimensional modeling of AP/HTPB utilizing a vorticity formation and one-dimensional modeling of AP an AND [Электронный ресурс] / M. A. Gross. - Режим доступа : http://scholarsarchive.byu.edu/cgi/viewcontent.cgi?article=2166&context=etd.

104. Europe Gets Serious About Space Junk Menace [Электронный ресурс]. -Режим доступа : http://www.space.com/20805-space-debris-european-conference.html.

105. Hydroxyl Terminated Polybutadiene Resins and Derivatives [Электронный ресурс]. - Product Bulletin. - Sartomer Company Inc. - Режим доступа : www.sartomer.com.

106. Il'in, A. P. Combustion of Ultrafine Aluminum in Air / A. P. Il'in, A. A. Gromov, V. I. Vereshchagin et al. // Combustion, Explosion, and Shock Waves. - 2001. - V. 37. - No. 6. - pp. 664-668.

107. Inter-Agency Space Debris Coordination Committee (IADC), Support to the IADC Space Debris Mitigation Guidelines [Электронный ресурс]. - Режим доступа : http://www.iadc-online.org.

108. Japanese Huge Magnetic net will Trawl for Space Junk [Электронный ресурс]. - Режим доступа : http://www.newscientist.com/article/mg22129534.800-japans-huge-magnetic-net-will-trawl-for-space-junk.html#.VJfLqUgB4.

109. Kast, H. Z. angew. Chem. 36, 72. - 1923.

110. Kohga, M. Burning Characteristics of Ammonium-Nitrate-Based Composite Propellants with a Hydroxyl-Terminated Polybutadiene/ Polytetrahydrofuran Blend Binder / M. Kohga, T. Naya, and K. Okamoto // International Journal of Aerospace Engineering. - 2012, Article ID 378483. - 9 p.

111. Kovshova, S. V. Biogenic technology for recultivation of lands contaminated due to rocket propellant spillage / S. V. Kovshova, A. U. Garkushev, A. M. Sazykin // Acta Astronautica. - 2015. -Vol. 109. - pp. 203-207.

112. Larsson, A. Green Propellants Based on Ammonium Dinitramide (ADN) / A. Larsson, N. Wingborg ; edited by Dr Jason Hall // Advances in Spacecraft Technologies. - 2011. - pp. 139-156.

113. Lempert, D. B. Ballistic effectiveness of superdense solid composite propellants with zirconium or zirconium hydride / D. B. Lempert, G. Manelis, G. Nechiporenko // Progress in Propulsion Physics. - 2011. - № 2. - pp. 67-80.

114. Lempert, D. B. Energetic Performances of Solid Composite Propellants / D. B. Lempert, G. Manelis, G. Nechiporenko // Central European Journal of Energetic Materials. - 2011. - № 8(1). - pp. 25-38.

115. Lempert, D. B. Ballistic effectiveness of Zr-containing composite solid propellants as a function of binder nature and mass fraction / D. B. Lempert, M. Brambilla, and L. T. DeLuca // Progress in Propulsion Physics. - 2013. - № 4. - pp. 1532.

116. Lempert, D. B. The ways for development of environmentally safe solid composite propellants [Электронный ресурс] / D. B. Lempert, G. Manelis, G. Nechiporenko. - Режим доступа : http://www.eucass-proceedings.eu/articles/eucass/pdf/2009/01/eucass1p63.pdf.

117. Levi, S. Metallized Solid Rocket Propellants Based on AN/AP and PSAN/AP for Access to Space / S. Levi, D. Signoriello, A. Gabardi, M. et al. // Progress in Propulsion Physics. - 2009. - № 1. - pp. 97-108.

118. Material Safety Data Sheet - Dioctyl Adipate [Электронный ресурс]. -Режим доступа : http://www.sciencelab.com/msds.php?msdsId=9923845.

119. Orbital Debris - Important Reference Documents: NASA Orbital Debris Program Office [Электронный ресурс]. - Режим доступа : http://orbitaldebris.jsc.nasa.gov/library/references.html.

120. Orbital debris: Technical Assessment / Committee on Space Debris, Aeronautics and Space Engineering Board, Comission on Engineering and Technical Systems, National Research Council. - USA : National Academy of Sciences. - 1995. -211 p.

121. Paravan, C. HTPB-binder Formulation and Preparation Procedure: Laboratorio di Propulsione Aerospaziale. - PoLiMi, Italy. - July, 2009. - 11 p.

122. Reina, A. Nano-metal fuels for hybrid and solid propulsion: PhD materials. - PoLiMi. - 2013. - 185 p.

123. Reina, A. Magnesium and Aluminum Ignition in CO2 Atmosphere / A. Reina, G. Colombo, F. Maggi, L. T. De Luca et al. // Aerotecnica Missili & Spazio : The Journal of Aerospace Science, Technology and Systems. - 2009. - V. 87. - № 4. -pp. 100-108.

124. Reina, A. Nanometric Powders Dispersion in a Polymeric Matrix [Электронный ресурс] / A. Reina, C. Paravan, F. Maggi, M. E. Belkova et al. // Матер. IV Европей. Конф. по астронавтике и космическим наукам (EUCASS-2011). - СПб, Холидей ИНН «Московские ворота». - 2011. - Режим доступа : http://eucass2011.conferencecenter.ru/cs/upload/gF76bMq/papers/papers/394.pdf.

125. Spitalsky, E., Krause E. Z. Ges. Schiess. - u Sprengstoffw 20, 103 . - 1925.

126. Santhosh, G. Synthesis and Characterization of Dinitramide Salts / G. Santhosh, S. Venkatachalarn, M. Kanakavel, N. I. Ninan // BeeHive Digital Concepts Cochin for Mahatma Gandhi University Kottayam. - Chapter 3. - pp. 82-123 (Study On The Formation of Dinitramide Using Mixed Acid Nitrating Agents : Indian Journal of Chemical Technology. - 2002. - № 9. - pp. 223-226.)

127. Trushlyakov, V. I. Applying of gas-generating compositions for liquid rocket effectiveness improving [Электронный ресурс] / V. I. Trushlyakov, D. B. Lempert, M. E. Belkova : под ред. O. J. Haidn, W. Zinner, M. Calabro. - Мюнхен,

2013. - Режим доступа :

http://congress.cimne.com/eucass2013/admin/files/fileabstract/a122.pdf.

128. U.S. Government Orbital Debris Mitigation Standard Practices. United States Federal Government [Электронный ресурс]. - Режим доступа : http://www.unoosa.org/pdf/limited/c2/AC105_C2_2014_CRP15Add01E.pdf.

129. Vorozhtsov, A. Condensed combustion products from burning of nanoaluminum-based propellants: properties and formation mechanism / A. Vorozhtsov, V. Babuk, A. Glebov, I. Dolotkazin et al. // Progress in Propulsion Physics. - Published by EDP Sciences. - 2009. - № 1. - pp. 3-16.

130. Yang, H. S. Thermal Conductivity of Fe Nanofluids Depending on the Cluster Size of Nanoparticles / H. S. Yang, H. S. Hong, T. K. Hong // Applied Physics Letters. - 2006. -88 : paper. 031901.

Приложение А

Подходы для решения проблемы загрязнения околоземного пространства объектами КМ

Наименование системы Достоинства Недостатки

Механическая рука [60] используется для увода крупногабаритных фрагментов КМ - сложна в использовании из-за вращения фрагментов КМ в космическом пространстве; - дорогостоящее производство и эксплуатация; - форма объектов имеет определенную геометрию

Липкая механическая рука (Altius Space Machine, USA) [5] осуществление захвата, удержания и увода объектов различной формы, в том числе вращающихся дорогостоящее производство и эксплуатация

Шар GOLD (Gossamer Orbit Lowering Device) [90] - легкий прочный материал; -принцип действия на основе увеличения аэродинамического сопротивления доставка к месту дислокации объекта КМ

Сеть - Японское Космическое Агентство (JAXA) [108] - прочность; - захват мелких частей КМ и объектов средних размеров; - небольшая стоимость производства и отправки в космическое пространство возвращение на космическом корабле на Землю обойдется дорого

Гарпун - разработка Британской компании Astrium - приближение к цели в районе 20 м; - спуск в атмосферу проблематичен расчет силы выстрела (возможно разрушение объектов КМ и образование новых мелких обломков)

Продолжение таблицы

Тросовая система [57, 79, 80] Продолжение таблицы 15 - определение соответствия между длиной и прочностью троса; - возможность запутывания троса в ходе операции очистки

Спутники-камикадзе (Швейцария - система С1еапБрасеОпе) захват КМ, спуск в атмосферу дорого: каждый объект потребует отдельного спутника

Лазер [2, 53, 63] нагрев малоразмерных частиц КМ до высоких температур, превращающих их в газ - большое потребление энергии; - возможность распада объектов КМ на меньшие части; - выделение огромной энергии, что может привести к плохим последствиям

Пластины из аэрогеля [37] пористые пластины - захват мельчайших частиц (до сотых мм) - опасность столкновения пластин с объектами КМ больших размеров или спутниками; - дорогостоящее предприятие

Аппарат-чистильщик, компания «Энергия». ядерная энергия для захвата нефункционирующих спутников и спуска их в атмосферу или в районы падения для затопления в океане - разработка в настоящее время не представлена для рассмотрения

Солнечный парус (разработка СиЬеБаП, британских ученых из Суррея, Великобритании при поддержке АвШиш) [76] будет использоваться в качестве космического тормоза для спуска в плотные слои атмосферы объектов КМ - дополнительное утяжеление конструкции ракеты за счет взятия на борт спутника с парусом

Приложение Б

«Утверждаю»

проректор гю учебной работе ? Ф1ЪО^Ц! 10 «Омский юсуд;

ФГБОУЧ^К) «Омский государственный

Мышлявцев Л.В.

Лк I

У

о практическом использовании в учебном процессе материалов

кандидатской диссертации Маярской Маргариты Евгеньевны «Исследование путей повышения эффективности ракет космического назначения па основе газификации остатков жидкого топлива в баках ракет».

Результаты исследования разработки системы газификации на основе применения газогенерирующих составов для газификации невыработанных жидких оекпков компонентов ракетного топлива в баках отделяющихся частей ступеней ракет космического назначения с маршевыми жидкостными ракетными двигателями используются в учебном процессе с 2014 г. согласно учебному плану подготовки специалистов (направление «Проектирование, произволе!во и жеплуатация ракет и ракетно-космических комплексов») по дисциплинам «Испытание и обеспечение надежности ракетно-космической техники», «Основы ракетно-космической техники».

Начальник УМУ ОмГТУ

11рокудина Н.А.

Чав. кафедрой ДВиРС ОмГТУ к. т.н., допет