Разработка математической модели морфологии пористых катализаторов

ВВЕДЕНИЕ 3
1. АНАЛИТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ 6
1.1 Устройство и принцип работы однокомпонентного ЖРДМТ 6
1.2 Обзор существующих ЖРДМТ работающих на гидразине 8
1.2.1 Двигатели производства компании Northrop Grumman 8
1.2.2 Двигатели разработки компании Royal Ordnance 13
1.3 Обзор катализаторов разложения гидразина 17
1.4 Обзор технологии 3-D печати сплавами металлов 18
1.4.1 SLM и DMLS технологии 18
1.4.2 FDM технология 22
1.4.3 EBM технология 24
1.4.4 Адгезия между слоями 27
2. ФОРМИРОВАНИЕ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ПОРИСТОЙ СТРУКТУРЫ 28
2.1 Капиллярные явления 28
2.2 Скорость 34
2.3 Основные соотношения при движении жидкости в стационарном зернистом слое катализатора 35
3. АНАЛИТИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ 40
3.1 Определение оптимального размера катализирующей поры 40
Вывод 51
Библиографический список: 52

Весь текст будет доступен после покупки

Однокомпонентные ракетные двигатели играют большую роль в космической и военной технике благодаря своим преимуществам перед другими типами ракетных двигателей. ОКРД более компактные и легкие, что позволяет использовать их в малых и средних космических аппаратах. Они проще в обслуживании и эксплуатации, а также более безопасны в использовании.
В наше время ОКРД активно используются для коррекции траектории и маневрирования в космосе, а также в качестве маршевых двигателей кратковременного действия боевых снарядов и ракет.
Принцип работы ОКРД основан на основе гиперголических реакций: в качестве горючего используется однокомпонентные ракетные топлива (ОКРТ), которое не требует смешивания с окислителем, так как они содержат в своем составе окислитель.
Применение однокомпонентного ракетного топлива упрощает топливную систему ракетного двигателя, но обычно связано с уменьшением удельного импульса (т.к. коэффициент избытка окислительных элементов, как правило, далёк от оптимального) и увеличением взрывоопасности. К числу жидких однокомпонентных ракетных топлив относятся изопропилнитрат, монометилгидразин, диметилгидразин, нитрометан, окись этилена и др., но наибольшую популярность получил гидразин, в связи с рядом приемуществ по сравнению с другим топливом:

Весь текст будет доступен после покупки

1.1 Устройство и принцип работы однокомпонентного ЖРДМТ
Сравнивая однокомпонентные ЖРДМТ с их двукомпонентными аналогами, можно выделить следующие различия. Однокомпонентные двигатели являются более простыми в конструктивном плане, что уменьшает их стоимость, при этом повышая надежность, но двукомпонентные двигатели, в свою очередь обладают более высокими динамическими и удельными параметрами. Среди современных, эксплуатируемых однокомпонентных ЖРДМТ нижнее значение тяги составляет порядка 0,09 Н, когда для двухкомпонентных двигателей этот параметр составляет 0,4 Н. Число рабочих циклов, и эффективное время работы у данных двигателей примерно равно.
Большинство существующих однокомпонентных ЖРДМТ работают на таких топливных компонентах как гидразин (N2H4) или перекись водорода (H2O2). Рассмотрим конструкцию и основной принцип работы однокомпонентного термокаталитического ЖРДМТ разработки ОКБ «Факел», конструктивная схема которого представлена на рисунке 1.

Рисунок 1 – Конструктивная схема однокомпонентного термокаталитического
ЖРДМТ: 1 – камера разложения топлива; 2 – днище камеры; 3 – узел подвода топлива; 4 – испаритель; 5 – проницаемый каталитически неактивный электропроводящий материал; 6, 8 – токоподводы; 7 – термокаталитический пакет; 9 – сопло; 10 – проницаемый слой материала с большим термическим сопротивлением

В двигательных установках с ЖРДМТ применяется вытеснительная система для подачи топлива. На входе в узел подвода топлива установлен электромагнитный топливный клапан. Двигатель включает в себя камеру разложения топливного компонента 1, испаритель 4, выполненный из проницаемого каталитически неактивного электропроводящего материала 5, термокаталитический пакет 7, и сопло Лаваля 9. Перед началом работы двигателе осуществляется подготовительны этап работы. После подачи электроэнергии на токоподводы 8 и 6 происходит предварительный подогрев термокаталитического пакета 7 и материала 5 испарителя 4, до температуры 400 °С и 220 °С соответственно. Затем жидкое ракетное топливо под необходимым давлением подводится по трубопроводу системы хранения и подачи к входному штуцеру электромагнитного топливного клапана. После подачи команды на запуск двигателя, система управления КА вырабатывает электрический сигнал на включение ЖРДМТ, который подается на электрическую обмотку электромагнитного клапана. После открытия клапана, топливо подается через примыкающий к днищу 2 узел подвода топлива 3 и поступает в испаритель 4. Теплообмен с материалом испарителя приводит к нагреву и испарению потока жидкого ракетного топлива. При этом также повышается напряжение на токоподводах 6 испарителя для обеспечения необходимого уровня напряжения, достаточного для испарения топлива и перегрева паров до температуры, не превышающей температуры потери термостабильности данного топлива. В результате теплообмена с материалом испарителя поток жидкого ракетного топлива нагревается и испаряется. Поскольку дополнительная энергия подводится к рабочему телу на участке камеры с минимальным перепадом температур с окружающей средой, то уровень тепловых потерь незначителен, а поскольку дополнительного преобразования продуктов разложения не происходит, то время пребывания продуктов разложения в камере минимально. После испарения пары топлива через слой материала 10 подают в термокаталитический пакет 7. В термокаталитическом пакете 7 пары топлива разлагаются при оптимальном соотношении компонентов, составляющих продукты разложения, продукты разложения нагреваются выделяющейся при разложении химической энергией и затем высокотемпературные продукты разложения перемещаются в газодинамическое сопло 9, истекая через которое, струя продуктов разложения создает реактивную тягу.

1.2 Обзор существующих ЖРДМТ работающих на гидразине

Микродвигатели на гидразине – это компактные и легкие двигатели, используемые в космических приложениях, таких как корректировка орбиты, стабилизация и ориентация космических аппаратов, а также для регулирования угла наклона спутников. Рассмотрим некоторые современные микродвигатели на гидразине:
1.2.1 Двигатели производства компании Northrop Grumman
Наиболее востребованным ДМТ производства компании Northrop Grumman является ЖРД TR-308 (TR-306) разработанный компанией TRW SPACE & ELECTRONICS GROUP. Данный ДМТ используется в геостационарной космической платформе компании Lockheed Martin AS-5000 (ранее называлась GE 5000 и производилась компанией General Electric Astrospace). Его характеристики представлены в таблице 5:

Таблица 1 - Характеристики ДМТ TR-308







Рисунок 2 - ДМТ TR-308
В данном двигателе в конструкции смесительной головки используются игольчатые форсунки. Радиационо охлаждаемое сопло – цельносварное, изготовленное из ниобиевого сплава (сплав R512E по западной номенклатуре), покрытого силицидным напылением (C103). Рабочая температура материала сопла 1370оС. Из этого же материала также изготовлена и камера сгорания, но для обеспечения функционирования стенки камеры в диапазоне рабочих температур применяется также пленочное завесное охлаждение.
Такая комбинация материалов (ниобиевый сплав с силицидным покрытием) используется для производства термостойких агрегатов космической техники уже более 20 лет. Помимо геостационарных спутников четыре таких ДМТ установлены на орбитальном телескопе Chandra X-ray.

Весь текст будет доступен после покупки

1. Аэров М.Э., Тодес О.М., Наринский Д.А. Аппараты со стационарным зернистым слоем. Гидравлические и тепловые основы работы – Ленинград: Химия, 1979. – (176)
2. Бибик Е.Е. Динамика и кинематика движения мениска жидкости в капилляре
3. Определение начальной скорости движения и продолжительности движения жидкости в капиллярах / В. З. Канчукоев [и др.] // Инженерно-физический журнал. — 2003. — Т.76, No 1. — С. 42-45.
4. Кузнецов Д.М., Гапонов В.Л., Буйло С.И. Экспериментальное изучение температурной зависимости капиллярного движения жидкости в пористых средах с помощью метода акустической эимссии – Вестник ДГТУ. 2014. Т. 14, №4 - (79)

Весь текст будет доступен после покупки