Введение к работе
Актуальность темы. Хранение и транспортировка жидких ракетных топлив осуществляется в герметичных цистернах, в которых поддерживается повышенное давление инертного газа (азота) для исключения контакта топлива с кислородом и парами воды, содержащихся в атмосферном воздухе. В результате транспортировки и хранения часть азота растворяется в топливе. При заправке рабочих ёмкостей летательных аппаратов производится операция удаления растворённого газа из топлива путём барботирования продувочным газом (гелием).
Для аппаратуры, обеспечивающей контроль растворённых газов в жидком топливе, требуется выполнение следующих требований: широкий диапазон определяемых концентраций (более 2-х порядков), малая относительная погрешность во всём динамическом диапазоне (на уровне 10-20 %), автоматический режим отбора пробы и экспрессность метода анализа (время 1 анализа не более 5 минут). Традиционно для такого контроля применялся хроматографический метод анализа. Время такого анализа, включая отбор пробы, составляло около 60 минут.
Новым направлением является применение косвенных теплофизи-ческих методов анализа газовой фазы, находящейся в динамическом равновесии с жидкой анализируемой пробой, включающих измерение объёма, температуры, давления, теплопроводности газовой фазы и вычисление концентрации растворённого газа в анализируемой пробе по результатам измерения этих параметров. Такой подход позволяет удовлетворить основные требования по контролю растворённых газов в жидких топливах.
Исследование новых теплофизических методов контроля растворённых газов в жидких топливах, приведённых в данной работе, является актуальным и позволяет отнести его к современным направлениям развития новой техники.
Целью диссертационной работы является разработка метода экспресс-контроля растворённых инертных газов, основанного на косвенных теплофизических методах, и создание автоматической установки для контроля растворённых инертных газов в жидких ракетных топливах.
Для достижения этой цели необходимо было решить следующие задачи:
провести сравнительный анализ различных теплофизических методов, оценить их погрешность в диапазоне измеряемых концентраций;
разработать математические модели, описывающие взаимную зависимость теплофизических параметров газовой и жидкой фаз, находящихся в динамическом равновесии;
выбрать метод, обладающий наименьшей относительной погрешностью во всём диапазоне измеряемых концентраций;
разработать и изготовить установку для автоматического контроля концентрации растворённых газов в жидкости;
разработать и изготовить стенд для приготовления жидких проб с заданным содержанием растворённого газа во всем диапазоне концентраций;
для экспериментального исследования отдельных стадий цикла измерения создать многоканальный программно-аппаратный комплекс сбора, регистрации, хранения и обработки измерительной информации;
провести экспериментальные исследования установки для контроля концентрации растворённых газов на модельных жидких пробах с целью проверки метрологических характеристик установки и проверки адекватности предложенной математической модели;
разработать алгоритмы обработки сигналов измерительных каналов и программное обеспечение для опытной установки контроля концентрации растворённых газов в жидком ракетном топливе, обеспечивающее её циклическую работу в автоматическом режиме.
Методы исследования. В диссертационной работе использованы методы математического моделирования для получения алгоритма вычисления концентрации при косвенных измерениях и расчёта относительной погрешности; методы экспериментального исследования метрологических характеристик установки на модельных жидких пробах (этанол) с применением программно-аппаратного комплекса регистрации параметров для оценки случайных составляющих погрешности и воспроизводимости характеристик во времени.
Научная новизна. К основным результатам, представляющим научную новизну относятся:
разработка прямого и дифференциального метода определения концентрации растворённого газа в жидкости;
разработка математических моделей, описывающих взаимную зависимость параметров газовой и жидкой фаз, находящихся в динамическом равновесии;
разработка двух методик аттестации приготовленных жидких проб с заданной концентрацией растворённого газа;
разработка методики экспериментального определения коэффициента растворимости газа в жидкости с погрешностью менее 1 %.
Практическая ценность:
предложена конструкция автоматической установки измерения содержания растворённого газа в жидком ракетном топливе, позволяющая измерять концентрацию растворённого азота и гелия с погрешностью от 10 до 25 % в зависимости от концентраций в течение не более 5 минут;
предложена конструкция стенда приготовления жидких проб с заданным содержанием растворённого газа во всём диапазоне концентраций
(для азота 0,001 - 0,8 г/дм3, для гелия 0,00015 - 0,02 г/дм3), обеспечивающая относительную погрешность от 4 до 12 % в зависимости от концентрации;
создан программно-аппаратный комплекс регистрации параметров и обработки результатов измерений на ЭВМ для процесса приготовления жидких проб и процесса контроля содержания растворённых газов в жидких пробах;
разработан комплект конструкторской документации для выпуска установок контроля растворённого газа в жидких ракетных топливах на опытном производстве ОАО НПО «Химавтоматика».
Реализация. Изготовлен опытный образец установки измерения концентрации растворённого газа в жидком ракетном топливе. Для метрологического обеспечения выпускаемых автоматических установок контроля был изготовлен стенд приготовления жидких проб с заданным содержанием растворённого газа, который сертифицирован в установленном порядке.
Разработан и внедрён в опытное производство ОАО НПО «Химавтоматика» комплект конструкторской документации на установку измерения концентрации растворённого газа в жидком ракетном топливе, начато изготовление ещё двух опытных образцов и проводятся натурные испытания установки в федеральном казённом предприятии «Научно-испытательный центр ракетно-космической промышленности».
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на научно-технической конференции памяти Н.Я. Феста в 2007 г., на научной конференции студентов и молодых учёных МГУ-ИЭ в 2010 г.
Публикации результатов исследования. Основные положения диссертационной работы изложены в восьми печатных работах, в том числе одна в журнале, рекомендованном ВАК.
