способ заправки жидким криогенным компонентом топливного бака ракетно-космической системы

Формула изобретения

Способ заправки жидким криогенным компонентом топливного бака ракетно-космической системы путем подачи на днище бака жидкого переохлажденного криогенного компонента и отвода в дренаж его паров, заполнения бака переохлажденным криогенным компонентом до заданного уровня заправки и выравнивания температуры жидкого компонента в баке, отличающийся тем, что непосредственно перед подачей в бак жидкого переохлажденного криогенного компонента в нижнюю часть бака вводят жидкий криогенный компонент в кипящем состоянии, образующий поверхностный слой кипящего криогенного компонента над жидким переохлажденным криогенным компонентом при заполнении им бака, при этом кипящий криогенный компонент вводят в бак в количестве, обеспечивающем сохранение в процессе заполнения бака поверхностного слоя этого компонента, прикрывающего уровень переохлажденного криогенного компонента.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области ракетно-космической техники и может быть использовано при заправке жидкими криогенными компонентами ракетного топлива, такими как жидкий кислород и жидкий водород, топливных баков двигательных установок ракетно-космических систем (РКС), преимущественно баков первой и второй ступеней РКС.

Известен способ заправки жидкими криогенными компонентами ракетного топлива - жидким кислородом и жидким водородом - баков РКС путем подачи в бак жидкого переохлажденного криогенного компонента (жидкого кислорода или жидкого водорода) и дренажирования образующихся паров, включающий заполнение бака жидким переохлажденным криогенным компонентом до заданного уровня заправки и термостатирование криогенной жидкости в баке (см. Ракетно-космический комплекс “Космодром”, под ред. проф. А.П.Вольского, изд. МО СССР, М., 1977. с.142-158, 179). Поскольку криогенные компоненты ракетного топлива представляют собой сжиженные взрыво- и пожароопасные газы высокой чистоты с очень низкой температурой кипения, при заправке ими баков РКС должны соблюдаться требования, обеспечивающие безаварийность и безопасность заправки и сохранение требуемых параметров чистоты заправляемых компонентов. Необходимо учитывать, что при нахождении РКС на стартовом комплексе воздействие на РКС ветровых нагрузок может вызвать ее колебания и, соответственно, колебания бака. Возникающие при этом колебания поверхности и выплески в свободный объем бака заправляемой криогенной жидкости, при наличии в баке относительно теплой газовой среды могут привести к смятию бака из-за создающегося в нем локального разрежения вследствие охлаждения и конденсации воздуха (или иного газа) на каплях или поверхности заправляемой жидкости. Согласно известному способу заправки бак, перед подачей в него переохлажденного жидкого криогенного компонента, должен быть заполнен нейтральным и неконденсируемым газом - гелием, а заправку ведут с закрытыми дренажно-предохранительными клапанами при избыточном давлении наддува бака гелием. Это предохраняет от попадания в бак атмосферного воздуха, ухудшающего чистоту жидкого переохлажденного кислорода (или водорода) и образующего взрывоопасную смесь с водородом, а также предотвращает возможность смятия бака при его колебаниях от ветровых нагрузок. Однако необходимость предварительного заполнения полости бака РКС дорогостоящим гелием и ведения заправки бака при избыточном давлении наддува гелием в значительной степени усложняет технологию работ при заправке бака жидким переохлажденным криогенным компонентом ракетного топлива, требует использования соответствующего наземного оборудования, приводит к повышению температуры криогенного компонента в баке, а также увеличивает продолжительность заправочных работ и затраты на них. При этом из-за значительного растворения гелия в жидком водороде, существенно превышающего степень растворения гелия в жидком кислороде, такой способ заправки приводит к существенному насыщению водорода гелием, что требует увеличения давления в баке при выработке топлива во время работы двигателя и приводит к утяжелению конструкции бака, увеличению конечной массы газа в баке и уменьшению выводимого РКС полезного груза. Кроме того, осуществляемое в известном способе термостатирование жидкого криогенного компонента после заполнения им бака также связано со значительными дополнительными затратами и увеличением времени проведения заправочных работ.

Наиболее близким к предложенному является способ заправки жидким криогенным компонентом (кислородом) топливного бака ракетно-космической системы путем подачи на днище бака жидкого переохлажденного криогенного компонента и отвода в дренаж его паров, включающий заполнение бака жидким переохлажденным криогенным компонентом до заданного уровня заправки и обеспечение равномерного поля заданной среднемассовой температуры жидкого криогенного компонента в баке, согласно которому температуру жидкого переохлажденного криогенного компонента на входе в бак поддерживают ниже значения заданной среднемассовой температуры жидкого криогенного компонента в баке на величину прогрева заправленного в бак криогенного компонента (пат. РФ. №2155147, кл. B 64 G 5/00, F 17 C 6/00, 1999).

Данный способ заправки позволяет отказаться от проведения термостатирования жидкого криогенного компонента после заполнения им топливного бака РКС, однако при осуществлении данного способа сохраняется необходимость предварительного заполнения полости бака гелием и ведения заправки при постоянном избыточном давлении наддува бака гелием, что связано с усложнением технологии работ и увеличением продолжительности и затрат при заправке, повышением температуры криогенной жидкости в баке, а при использовании жидкого водорода - приводит к дополнительному утяжелению конструкции бака и дополнительной потере полезного груза.

Задачей, решаемой изобретением, является упрощение технологии работ и снижение затрат при заправке топливного бака РКС жидким переохлажденным криогенным компонентом ракетного топлива, а также сокращение времени проведения заправочных работ и увеличение массы выводимого полезного груза.

Решение поставленной задачи обеспечивается за счет того, что при заправке жидким криогенным компонентом топливного бака ракетно-космической системы путем подачи на днище бака жидкого переохлажденного криогенного компонента и отвода в дренаж его паров, включающей заполнение бака жидким переохлажденным криогенным компонентом до заданного уровня заправки и выравнивание температуры жидкого криогенного компонента в баке, в соответствии с изобретением, непосредственно перед подачей в бак жидкого переохлажденного криогенного компонента в нижнюю часть бака вводят жидкий криогенный компонент в кипящем состоянии, создающий поверхностный слой жидкого кипящего криогенного компонента над жидким переохлажденным криогенным компонентом при заполнении им бака, при этом кипящий криогенный компонент вводят в бак в количестве, соответствующем сохранению поверхностного слоя этого компонента в процессе заполнения бака, прикрывающего уровень переохлажденного криогенного компонента.

Введение в нижнюю часть бака жидкого криогенного компонента в кипящем состоянии, то есть в состоянии интенсивного парообразования, сопровождается образованием над поверхностью криогенной жидкости плотной “завесы” из холодных паров компонента, изолирующей жидкость от контакта с газом, заполняющим полость бака. При заполнении бака жидким переохлажденным криогенным компонентом жидкий кипящий компонент образует над ним поверхностный слой, поднимающийся вверх по мере заполнения бака и прикрывающий уровень переохлажденного криогенного компонента, при этом паровая “завеса” надежно прикрывает поверхность криогенной жидкости, не допуская ее контакта с исходной газовой средой бака. Поскольку температура паров криогенного компонента в районе поверхности криогенной жидкости соответствует температуре этой жидкости, то есть имеет равное или близкое к ней значение, то колебания поверхности и всплески криогенной жидкости в газовую область из поверхностного слоя при колебаниях бака не сопровождаются охлаждением газа в свободном объеме бака, что исключает провалы давления, вызывающие смятие бака. А так как кипящий криогенный компонент вводят в бак в количестве, сооветствующем сохранению устойчивого поверхностного слоя этого компонента в процессе заполнения бака, прикрывающего уровень переохлажденного криогенного компонента, полностью исключается выплеск переохлажденного компонента в свободный объем бака и конденсация паров на каплях этого компонента, то есть исключается опасность смятия бака при колебаниях ракетно-космической системы от воздействия ветровых нагрузок при заправке бака без предварительного заполнения его дорогостоящим гелием и без использования системы поддержания избыточного давления гелия в баке. Это позволяет упростить технологию работ и снизить затраты при заправке бака РКС жидким переохлажденным криогенным компонентом ракетного топлива, сократить время заправочных работ. Возможность отказа от наддува бака при заправке его позволяет обеспечить минимальную среднемассовую температуру криогенного компонента на конец заправки и увеличить массу выводимого полезного груза.

Сущность предлагаемого способа заправки поясняется с помощью чертежа, где приведена схема заправки жидким переохлажденным водородом бака горючего ракетно-космической системы.

Топливный бак 1, снабженный внешней теплоизоляцией 2, предназначенный для заправки в него криогенного компонента топлива - жидкого водорода, является составной частью ракетного блока первой или второй ступени ракетно-космической системы 3, находящейся на стартовой позиции космодрома. Нижняя часть бака 1 бортовым трубопроводом заправки 4 с клапаном 5 через бортовое разъемное соединение б подключена к наземному трубопроводу заправки 7, в верхней части бака 1 установлен дренажный патрубок 8 с клапаном 9. Наземный трубопровод заправки 7 через клапан 10, трубопровод 11 и насос жидкого водорода 12 соединен с параллельно установленными криогенными емкостями 13 и 14 для жидкого непереохлажденного (кипящего) водорода, подключенными к насосу 12 через клапаны 15 и 16. Наземный трубопровод заправки 7 через клапан 17 также соединен с выходом теплообменника 18, вход которого через клапан 19 подключен к трубопроводу 11.

Теплообменник 18 выполнен в виде криогенной емкости с жидким водородом, в жидкостной полости которой расположен змеевик 20, подключенный через клапан 19 к трубопроводу 11, а газовая полость емкости теплообменника 18 сообщена с вакуумирующим устройством, например, газовым эжектором 21 или вакуум-насосом. В верхней части бака 1 размещен коллектор 22 для подачи или слива жидкого водорода, расположенный несколько ниже заданного уровня заправки бака жидким водородом. Коллектор 22 бортовым трубопроводом 23 через бортовое разъемное соединение 24, трубопровод 25 с клапаном 26, трубопровод 27 с клапаном 28 и трубопроводы 29 и 30 с клапанами 31 и 32 подключен к внутренним полостям криогенных емкостей 13 и 14. На верхнем и нижнем днищах топливного бака 1 установлены уровнемеры, соответственно 33 и 34, для контроля уровня жидкого водорода, в верхней части бака 1 установлен также датчик температуры жидкого водорода 35 и патрубок 36 подачи гелия.

Перед подачей в бак 1 жидкого водорода производится предварительная подготовка внутренней полости бака, включающая в себя вытеснение атмосферного воздуха из полости бака холодным газообразным азотом и последующую замену азотной среды в баке на среду газообразного водорода. После этого включается подача в нижнюю часть бака 1 через бортовой трубопровод заправки 4 жидкого кипящего (непереохлажденного) водорода из одной из двух содержащих его криогенных емкостей, например емкости 14, при открытом клапане 10 на трубопроводе 11 и закрытых клапанах 17 и 19. Поступающий в бак 1 жидкий кипящий водород, вследствие подогрева его от стенок бака, интенсивно испаряется, а холодные равновесные пары водорода создают над кипящей криогенной жидкостью плотную паровую “завесу”, отделяющую жидкость от исходного теплого газа (водорода), находящегося в полости бака. В процессе поступления в бак 1 жидкого кипящего водорода газообразный водород отводится из бака 1 через дренажный патрубок 8 и далее подается на оборудование стартового комплекса на сжигание или флегматизацию. После накопления в нижней части бака 1 заданного, заранее определенного, количества жидкого кипящего водорода, контролируемого по уровнемеру 34, подача его в бак прекращается, для чего закрывается клапан 10 на трубопроводе 11, и производится включение подачи в бак 1, с номинальным расходом заправки, жидкого переохлажденного водорода из теплообменника 18. Для этого открываются клапаны 17 и 19, обеспечивающие поступление жидкого кипящего водорода из трубопровода 11 в змеевик 20 теплообменника 18 и последующую подачу переохлажденного водорода в бортовой трубопровод заправки 4 бака. При поступлении в бак 1 жидкого переохлажденного водорода жидкий кипящий водород образует над ним поверхностный слой, который перемещается вверх по мере заполнения бака. Соприкасаясь с теплыми стенками бака 1, перемещающийся вверх кипящий водород интенсивно испаряется, отбирая тепло у стенок бака, а паровая “завеса” над кипящим водородом надежно прикрывает поверхность криогенной жидкости в процессе заполнения ею бака от контакта с исходной газовой средой бака. Это исключает при колебаниях бака 1 возможность образования локального разрежения вблизи зеркала жидкого водорода, могущего вызвать смятие бака. А поскольку в бак 1 кипящий водород заливается в заданном, заранее определенном, количестве, соответствующем сохранению устойчивого поверхностного слоя кипящего водорода при заполнении бака, прикрывающего уровень переохлажденного водорода и предотвращающего выплескивание переохлажденного водорода из основной массы жидкости в процессе заполнения бака до заданного уровня заправки, устраняется опасность смятия бака при его заправке от воздействия на бак колебаний ракетно-космической системы 3 при ветровых нагрузках, установленной на заправочной площадке стартовой позиции космодрома. При этом не требуется использования при проведении заправки дорогостоящего гелия, который, к тому же, хорошо растворяется в жидком водороде, значительно ухудшая его эксплуатационные характеристики. Количество первоначально вводимого в бак 1 кипящего криогенного компонента (в данном случае - жидкого водорода), соответствующее сохранению поверхностного слоя этого компонента в процессе заполнения бака, прикрывающего уровень переохлажденного криогенного компонента, определяется расчетным путем с учетом геометрических размеров бака, амплитуды колебаний РКС на ее стартовой позиции, вида заправляемого криогенного компонента топлива и продолжительности процесса заправки. При достижении заданного уровня заправки бака 1 закрывается клапан 9 на дренажном трубопроводе 8 и производится наддув бака газообразным гелием. Далее производится выравнивание температуры жидкого переохлажденного водорода в баке 1 путем снижения температуры верхнего слоя водорода за счет подачи переохлажденного водорода на днище бака при одновременном отводе прогретого жидкого водорода через коллектор 22 из верхней части бака при поддержании постоянного уровня криогенной жидкости в баке. Для этого открывают клапаны 26 и 28 на трубопроводах 25 и 27 и клапан 31 на трубопроводе 29, подключенном к криогенной емкости 13. Такое выравнивание температуры переохлажденного криогенного компонента позволяет, по сравнению с прототипом, где прогретый верхний слой компонента замешивается в объеме жидкости, дополнительно снизить среднемассовую температуру компонента на момент окончания заправки бака.

При заправке бака РКС жидким переохлажденным кислородом согласно предлагаемому способу предварительная подготовка внутренней полости бака не требуется, то есть внутренняя полость бака может быть заполнена атмосферным воздухом. После подачи в бак заданного количества кипящего кислорода, необходимого для формирования поверхностного кипящего слоя, процесс заправки переохлажденным кислородом аналогичен процессу заправки водородом. При подаче в бак переохлажденного кислорода равновесные пары жидкого кипящего кислорода (паровая “завеса”), образующиеся над его поверхностным слоем в баке, вытесняют от зеркала жидкого кислорода атмосферный воздух, не допуская их взаимного контакта и исключая возможность смятия бака от воздействия на РКС ветровых нагрузок. В то же время, не происходит снижения чистоты заправляемого жидкого кислорода, поскольку температура ожижения азота, содержащегося в воздухе, значительно ниже температуры паров кислорода. При заправке же бака переохлажденным кислородом по известному способу необходимо, для исключения смятия бака от ветровых нагрузок, предварительное заполнение полости бака гелием и наддув им бака в процессе заправки.

Таким образом, предложенный способ позволяет значительно снизить затраты при заправке топливного бака ракетно-космической системы переохлажденным криогенным компонентом ракетного топлива и упростить технологию работ при заправке, а также сократить время проведения заправочных работ и увеличить массу выводимого полезного груза.