Спосіб наддування паливного бака рідинної ракети та пристрій для його здійснення

1 Спосіб наддування паливного бака рідинної ракети, що полягає у вдуванні у газову порожнину бака гарячого газу, одержуваного від агрегатів рідинного ракетного двигуна, який відрізняється тим, що одночасно з подачею гарячого газу у товщу компонента подають нейтральний до даного палива газ 2 Пристрій для наддування паливного бака рідинної ракети, що містить генератор гарячого газу, трубопровід, газоввід, установлений у газовій порожнині бака, який відрізняється тим, що у ньому встановлений балон з нейтральним до компонента палива газом, з'єднаний трубопроводом з клапанами з додатковим газовводом, розміщеним у рідинній порожнині бака Запропонований винахід належить до галузі ракетної техніки, а більш конкретно - наддування паливних баків рідинних ракет здебільшого з кріогенним компонентом палива і може бути застосований у галузях техніки, де необхідно проводити наддування ємкості гарячим газом, особливо утих випадках, коли небажано температурне розшаровування рідини і прогрівання верхнього и шару У сучасному ракетобудуванні для наддування паливного бака рідинної ракети застосовуються гази з високою температурою, котрі одержуються у випарникові або газогенераторі рідинного ракетного двигуна (див книги Конструкция управляемых баллистических ракет /Под ред А М Синюкова , Н И Морозова - М, Изд-во Миноборони СССР, 1969 - С 390 - 391, Э Ринг Двигательные установки ракет на жидком топливе -М Мир, 1966 С 235-238) ВІДОМІ способи наддування паливних баків ракет парами компонента палива або продуктами його газогенерації та пристрої для здійснення цих способів не дозволяють уникнути значного прогрівання верхніх шарів компонента палива при тривалому наддуванні (порядку декількох сот секунд) З відомих способів гарячого наддування паливних баків та пристроїв для його здійснення ближче всіх до запропонованого є спосіб, описаний у книзі Конструкция / управляемых баллистических ракет /Под ред А М Синюкова , Н И Морозова М Изд-во Миноборони СССР, М , 1969 - С 390, а із пристроїв - пристрій, наведений у цій же книзі на рис 14 22 Спосіб наддування паливного бака рідинної ракети заснований на вдуванні у бак продуктів газогенерації (випаровування) компонентів палива, що відбираються від РРД Пристрій для його реалізації складається з генератора газу (випарника) РРД, трубопроводу подачі газу у бак з установленим на ньому газовводом у верхній частині бака Основним недоліком такого способу і пристрою для його здійснення є значне прогрівання верхнього шару компонента палива, що підсумовується з аеродинамічним нагріванням Крім того, можливі провали тиску у баку із-за конденсації газу наддування при коливанні і хлюпанні компонента палива Прогрівання останніх порцій компонента палива викликає необхідність підвищення тиску у баку з метою забезпечення безкавітацийної роботи насосів РРД і збільшення ваги газу наддування З метою зменшення прогрівання верхнього шару компонента палива від газу надцування звичайно застосовують газовводи з невеликою далекобійністю струмини газу (дав, наприклад, АС №45889, 49707, 43605, 42108, патент США О і о> о 1^ ю 57097 №3098353), що призводить до зниження середньобакової температури газу до кінця спорожнення бака у порівнянні з системами, в яких застосовані газовводи з великою далекобійністю Отже, до недоліку відомого способу наддування та пристрою для його здійснення необхідно віднести більш низьку середньобакову температуру газу до кінця спорожнення бака В основу винаходу "Спосіб наддування паливного бака рідинної ракети та пристрій для його здійснення" поставлене завдання, шляхом введення одночасно з вдувом гарячого газу у верхню частину бака у товщу компонента палива нейтрального до даного компонента палива газу, забезпечити зменшення температури компонента палива, зменшення тиску у баку, поліпшення вагових характеристик системи надування, запобігання провалу тиску у баку при коливанні і хлюпанні компонента палива У пристрої для реалізації даного способу у баку під дзеркалом компонента палива встановлені балони з нейтральним до компонента палива газом і додатковий газоввід, сполучені між собою трубопроводом подачі газу, відрізок якого проходить поза баком, з установленими на ньому дозуючими і запірними елементами Газоввід, установлений у верхній частині бака, виконаний з отворами, які направляють струмину нагрітого газу вбік дзеркала компонента палива Додатковий газоввід встановлений на рівні, що виключає попадання газу в забірний пристрій Суттєвість запропонованого способу і пристрою для його здійснення полягають у наступному Одночасно з подачею у бак через верхній газоввід продуктів газо - або парогенерацм, що відбираються від рідинного ракетного двигуна і що мають температуру, яка перевищує температуру компонента палива на декілька сот градусів Цельсія, у нижню частину бака під дзеркало компонента палива вводиться через додатковий газоввід нейтральний до компонента палива газ При цьому енергія випливання пузирів іде на перемішування компонента палиш у баку, що призводить до значного зменшення температурного розшаровування від аеродинамічного нагрівання Випаровування компонента палива при проходженні через нього нейтрального газу сприяє зменшенню температури компонента палива Суміш, що виходить із компонента палива нейтрального газу і парів компонента палива з температурою, близькою температурі компонента палива, утворює над дзеркалом компонента палива завісу, яка зменшує прогрівання верхніх шарів компонента високотемпературним газом наддування Ця завіса перешкоджає також конденсації газу наддування і викликанному цим провалу тиску у баку при хлюпанні компонента палива Для пояснення конструкції пристрою і його роботи додається креслення, на якому приведена пневмопдравлічна схема пристрою Запропонований пристрій складається із бака 1 з забірним пристроєм 2 та газовводом у верхній частині 3, газогенератора 4, трубопроводу подачі газу наддування 5, запобіжного клапана 6, занурених у компонент палива балонів з нейтральним газом 7 і додаткового газовводу 8, сполучених між собою трубопроводом 9 з установленими на ньому запірним елементом 10, дозуючим елементом 11 і зворотним клапаном 12 Газоввід 3 виконаний з отворами, які направляють струмину гарячого газу вбік дзеркала компонента палива Газоввід 8 установлений на заданому рівні над забірним пристроєм 2, що виключає прорив газу у забірний пристрій при наддуванні та спорожненні бака Робота запропонованого пристрою для наддування паливного бака рідинної ракети здійснюється так До наддування бака 1 зворотний клапан 12 перешкоджає заливанню компонента палива з баку 1 через додатковий газоввід 8 по магістралі 9 у дозуючий елемент 11 і запірний елемент 10, При передпусковому наддуванні, яке здійснюється для безкавітаційоного запуску РРД, відкривається запірний елемент 10 і газ з балонів високого тиску 7 по магістралі 9 через дозуючий елемент 11, зворотний клапан 12 і газоввід 8 надходить у бак, барботуючи компонент палива у баку Барботаж призводить до зменшення температурного розшаровування компонента палива, викликаного ЗОВНІШНІМИ тепловими потоком (аеродинамічним тепловим потоком, перетіканням тепла по елементах конструкції, тепловим потоком з атмосфери при стоянні ракети з закритими дренажними клапанами) При основному наддуванні, що здійснюється для безкавітаційної роботи РРД, наддування бака 1 здійснюється подачею гарячого газу з газогенератора 4 по трубопроводу 5 і газоввід 3 до баку Одночасно з цим у бак 1 продовжує надходити ненагрітий нейтральний газ з балонів 7 по магістралі 9 через запірний елемент 10, дозуючий елемент 11, зворотний клапан 12 та додатковий газоввід 8 При цьому енергія випливання пузирів нейтрального газу і випареного у них компонента палива, іде на перемішування компонента Випаровування компонента палива у пузирі при їхньому випливанні зменшує температуру компонента палива Холодна суміш, що виходить з компонента палива нейтрального газу і парів компонента палива утворить над поверхнею рідини завісу, яка перешкоджає інтенсивному тепломасообміну між рідиною і гарячим газом наддування Прогріті верхні шари компонента палива перемішуються нейтральним газом, що витікає з газоввода 8, з іншою масою компонента палива, розташованого над цим газовводом, а на місце прогрітих шарів надходять непрогріті шари компонента палива Такий процес відбувається аж до опускання дзеркала компонента палива до рівня установлення газоввода 8 При спорожненні бака по мірі збільшування відстані між газовводом 3 і дзеркалом компонента палива зменшується тепломасообмін між газом і компонентом палива Однак, завдяки тому, що газоввід 3 спрямовує струмину гарячого газу вбік дзеркала компонента палива, температура газу у баку підтримується рівномірною Після опускання дзеркала компонента палива нижче рівня установлення газоввода 8 ненагрітий інертний газ, що витікає з отвору газоввода 8, оберігає верхні шари компонента палива від прогрівання гарячим газом, який витікає через газоввід 3 Таким чином, останні порції компонента палива, що надходять у РРД, не мають такого прогрівання, як при застосу 57097 ванні відомих систем надування При досягненні у баку 1 тиску, рівного тиску настроювання запобіжного клапана 6, останній відкривається і скидає надмір газу у навколишнє середовище При хлюпанні компонента палива наявність інертного газу над поверхнею рідини перешкоджає провалу тиску у баку за рахунок конденсації газу наддування Приклад, Проводилося експериментальне визначення ефективності запропонованого способу і пристрою на модельній установці діаметром Зм і висотою 10м Як компонент палива використано рідкий кисень з температурою мінус 180С°, а для наддування - газоподібний кисень з температурою 0 +300С0 і гелій з температурою мінус 180С° Перед зливанням кисня із баку проводиться прогрівання його верхнього шару до температури мінус 170° мінус 175С° на глибину 1 5 7 5м Попереднє наддування бака здійснюється гелієм з витратою 10 25г/с через газоввід, установлений на глибині 6м від поверхні компонента Зливання кисня з баку проводилося протягом 300с з витра Комп'ютерна верстка О Кураєв тою 140 175л/с Основне наддування здійснювалося газоподібним киснем з витратою 0 7кг/с, одночасно з цим через газоввід, установлений на глибині ом, подавався гелій з витратою 10 25р/с Експерименти показали, що повне перемішування палива відбувається за ЗО 100с від моменту подачі гелію, а прогрівання верхнього шару компонента палива від газу наддування не перевищує 2 5°С у порівнянні з 5 7°С, що одержуються у разі застосування способу, прийнятого за прототип При застосуванні способу , що пропонується і пристрою кінцева температура верхнього шару кисня на 5 10°С менша, ніж у разі застосування способу і пристрою, прийнятих за прототип Використання запропонованого способу і пристрою для його здійснення дозволяє вирівняти поле температур компонента палива, знизити температуру компонента палива, що подається до РРД, зменшити тиск у баку і вагу газу наддування із-за зниження температури компонента палива, що подається до РРД, уникнути провалів тиску у баку при хлюпанні палива Підписано до друку 05 07 2003 Тираж39 прим Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, Львівська площа, 8, м Київ, МСП, 04655, Україна ТОВ "Міжнародний науковий комітет", вул Артема, 77, м Київ, 04050, Україна