Спосіб наддування бака з висококиплячим пальним рушійної установки ракети-носія

Реферат: Винахід належить до галузі ракетно-космічної техніки і може бути використаний для наддування баків пального рушійних установок ракет-носіїв, які працюють на компонентах рідкий кисень і гас. Спосіб наддування бака з висококиплячим пальним рушійної установки ракети-носія полягає в тому, що на етапі передпускового наддування в вільний об'єм бака вводять робоче тіло наддування, а на етапі польотного наддування температуру робочого тіла наддування перед подачею в бак встановлюють нижче температури палива. До передпускового наддування здійснюють нагрівання верхнього днища бака, верхнього шару палива і газу в баку до їх допустимих температур. Винахід знижує потрібну масу робочого тіла наддування шляхом підвищення його середньо-масової температури в вільному об'ємі паливного бака в польоті. UA 112589 C2 (12) UA 112589 C2 UA 112589 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Винахід належить до галузі ракетно-космічної техніки і може бути використаний для наддування баків з висококиплячим пальним рушійних установок ракет-носіїв. В даний час як паливо рушійних установок (РУ) сучасних ракет-носіїв (РН), особливо їх перших ступенів, поширення знаходять (і плануються до застосування) низькокиплячий окислювач - рідкий кисень, і висококипляче пальне типу гас (РГ-1, Т-1, Т-6, метан, синтин, далі гас). Достатньо перелічити РН "Зеніт" (Україна); Antares (США, Україна); численне сімейство РН "Союз-2", "Русь-М", "Ангара" (Росія); Atlas-V, Falcon 9 (США) та інші. Системи наддування (СН) паливних баків РУ є складними технічними системами і займають важливе місце у складі ракетного комплексу. Наприклад, кінцева маса СН може досягати до 7 % кінцевої маси ступеня [Беляев Н.М. Системы наддува топливных баков ракет / Н.М. Беляев. М.: Машиностроение, 1976. - С. 10-35]. На теперішній час відомі різні способи наддування паливних баків РУ. Так, для наддування паливних баків ракети Р-11 використовувався твердопаливний газогенератор. На міжконтинентальній балістичній ракеті Р-9 як робоче тіло наддування застосовували генераторний газ, який одержували з основних компонентів палива. Бак пального І ступеня РН "Сатурн-V" наддували на етапі передпускової підготовки гелієм з температурою навколишнього середовища. Далі, при роботі РУ - підігрітим в її теплообміннику гелієм. Для наддування паливних баків РУ на теперішній час найбільше поширення знайшов гелій. Гелієві СН мають ряд позитивних сторін, завдяки яким вони успішно застосовуються вже більше п'ятдесяти років. Ці системи досить добре вивчені, технології роботи з даним робочим тілом наддування на всіх етапах робіт налагоджені. Гелієві СН не потребують великого обсягу експериментального відпрацювання, високої кваліфікації проектантів систем живлення РРД, що також є вагомим аргументом їх популярності. Відомий спосіб наддування бака з пальним І ступеня РН "Зеніт" [Призваны временем. Ракеты и космические аппараты конструкторского бюро "Южное" / под общей ред. С.Н. Конюхова. - Д.: Арт-пресс, 2004. - С. 11-14], який є найбільш близьким з числа відомих до технічного рішення, що заявляється, за технічною суттю і досяжному результату. Спосіб включає в себе на етапі передпускового наддування вільного об'єму бака пального подачу в нього гелію з температурою навколишнього середовища. Далі при роботі РУ в бак пального вводять гелій, температуру якого встановлюють нижче температури пального [А.С. 112091 СССР, МКИ F 02k 11/00, B64D 37/24. Способ наддува топливного бака / Б.А. Шевченко, Ю.А. Митиков; заявитель КБ "Южное". - № 2216292/23; заявл. 09.03.1977; опубл. 05.01.1978. 4 с]. Нижча температура гелію порівняно з температурою пального досягається досить просто гелій з балонів, які занурені в рідкий кисень, через міжбаковий відсік безпосередньо подають в вільний об'єм бака пального. Гелій (початкова температура на вході в бак ~ 100К, кінцева - ~ 50К) в баку знімає тепло з верхнього днища бака верхнього шару палива, підігрівається і відтворює потрібний тиск. Теплообмінником для гелію, кінцевою масою 15-20 кг, в даному випадку виступає конструкція бака, масою кілька тонн, і паливо, масою до 100 т. Підвищує температуру гелію в баку і аеродинамічне нагрівання бака при польоті. Тому температура гелію в баку на при кінці роботи РУ всього на 10-15К нижче за температуру палива [Митиков Ю.А. Надхолодне польотне наддування баків з вуглеводневим пальним ракет-носіїв. Системи озброєння та військова техніка / Ю.А. Митиков. - 2012. - № 1(29). - С. 130-132]. Недоліком відомого способу є його невисока ефективність, яка полягає в наступному. Температура гелію в баку може бути суттєво вище, не використовуються всі можливості матеріалу бака і антикавітаційні характеристики насосів. Також відомо - тиск газу в баку залежить від температури граничних поверхонь - дзеркала палива і верхнього днища бака [Митиков Ю.А., Модернизация системы наддува бака впрыском горячего / Ю.А. Митиков, М.В. Андрієвський // Технологический аудит и резервы производства. - 2013. - № 6/2(14). С. 19-22]. Задачею, на вирішення якої спрямовано технічне рішення, що заявляється, є зниження потрібної маси робочого тіла наддування шляхом підвищення його середньо-масової температури в вільному об'ємі паливного бака в польоті без підвищення маси РУ. Поставлена задача вирішується тим, що в способі наддування бака висококиплячого пального РУ ракети-носія, який включає введення на етапі передпускового наддування в вільний об'єм бака робочого тіла наддування, наприклад, з температурою навколишнього середовища, а на етапі польотного наддування температуру робочого тіла наддування перед подачею в бак встановлюють нижче температури палива, відповідно до винаходу, до проведення передпускового наддування здійснюють нагрівання верхнього днища баку, верхнього слою палива і газу в баку до їх допустимих температур. 1 UA 112589 C2 5 10 15 20 25 Завдяки нагріву верхнього днищу баку до допустимої температури (для АМГ-6 t ≤180 °C), температури верхнього шару палива (на 40-50 °C) і газу в баку (до 300-400 °C) помітно підвищується середньо-масова температура робочого тіла (гелію) в вільному об'ємі паливного бака, за рахунок чого меншою масою гелію можна отримувати потрібний рівень тиску. Верхній нагрітий шар палива під дією аеродинамічного теплового потоку в польоті розпорошується і не робить ніякої шкоди. Де яке збільшення температури пального на вході в насоси не має особового значення в силу того, що тиск насиченої пари пального дуже малий. Найбільш просто запропонований спосіб можна реалізувати, прогріваючи верхнє днище бака, верхній шар палива і газ в баку гарячим азотом, продуктами згоряння твердопаливних газогенераторів, азидних, наприклад, через магістраль передпускового наддування при закритому дренажному клапані. Після віддачі тепла від продуктів згоряння граничним поверхням, їх можна скинути із вільного об'єму бака шляхом відкриття дренажного клапана. Цю операцію можна проводити декілька разів до досягнення потрібного ефекту. Перед проведенням передпускового наддування продукти згоряння доцільно скинути за борт, так як вони містять до 35 % парів води, які потім при зниженні температури сконденсуються, а їх молекулярна маса вище в 6-7 разів молекулярної маси гелію. Наводимо приклад ефективності запропонованого технічного рішення. Тиск газу в баку при надхолодному наддуванні на момент закінчення роботи РУ практично пропорційний початковій температурі верхнього днища і температурі верхнього шару пального. Якщо на етапі передпускового наддування бака пального його верхнє днище прогріти в межах допустимої по міцності температури, наприклад, до 160 °C, і на 30 °C підвищити температуру верхнього шару палива, то потреби в газі польотного наддування зменшуються на третину, передпускового наддування - вдвічі. Для першого ступеня РН "Зеніт", наприклад, таке технічне рішення призводить до зменшення числа балонів з гелієм на один. Для двоступеневого варіанта РН це еквівалентно збільшенню корисного навантаження більш ніж на 20 кг. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 30 Спосіб наддування бака з висококиплячим пальним рушійної установки ракети-носія, що полягає в тому, що на етапі передпускового наддування в вільний об'єм бака вводять робоче тіло наддування, а на етапі польотного наддування температуру робочого тіла наддування перед подачею в бак встановлюють нижче температури палива, який відрізняється тим, що до передпускового наддування здійснюють нагрівання верхнього днища бака, верхнього шару палива і газу в баку до їх допустимих температур. 35 Комп’ютерна верстка Т. Вахричева Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП "Український інститут інтелектуальної власності", вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 2