Спосіб наддування паливного бака рушійної установки

Реферат: Винахід належить до галузі ракетно-космічної техніки і може бути використаний для газобалонного наддування баків рушійних установок (РУ) ракет-носіїв (РН). Спосіб наддування паливного бака рушійної установки стисненим газом, наприклад гелієм, що включає розміщення балонів системи наддування на борту ракети, наприклад, в кріогенному середовищі, заправку балонів стисненим газом до необхідного тиску з подальшою подачею газу при роботі рухової установки в вільний об'єм бака. При роботі рухової установки в балони вводять один з компонентів палива. Також, перед введенням в порожнину балонів компонента палива витрати газу на наддування встановлюють максимально можливими, а компонент палива додатково підігрівають, наприклад, в трактах охолодження камери згоряння. Винахід дозволяє знизити потрібну масу системи надування. UA 112796 C2 (12) UA 112796 C2 UA 112796 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Винахід належить до галузі ракетної техніки, та може бути використаний для газобалонного наддування паливних баків рушійних установок ракет-носіїв. В даний час як паливо рушійних установок (РУ) сучасних ракет-носіїв (РН), особливо їх перших ступенів, найбільше поширення знаходять (і плануються до застосування) висококипляче паливо типу гас (РГ-1, Т-1, Т-6, метан, синтин) та низькокиплячий окислювач рідкий кисень [Ю.А. Митиков. Определение уровня кипящего топлива в баке ракеты-носителя. Радіоелектронні і комп'ютерні системи. -2012. - № 2 (54). - С. 44-48]. Також широко використовуються в даний час на діючих РН ("Протон", "Циклон", четвертий ступінь РН "Вега", "Великий похід-ЗА") висококиплячі компоненти палива AT і НДМГ (А.В. Дегтярев, А.П. Кушнарев и др. Ракета космического назначения сверхмалого класса. - Космическая техника. Ракетное вооружение. - 2014. - № 1.- С.14-20). На сьогодні відомі різні способи наддування паливних баків РУ. Проте в системах живлення компонентами палива сучасних РУ ракет-носіїв в силу різного роду причин найбільше поширення знайшли гелієві газобалонні СН. Досить перерахувати РН "Зеніт", "Антарес", "Ангара", Falcon 9, KSLV-1 [Митиков Ю.А., Антонов В.А., Волошин М.Л., Логвиненко А.И. Пути повышения надежности и безопасности эксплуатации ракетных комплексов. - Авиационнокосмическая техника и технология. - 2012. - № 3 (90). - С. 30-36]. Найближчим до винаходу, що заявляється, за технічною суттю і досягуваному ефекту є спосіб наддування паливного бака-окислювача (рідкий кисень) рушійної установки РД-171М (РД 520) І ступеня РН "Зеніт" [Призваны временем. Ракеты и космические аппараты конструкторского бюро "Южное", под. общ. ред. академика С.Н. Конюхова. - Д.: Арт-пресс, 2004. - С. 71-73]. Цей спосіб наддування бака-окислювача включає розміщення балонів високого тиску з гелієм в нижній частині бака-окислювача в кріогенному середовищі (у киплячому рідкому кисні). Далі, стисний гелій подають в хвостовий відсік ракети-носія, де його підігрівають в теплообміннику рушійної установки РУ. Потім підігрітий гелій вводять в верхню точку вільного об'єму бака окислювача. Недоліком такого технічного рішення є те, що при спорожнюванні балонів (перші ступені працюють 100150 с) температура гелію всередині балонів падає досить швидко (на 50-40 5 градусів), що при кінцевому тиску ~30•10 Па призводить до помітних залишків гелію в балонах (до ~30 % від початкової маси) [Митиков Ю.А. Газобаллонные системы наддува и ракетыносители нового поколения. - Космическая техника. Ракетное вооружение. - 2012. - № 1. - С. 179-185]. Значна величина кінцевого тиску в балонах пояснюється великим гідравлічним опором теплообмінника і довгих трактах наддування. Задачею винаходу, що заявляється, є зниження потрібної маси системи наддування, яка реалізує запропонований спосіб, шляхом підвищення кінцевої температури гелію в балонах системи наддування. Поставлена задача вирішується тим, що відповідно до винаходу, при роботі рушійної установки в балони вводять той компонент палива, для наддування якого застосуються балони, при цьому тиск газу у балонах і їх температуру підтримують нижче їх допустимих значень з умов міцності. Також, перед введенням в порожнину балонів компонента палива витрати газу на наддування встановлюють максимально можливими, а компонент палива додатково підігрівають, наприклад, в трактах охолодження камери згоряння. Ще однією відмінністю є те, що після введення в порожнину балонів компонента палива на виході з балонів рідинно-газову суміш сепарують, газ направляють в вільний об'єм бака, рідку фазу подають на вхід до насоса цього компонента палива. Підігрів гелію в балонах призводить до зменшення залишків гелію в балонах (збільшення частки використовуваного газу). Так, підвищення температури гелію в балонах на момент вимикання РД-171М на 1 °C, дозволяє за інших рівних умов зменшити залишки газу на ~2 %. Стосовно до наддування бака окислювача РД-171М підвищення кінцевої температури газу в балонах наприклад, на 11 °C дозволяє, за розрахунками автора, зменшити потрібне число балонів на один. Зараз, стосовно до рушійної установки РД-171М, на 1 кг гелію, що йде з балонів до вільного об'єму бака окислювача, припадає 0,75 кг гелію залишків, 6,5 кг конструкції балонів, 20 кг недозаправленого палива. При роботі рушійної установки тиск і температура гелію в балонах падають. Введення в балони компонента палива призводить до росту температури і тиску залишків газу в балонах. Це відбувається в загальному випадку за рахунок віддачі тепла при зниженні температури компонента палива в балонах до температури його замерзання, виділенні тепла фазового переходу, остиганні твердої фази до поточної температури залишків газу в балонах. 1 UA 112796 C2 5 10 15 20 Якщо температурні умови в балоні такі, що введений компонент палива не замерзає на стінках балонів, а попадання його в паливний бак не доцільно, то газорідинну суміш на виході з балонів сепарують, газ направляють в вільний об'єм бака, рідку фазу подають на вхід до насосу цього компонента палива. Залежно від конкретних умов, можна в секцію балонів наддування бака пального, наприклад, РД-171М вводити пальне, а в секцію балонів наддування бака окислювача - рідкий кисень. Якщо в паливних баках максимальна температура газу не перевищує температури самозаймання (дизельний ефект), то можна, якщо це доцільно, вводити в різні секції балонів один компонент палива. Компонент палива, в залежності від конкретних умов, можна вводити короткочасно дозою, або на протязі необхідного часу. Для виключення невідкриття агрегатів автоматики наддування (за рахунок примерзання клапанів до сідел), перед введенням в порожнину балонів компонента палива, витрати газу на наддування встановлюють максимально можливими (відкривають геть усі на прохід). Час введення компонента палива в балони вибирається відповідно до потреб, наприклад, перед піком потрібного тиску газу в баку. За розрахунками авторів, за апробованою методикою [Ю.А.Митиков Расчетноэкспериментальное исследование системы сверххолодного наддува. Системне проектування та аналіз характеристик аерокосмічної техніки. - 2012. - т. XIII. - С. 61-69.] при використанні згідно з винаходом -10 кг пального (на один балон) з форсункової головки (температура пального 470 К на номінальному режимі) при інших рівних умовах потреба в гелії зменшується на 25 %. Для двоступеневого носія середнього класу при застосуванні винаходу тільки на першому ступені це прибавка ~10 кг корисного вантажу. Винахід може бути використано і для наддування паливних баків не тільки гелієм, а і азотом, у тому числі і баків з AT і НДМГ. 25 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 30 35 1. Спосіб наддування паливного бака рушійної установки стисненим газом, наприклад гелієм, що включає розміщення балонів системи наддування на борту ракети, наприклад, в кріогенному середовищі, заправку балонів стисненим газом до необхідного тиску з подальшою подачею газу при роботі рухової установки в вільний об'єм бака, який відрізняється тим, що при роботі рушійної установки в балони вводять той компонент палива, для наддування якого застосуються балони, при цьому тиск газу в балонах і температуру балонів підтримують нижче їх допустимих значень з умов міцності. 2. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що перед подачею в балони компонент палива підігрівають, наприклад, в тракті охолодження камери згоряння. 3. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що перед введенням компонента палива в балони, витрати гелію на наддування встановлюють максимальними і більше не регулюють. 40 Комп’ютерна верстка О. Гергіль 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