Спосіб заправлення бака ракети-носія кріогенним компонентом палива

Спосіб заправлення бака ракети-носія кріогенним компонентом палива, який базується на подаванні переохолодженого кріогенного компонента палива на нижнє днище бака та відведенні 3 кож збільшенню тривалості заправних робіт і витрат на них; збільшення ваги конструкції бака, збільшення кінцевої маси газу у баку і зменшення корисного навантаження, що виводиться за допомогою РН, тому що такий спосіб заправлення призводить до суттєвого насичення водню гелієм, що суттєво перевищує рівень розчинення гелію у рідкому кисні і потребує збільшення тиску у баку при витрачанні палива під час роботи двигуна; значні витрати і збільшений час проведення заправних робіт через необхідність термостатування ККП після заповнення їм бака. Найближчим до запропонованого по технічному рішенню є вибраний як прототип спосіб заправлення бака ракети-носія кріогенним компонентом палива, який описаний у патенті РФ №2.155.147, МПК B64G 5/00, F17C 6/00, 1999р. Цей спосіб базується на подаванні переохолодженого ККП на нижнє днище бака та відведенні його пари у дренаж і включає заповнення бака переохолодженим ККП до заданого рівня заправлення і забезпечення рівномірного поля заданої середньомасової температури ККП у баку, відповідно якому температуру переохолодженого ККП на вході у бак підтримують нижче значення заданої середньомасової температури ККП у баку на величину прогрівання ККП, що заправлений у бак. Даний спосіб заправлення дозволяє відмовитися від проведення термостатування ККП після заповнення ним бака РН. Недоліком цього способу заправлення є його невисокі експлуатаційні характеристики, такі як: значне ускладнення технології робіт під час заправлення бака переохолодженим ККП через необхідність попереднього заповнення порожнини бака РН гелієм і ведення заправлення при постійному надлишковому тиску наддування бака гелієм, що призводить до ускладнення наземного обладнання, підвищення температури ККП у баку, а також збільшенню тривалості заправних робіт і витрат на них; додаткове збільшення ваги конструкції бака і додаткові втрати корисного навантаження при використанні рідкого водню. В основу корисної моделі поставлена задача створення удосконаленого способу заправлення бака ракети-носія кріогенним компонентом палива, який би дозволяв підвищити його експлуатаційні характеристики шляхом уведення в нього нових операцій, таких як: безпосередньо перед подаванням у бак переохолодженого компонента палива, в нижню частину бака вводиться ККП у киплячому стані, що утворює поверхневий шар киплячого ККП над переохолодженим ККП під час заповнення їм бака, при цьому киплячий ККП вводиться у бак у кількості, котра забезпечує зберігання у процесі заповнення бака верхневого шару цього компонента, котрий прикриває рівень переохолодженого ККП, що дозволяє створювати потрібний тиск у баку за рахунок пари киплячого ККП без використання додаткового газу наддування (гелію). Поставлена задача вирішується таким чином, що у запропонованому способі заправлення бака ракети-носія кріогенним компонентом палива, що 54559 4 базується на подаванні переохолодженого кріогенного компонента палива на нижнє днище бака та відведенні його пари у дренаж і включає заповнення бака переохолодженим кріогенним компонентом палива до заданого рівня заправлення і вирівнювання температури кріогенного компонента палива у баці, в ньому безпосередньо перед подаванням у бак переохолодженого компонента палива в нижню частину бака вводять кріогенний компонент палива у киплячому стані, що утворює поверхневий шар киплячого кріогенного компонента палива над переохолодженим кріогенним компонентом палива під час заповнення їм бака, при цьому киплячий кріогенний компонент палива вводять у бак у кількості, що забезпечує зберігання у процесі заповнення бака поверхневого шару цього компонента, котрий прикриває рівень переохолодженого кріогенного компонента палива. Для пояснення способу заправлення додаються креслення, на яких схематично зображений пристрій, у якому втілюється даний спосіб, та його детальний опис. Паливний бак 1 з теплоізоляцією 2, призначений для заправлення в нього ККП - рідкого водню, є складовою частиною першого або другого ступеня РН 3, яка встановлена на ПУ наземного комплексу. Нижня частина бака 1 підключена до наземного заправного трубопроводу 4 за допомогою бортового заправного трубопроводу 5 з клапаном 6 через бортове рознімне з'єднання 7, а у верхній частині бака 1 встановлений дренажний патрубок 8 з клапаном 9. Наземний заправний трубопровід 4 через клапан 10, трубопровід 11 і насос 12 рідкого водню з'єднаний з паралельно встановленими кріогенними ємностями 13 і 14 для рідкого непереохолодженого (киплячого) водню, підключеними до насосу 12 через відповідні клапани 15 і 16. Наземний заправний трубопровід 4 через клапан 17 також з'єднаний з виходом теплообмінника 18, вхід якого через клапан 19 підключений до трубопроводу 11. Теплообмінник 18 виконаний у вигляді кріогенної ємності з рідким воднем, у рідинній порожнині якої розташований змійовик 20, підключений через клапан 19 до трубопроводу 11, а газова порожнина ємності теплообмінника 18 сполучена з вакуумним пристроєм, наприклад газовим ежектором 21 або вакуум-насосом. У верхній частині бака 1 розміщений колектор 22 для подавання або зливання рідкого водню, котрий розташований трохи нижче заданого рівня заправлення бака рідким воднем. Колектор 22 за допомогою бортового трубопроводу 23, бортового рознімного з'єднання 24, трубопроводу 25 з клапаном 26, трубопроводу 27 з клапаном 28 і трубопроводів 29 і 30 з відповідними клапанами 31 і 32 підключений до внутрішніх порожнин кріогенних ємностей 13 і 14. На верхньому і нижньому днищах паливного бака 1 встановлені відповідні датчики 33 і 34, для контролю рівня рідкого водню, у верхній частині бака 1 встановлений також датчик температури 35 рідкого водню і патрубок 36 подавання гелію. Процес заправлення бака РН здійснюється наступним чином. Перед подаванням рідкого водню у бак 1 ви 5 конують попередню підготовку внутрішньої порожнини бака 1, що включає витиснення атмосферного повітря з порожнини бака 1 холодним газоподібним азотом і наступну заміну азотного середовища у баку 1 на середовище газоподібного водню. Після цього включають подавання у нижню частину бака 1 через бортовий заправний трубопровід 5 рідкого киплячого (не переохолодженого) водню з одної з двох кріогенних ємностей, наприклад ємності 14, при відкритому клапані 10 на трубопроводі 11 і закритих клапанах 17 і 19. Рідкий киплячий водень, що поступає у бак 1, внаслідок підігрівання його від стінок бака 1, інтенсивно випаровує, а холодна рівноважна пара водню створює над кріогенною рідиною, що кипить, щільну "завісу" пари, яка відділяє рідину від початкового теплого газу (водню), що знаходиться у порожнині бака 1. У процесі надходження у бак 1 рідкого киплячого водню газоподібний водень відводять з бака 1 через дренажний патрубок 8 і далі подають на наземне обладнання наземного комплексу на спалювання або флегматизацію. Після накопичення у нижній частині бака 1 заданої, наперед визначеної, кількості рідкого киплячого водню, що контролюють за допомогою датчика 34, подавання його у бак 1 припиняють, для чого закривають клапан 10 на трубопроводі 11, і виконують включення подавання у бак 1 рідкого переохолодженого водню з теплообмінника 18 з номінальним витрачанням. Для цього відкривають клапани 17 і 19, що забезпечують надходження рідкого киплячого водню з трубопроводу 11 у змійовик 20 теплообмінника 18 і наступне подавання переохолодженого водню у бортовий заправний трубопровід 5 бака 1. Під час надходження у бак 1 рідкого переохолодженого водню рідкий киплячий водень утворює над ним поверхневий шар, який переміщується вгору у міру заповнення бака 1. Контактуючи з теплими стінками бака 1, киплячий водень, що переміщується вгору, інтенсивно випаровує, відбираючи тепло у стінок бака 1, а "завіса" пари над киплячим воднем надійно прикриває поверхню кріогенної рідини у процесі заповнення нею бака від контакту з початковим газовим середовищем бака 1. Це виключає можливість утворення локального розрідження поблизу дзеркала рідкого водню при коливаннях бака 1, що може викликати зминання бака 1. Оскільки у бак 1 киплячий водень заливають у заданій, наперед визначеній, кількості, що відповідає збереженню стійкого поверхневого шару киплячого водню під час заповнення бака 1, котрий прикриває рівень переохолодженого водню і запобігає виполіскуванню переохолодженого водню з основної маси рідини у процесі заповнення бака 1 до заданого рівня заправлення, усувається небезпека зминання бака 1 під час його заправлення від дії на бак 1 коливань РН 3 при вітрових навантаженнях, коли РН 3 встановлена на ПУ. При цьому під час проведення заправлення не потрібно використовувати коштовний гелій, котрий, до того ж, добре роз 54559 6 чиняється у рідкому водні, що значно погіршує його експлуатаційні характеристики. Кількість ККП, що вводять у бак 1 спочатку (у даному випадку рідкого водню), яка відповідає збереженню поверхневого шару цього компоненту у процесі заповнення бака 1, котрий прикриває рівень переохолодженого ККП, визначають розрахунковим шляхом з урахуванням геометричних розмірів бака 1, амплітуди коливань РН 3 на ПУ, виду ККП, що заправляють, і тривалості процесу заправлення. Після досягнення заданого рівня заправлення бака 1 закривають клапан 9 на дренажному трубопроводі 8 і виконують наддування бака 1 газоподібним гелієм. Далі виконують вирівнювання температури переохолодженого водню у баку 1 шляхом зниження температури верхнього шару водню за рахунок подавання переохолодженого водню на днище бака 1 з одночасним відведенням прогрітого рідкого водню через колектор 22 з верхньої частини бака 1 при підтримуванні постійного рівня кріогенної рідини у баку 1. Для цього відкривають клапани 26 і 28 на трубопроводах 25 і 27 та клапан 31 на трубопроводі 29, який підключений до кріогенної ємності 13. Таке вирівнювання температури переохолодженого кріогенного компонента дозволяє, у порівнянні з прототипом, де прогрітий верхній шар компоненту зменшується у об'ємі рідини, додатково знизити середньомасову температуру компоненту на момент закінчення заправлення бака 1. Під час заправлення бака 1 РН 3 переохолодженим киснем попередня підготовка внутрішньої порожнини бака 1 не потрібна, тобто внутрішня порожнина бака 1 може бути заповненою атмосферним повітрям. Після подавання у бак 1 заданої кількості киплячого кисню, який необхідний для формування поверхневого киплячого шару, процес заправлення переохолодженим киснем аналогічний процесу заправлення воднем. При подаванні у бак 1 переохолодженого кисню рівноважна пара рідкого киплячого кисню ("завіса" пари), яка утворюється над його поверхневим шаром у баку 1, витискає від дзеркала рідкого кисню атмосферне повітря, не дозволяє їй взаємного контакту і виключає можливість зминання бака 1 від дії на РН 3 вітрових навантажень. В той же час не відбувається зниження чистоти рідкого кисню, що заправляють, оскільки температура зрідження азоту, який міститься у повітрі, значно нижче температури пари кисню. Під час заправлення ж бака 1 переохолодженим киснем необхідно, для виключення зминання бака 1 від вітрових навантажень, попереднє заповнення бака 1 гелієм і наддування ним бака 1 у процесі заправлення. Подавання ККП від наземного обладнання до РН, яка знаходиться на ПУ наземного комплексу, здійснюють по магістралях за патентом України №6921 ЗА, МПК B64G 5/00, F41F 3/04, 2003р. Таким чином, запропонований спосіб дозволяє значно спростити технологію робіт під час заправлення РН, яка знаходиться на ПУ. 7 Комп’ютерна верстка А. Крулевський 54559 8 Підписне Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601