Спосіб наддування паливних баків рушійних установок ракет-носіїв

Реферат: UA 87420 U UA 87420 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до галузі ракетно-космічної техніки і може бути використана для наддування паливних баків 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); KSLV-1 (Південна Корея, Росія)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 Η.Μ. Системы наддува топливных баков ракет. - 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 окислювача І ступеня РН "Сатурн-V" наддували випареним в теплообміннику РУ окислювачем (киснем). Такий же спосіб наддування баків з окислювачем використовувався і на всіх ступенях носія Н-1. На І ступені РН "Союз-2" використовують як робоче тіло наддування баків азот. Його заправляють на борт РН у зрідженому стані, в польоті подають у теплообмінник двигуна, де його випаровують і нагрівають до потрібної температури, після чого подають у вільні об'єми паливних баків. Для наддування паливних баків рушійних установок найбільше поширення знайшов гелій. Відомий спосіб наддування паливного бака І ступеня PH "Сатурн-V" [Беляев Η.Μ. Системы наддува топливных баков ракет - М.: Машиностроение, 1976. - С. 11-14], який є найбільш близьким з числа відомих до технічного рішення, що заявляється, за технічною суттю і досягуваним результатом. Спосіб включає зберігання робочого тіла наддування (гелію) на борту ракети, підігрів його в польоті в теплообміннику рушійної установки і подання у вільний об'єм паливного бака по магістралі наддування. Недоліком відомого способу є його низька ефективність, яка полягає в наступному. Робочим тілом для теплообмінника рушійної установки є, як правило, газ після турбіни. Теплообмінники виходять на режим по температурі за ~ 30 с, далі 5-10 с прогрівається до номінальної температури довга "гаряча" магістраль наддування. Сучасні РУ (РД-170/171М, РД-180, РД191М), що працюють за схемою з допалюванням окисного газу, під час польоту безперервно дроселюються - для зниження піку швидкісного напору, для обмеження осьового перевантаження, завчасно перед вимиканням РУ. Дроселювання таких РУ досягається зниженням і так невисокої температури окисного генераторного газу маршового двигуна (tnom  580 °C, після турбины tnom  380 °C). Враховуючи, що час роботи, наприклад, перших ступенів РН складає всього 130-150 с, стає зрозумілим, що в таких динамічних умовах підігрів гелію (його питома теплоємність CV=3,16 кДж/(кг·K) - суттєва величина) малоефективний. Для прикладу, середньомасова температура гелію на вході в бак окислювача по часу польоту І ступеня РН "Зеніт" і РН "Енергія" становить ~ 140 °C при tnom  270±70 °C [Митиков Ю.А. Газобаллонные системы наддува и ракеты-носители нового поколения // Космическая техника. Ракетное вооружение.-2012. - Вып. 1. - С. 179-185]. Задачею, на вирішення якої спрямована корисна модель, що заявляється, є зниження потрібної маси робочого тіла наддування шляхом підвищення його середньомасової температури на вході в паливний бак в польоті без використання додаткових ресурсів з борту РН. Поставлена задача вирішується тим, що в способі наддування паливного бака рушійних установок ракет-носіїв, що включає зберігання робочого тіла наддування на борту ракети, підігрів його в польоті в теплообміннику рушійної установки і подання у вільний об'єм паливного бака по магістралі наддування, відповідно до корисної моделі, перед запуском рушійної установки здійснюють нагрівання теплообмінника рушійної установки і магістралі наддування до їх допустимих за міцністю температур. Завдяки нагріву теплообмінника рушійної установки і магістралі наддування помітно підвищується температура робочого тіла (гелію) на вході в паливний бак і його середньомасова температура в баку, що при тому ж необхідному тиску газу в баку приводить, згідно з рівнянням Клапейрона-Менделєєва, до зменшення потрібної маси газу наддування. Найбільш просто запропонований спосіб можна реалізувати, прогріваючи теплообмінник рушійної установки і магістраль наддування зі старту чистими газами (повітря, азот), наприклад, до 600 °C. 1 UA 87420 U 5 Наводимо приклад ефективності запропонованого технічного рішення. Теплообмінник рушійної установки РД-171М важить 65 кг, магістраль наддування бака окислювача (довжина з компенсаторами 50 м) важить 45 кг. Прийнявши питому теплоємність нержавіючої сталі 0,48 кДж/(кг·K), температуру теплообмінника рушійної установки і магістралі наддування 600 °C перед стартом, номінальну температуру тракту в польоті 270 °C, можна отримати з теплового балансу, що запасене зі старту тепло становить до 25 % отриманого гелієм від теплообмінника рушійної установки в польоті. Враховуючи подальші втрати тепла робочого тіла наддування в паливному баку в результаті теплообміну більш гарячого газу з граничними поверхнями, потрібну кількість гелію на наддування можна скоротити на 15 % при інших рівних умовах. 10 ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 15 Спосіб наддування паливного бака рушійних установок ракет-носіїв, що включає зберігання робочого тіла наддування на борту ракети, підігрів його в польоті в теплообміннику рушійної установки і подання у вільний об'єм паливного бака по магістралі наддування, який відрізняється тим, що перед запуском рушійної установки здійснюють нагрівання теплообмінника рушійної установки і магістралі наддування до їх допустимих за міцністю температур. Комп’ютерна верстка І. Скворцова Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 2