Спосіб наддування паливного бака рушійної установки

Реферат: UA 87882 U UA 87882 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до ракетної техніки та 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, 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 висококиплячі компоненти палива AT і НДМГ ("Протон", "Циклон", четвертий ступінь РН "Вега", "Великий похід - 3А"). Інтенсивно досліджується перспективне паливо ацетам. 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 системи наддування (СН). Досить перерахувати РН "Зеніт", Аntares, "Ангара", Atlas-V, Falcon 9, KSLV-1 [Митиков Ю.А., Антонов В.А., Волошин М.Л., Логвиненко А.И. Пути повышения надежности и безопасности эксплуатации ракетных комплексов. - Авиационно-космическая техника и технология. - 2012. - № 3 (90). - С. 30-36]. Найближчим до корисної моделі, що заявляється, за технічною суттю і ефектом, що досягається, 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.: Артпресс, 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 стиснений гелій подають в хвостовий відсік РН, де його підігрівають в теплообміннику РУ. Потім підігрітий гелій вводять в верхню точку вільного об'єму бака окислювача. Зазначений спосіб здійснюють у системі наддування паливного бака, що включає баки з дренажними і запобіжними клапанами, насосами високого тиску, балонами зі стисненим гелієм і агрегатами автоматики, які розміщені у нижній частині бака окислювача і з'єднані магістраллю з теплообмінником і вільним об'ємом бака. Недоліками таких технічних рішень є те, що великий корисний об'єм бака окислювача займають балони, які до того ж створюють складнощі при монтажі внутрішньобакових пристроїв (датчики рівня, забірні пристрої тощо). У той же час міжбаковий і хвостовий відсіки в космічних носіях компанують не настільки щільно. Далі, 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]. Велика величина кінцевого тиску в балонах пояснюється великим гідравлічним опором довгих трактів наддування. Задачею корисної моделі, що заявляється, є максимальне використання об'єму паливних баків під компоненти палива, зниження потрібної маси системи наддування і систем і агрегатів, які забезпечують їх працездатність шляхом зниження початкової і підвищення кінцевої температури гелію в балонах системи наддування. Поставлена задача вирішується тим, що відповідно до корисної моделі, балони розміщують на борту ракети-носія поза баком з киснем, наприклад в хвостовому відсіку, в спеціальній ємності, яку теплоізолюють від навколишнього середовища, заправляють у неї хладагент (кріогенну рідину), наприклад рідкий кисень або рідкий азот, далі заправляють балони стисненим гелієм до потрібного тиску, а перед самим стартом ракети-носія кріогенну рідину зі спеціальної ємності зливають, а самі балони в польоті нагрівають. Далі балони поставляють на старт зарядженими до проміжної величини, допустимої з умов міцності при температурах транспортування і зберігання, а в процесі зарядки гелію в балони спеціальну ємність підживлюють кріогенною рідиною, а температуру її в ємності знижують, наприклад, за допомогою ежекції. Залежно від компоновки відсіків РН, конструкції стартової позиції (заправка ракети стисненими газами і компонентами палива знизу через хвостовий відсік або за допомогою кабель-щогли через міжбаковий відсік) балони (для стисненого гелію) розміщують в тому чи іншому відсіку носія поза паливних баків в спеціальній тонкостінній ємності з теплоізоляцією, зручною з умов компоновки форми (торова, циліндрична, вертикальна, під кутом). У цю ємність при передстартових операціях подають кріогенний компонент - рідкий кисень або рідкий азот, бажано, максимально переохолоджений. Теплоізоляція дозволяє зменшити вплив ємності на 1 UA 87882 U 5 10 15 20 25 30 температурний режим відсіку, а також зменшити теплові втрати холодоагенту і потужність ежектора. Застосування азоту переважніше, тому що його використання в силу більш низької температури кипіння, в той же обсяг балонів при однаковому тиску можна заправити на ~13 % більше гелію. Зниження температури гелію в балоні на 1 °C дозволяє збільшити масу газу в ньому за інших рівних умов на ~1,1 %. Так, якщо у СН бака окислювача РД-171М вісім однакових балонів, то використання рідкого азоту як хладагента дозволяє зменшити кількість балонів на один. Для двоступеневого носія середнього класу це еквівалентно 17 кг корисного навантаження або (за світовими цінами виведення корисного навантаження на опорну орбіту) не менше як $ 400 тис. з кожного пуску. Цей ефект можна підсилити, якщо всередині спеціальної ємності створювати розрідження за допомогою, наприклад, ежектування для отримання (підтримки низької температури) переохолодженого азоту. При заправці балонів гелієм нагріваються його стінки і далі кріогенний хладагент. Для підтримки температури хладагента на потрібному рівні, а отже і стінок балонів з гелієм, здійснюють ежекцію його парів із спеціальної ємності. Для підтримки необхідного рівня хладагента в спеціальній ємності її в процесі передстартових операцій підживлюють хладагентом. Треба відмітити, якщо балони поставляють на старт зарядженими до проміжної величини, допустимої з умов міцності при температурах транспортування і зберігання, то зменшується сумарний тепловий потік в хладагент, що зменшує потреби в хладагенті і потужності ежектора. Для зменшення залишків гелію в балонах (збільшення частки використовуваного газу) їх у польоті нагрівають. Так, підвищення температури гелію в балонах на момент вимикання РД171М 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 на 11 °C дозволяє, за розрахунками автора, зменшити потрібне число балонів на один. Необхідно відзначити, що застосування рідкого азоту на стартовій позиції на ракеті-носії (для наддування паливних баків) не викликало проблем вже з середини 50-х років минулого століття (МБР 8К74 або Р-7). У складі шахтного ракетного комплексу Р-9А (початок 60-х років) використовувався на стартовій позиції переохолоджений кисень з температурою -203-210 °C з метою швидкісної заправки баків киснем (суттєво підвищується його текучість). Корисна модель може бути використана і для наддування паливних баків гелієм і без теплообмінників, у тому числі баків з AT і НДМГ, наприклад, на РН "Циклон-4", "Протон". ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 35 40 45 1. Спосіб наддування паливного бака рушійної установки стисненим газом, наприклад гелієм, що включає розміщення балонів системи наддування на борту ракети в кріогенному середовищі, наприклад в рідкому кисні, заправку балонів стисненим газом до необхідного тиску з подальшою подачею газу при роботі рушійної установки в вільний об'єм бака, який відрізняється тим, що балони розміщують на борту ракети-носія поза баком з киснем, наприклад в хвостовому відсіку, в спеціальній ємності, яку теплоізолюють від навколишнього середовища, заправляють у неї хладагент (кріогенну рідину), наприклад рідкий кисень або рідкий азот, далі заправляють балони стисненим гелієм до потрібного тиску, а перед самим стартом ракети-носія кріогенну рідину зі спеціальної ємності зливають, а самі балони в польоті нагрівають. 2. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що балони поставляють на старт зарядженими до проміжної величини, допустимої з умов міцності при температурах транспортування і зберігання, а в процесі зарядки гелію в балони спеціальну ємність підживлюють кріогенною рідиною і температуру її в ємності знижують, наприклад, за допомогою ежекції. 50 Комп’ютерна верстка І. Мироненко 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