Спосіб наддування бака з висококиплячим пальним рушійної установки

Реферат: Винахід належить до галузі ракетно-космічної техніки і може бути використаний для наддування паливних баків рушійних установок ракет-носіїв. Спосіб наддування бака з висококиплячим пальним рушійної установки ракети-носія включає наддування паливного баку гелієм. На етапі передпускового наддування в бак вводять гелій із балонів польотного наддування до величини тиску, яка нижче потрібного для запуску двигуна, далі введення гелію в бак припиняють, забезпечують тимчасову витримку, за час якої підвищують тиск гелію в баку до потрібного значення для запуску двигуна, при цьому зарядку балонів гелієм продовжують. На етапі запуску двигуна і польоту ракети-носія продовжують вводити в бак гелій, при цьому в бак подають другий газ, температуру якого встановлюють перед подачею в бак вище температури палива, а вводять його в паливний бак в напрямку вздовж поздовжньої осі бака в два прийоми, перший починають після опускання рівня палива в баку на відстань від зрізу газовводу, при якому динамічний напір на осі струменя газу наддування менше величини, здатної дробити паливо, другий - від команди системи управляння в потрібний час, наприклад, в середині роботи рухової установки або від спрацювання сигналізатора контролю нижньої межі тиску газу в баку. UA 105882 C2 (12) UA 105882 C2 UA 105882 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 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); KSLV-1 (Південна Корея, Росія) та інші. Використовуються і такі горючі як НДМГ, етиловий спирт, інтенсивно відпрацьовується ацетам. 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. - М.: Машиностроение, 1976. - С. 10-35]. До теперішнього часу відомі різні способи наддування паливних баків РУ - випарні, швидкісним натиском, генераторні. Для наддування ж паливних баків сучасних рухових установок найбільшого поширення знайшов гелій. Гелій розміщують на борту РН в балонах високого тиску, занурених у кріогенний окислювач. Цим досягається зниження маси системи зберігання робочого тіла. Далі, при роботі РУ гелій подають у теплообмінник, нагрівають і вводять у вільний об'єм паливного бака. Також реалізовані схеми наддування баків РУ і без теплообмінників. Гелієві системи достатньо вивчені, технології роботи з ним на всіх етапах відпрацьовані. За допомогою газобалонної СН не складно підтримувати потрібний тиск газу в баку. Як прототип вибрано спосіб наддування бака пального І ступеня РН "Зеніт". Він структурно складається з двох послідовно проведених етапів. Перший - передпускове наддування для забезпечення потрібного тиску на вході в двигун для його запуску. На цьому етапі в вільний об'єм баку пального із стартової позиції подають гелій з температурою навколишнього середовища до необхідної величини тиску [Призваны временем. - Под общ. ред. академика Конюхова С.Н. - Д.:АРТ-ПРЕСС, 2004. - С. 68-69]. Таке наддування використовується практично на всіх сучасних киснево-гасових РН. Другий етап - підтримка в польоті потрібного тиску газу в баку для забезпечення його стійкості і безкавітаційної роботи двигуна. При польотному ж наддуванні температуру гелію перед подачею в бак встановлюють нижче температури палива в баку [Спосіб наддування паливного баку: пат. 51806 Україна: МПК В 64D 37/24. Шевченко Б.О., Мітіков Ю.О., Логвиненко А.І. Заявник та патентовластник ДП "КБ "Південне". - № 2000031474; заявл. 15.03.00; опубл. 16.02.02. - С. 1-4]. Перевагою даного способу польотного наддування є його конструктивна простота (у порівнянні з гарячим), повне випорожнення балонів, можливість експериментального наземного відпрацювання практично в натурних умовах. Недоліком даного способу є його відносно велика маса (низька середньомасова температура гелію в баку на момент вимикання РУ), невисока ефективність, яка є наслідком подвійного набору елементів автоматики і трубопроводів з температурними компенсаторами для двох етапів наддування, зміцнення баків під траси для їх кріплення. І це при тому, що при передпусковому наддуванні треба ввести в бак пального носія середнього класу всього лише 12,5 кг гелію. Ще одним недоліком першого етапу прототипу є велике число включень електропневмоклапанів (ЕПК) наддування, які працюють, як правило, в парі з сигналізатором контролю нижнього тиску (СКНТ) газу в баку перед запуском двигуна. При введенні в бак гелію з температурою навколишнього середовища відбувається підвищення температури газу в баку. Коли тиск газу в баку досягає рівня налаштування СКНТ, від системи управління надходить команда на закриття ЕПК. Далі, в результаті теплообміну температура газу в баку падає, зменшується тиск газу і СКНТ формує команду на відкриття ЕПК. Введення кожної локальної порції газу в тонкостінний бак виробляє струс всього РН, в тому числі і системи управління. Включень ЕПК за час передпускового наддування реалізується декілька десятків. Задачею винаходу є спрощення конструкції СН, зниження потрібної маси СН (робочого тіла і системи його зберігання) шляхом підвищення середньомасової температури газу в баку в польоті без використання додаткових ресурсів зі стартової позиції РН, істотне зменшення вібрацій при передпусковому наддуванні. Рішення поставленої задачі досягається тим, що в способі, який включає на етапі передпускового наддування введення в вільний об'єм бака гелію із стартової позиції, а на етапі польотного наддування встановлення температури гелію перед подачею в бак нижче температури палива, відповідно до винаходу, на етапі передпускового наддування в бак вводять гелій із балонів польотного наддування до величини тиску, яка нижче потрібного для 1 UA 105882 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 запуску двигуна, далі наддування припиняють, забезпечують тимчасову витримку, за час якої підвищують тиск гелію в баку до рівня потрібного для запуску двигуна шляхом нагрівання гелію, при цьому зарядку балонів гелієм продовжують, а на етапі запуску двигуна і польоту ракетиносія продовжують вводити в бак гелій, при цьому в бак подають другий газ, температуру якого встановлюють перед подачею в бак вище температури палива, потрібний же тиск суміші газів в баку в польоті підтримують за допомогою зміни витрати гелію, який на всіх етапах вводять у вільний об'єм бака на його верхнє днище еквідистантно йому. Іншою відмінністю запропонованого технічного рішення є те, що другий газ, температуру якого встановлюють перед подачею в бак вище температури палива, вводять в паливний бак в напрямку вздовж його поздовжньої осі в два прийоми, перший починають після опускання рівня палива в баку на відстань від зрізу газовводу до рівня палива, при якому динамічний напір на осі струменя газу наддування менше величини, здатної дробити паливо, другий - від команди системи управляння в потрібний час, наприклад, в середині роботи рушійної установки або від спрацювання сигналізатора контролю нижньої межи тиску газу в баку. Окремо відомі холодне, надхолодне і гаряче надування. Проте їх спільне застосування, яке при тому рознесено в часі, дозволяє отримати нову якість, помітний позитивний ефект. Так, вводячи в бак газ, температура якого нижче температури палива (кріогенна), еквідистантно верхньому днищу, ми його екрануємо, захолоджуємо і створюємо можливості для застосування газу великої працездатності з температурою, істотно вище температури палива, наприклад, з температурою ~10001500 °C. Як відомо [Шишков А.А., Румянцев Б.В. Газогенератори ракетних систем. М.: Машинобудування, 1981. - С. 6-43], саме при цій температурі стійко горять найпростіші і поширені тверді палива, забезпечуючи прийнятний вихід продуктів згорання (~420 нл/кг) великої працездатності ~450 дж/(кг•град) (за наявності в їх складі водню, метану, парів води). При такій комбінації нескладно регулюється тиск газу в баку. Величина тиску, до якої проводять передпускове наддування вибирають з міркувань нагріву введеного газу в бак до температури палива, тобто до максимально можливої, але за відведений час до запуску двигуна. Тимчасова витримка може бути розрахована за методикою [Беляев Н.М. Расчёт пневмогидравлических систем. - М.: Машиностроение, 1983. - С. 105-111] або визначена експериментально. Відстань від зрізу газовводу до рівня палива, при якому динамічний напір на осі струменя газу наддування менше величини, здатної дробити паливо, можна розрахувати за допомогою числа Вебера We [Большая энциклопедия Нефти и Газа. Число Вебера, http://www.ngpedia.ru/id597028p3.html. - С. 3], або експериментально при включенні газогенератора на такій відстані від рівня палива, на якому спостерігається мінімальне падіння тиску газу в баку. Для надання більшої гнучкості системі наддування (різні корисні навантаження, різні географічні точки старту, траєкторії запуску, різні перевантаження, різні значення мінімальнонеобхідного тиску газу в баку) пропонується "гаряче" наддування проводити в два етапи. Час включення першого вже визначено. Друге включення запропоновано виробляти від системи управління або за часом, наприклад, в середині роботи рухової установки, або від спрацювання сигналізатора контролю нижнього тиску газу в баку. Конструктивно це вирішується досить просто, встановлюючи два однакових твердопаливних газогенератора, що спрощує ще і їх монтаж. За розрахунками автора, для вирішення поставленої задачі потрібна сумарна маса твердого палива становить 24 кг. Запропоноване технічне рішення дозволяє істотно підвищити масові характеристики системи наддування (виключення цілої системи передпускового наддування, зменшення кількості балонів на 66,6 %, підвищення заправки паливом баків на 280 л), ліквідує вібрації при спрацьовуванні ЕПК наддування, реалізує запропонований спосіб шляхом радикальної модернізації існуючого газобалонного гелієвого ("надхолодного"). 50 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 55 60 1. 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 гелій, а на етапі польотного наддування температуру гелію перед подачею в бак встановлюють нижче температури палива, який відрізняється тим, що на етапі передпускового наддування в бак вводять гелій із балонів польотного наддування до величини тиску, яка нижче потрібного для запуску двигуна, далі введення гелію в бак припиняють, забезпечують тимчасову витримку, за час якої підвищують тиск гелію в баку до потрібного значення для запуску двигуна, при цьому зарядку балонів гелієм продовжують, а на етапі запуску двигуна і польоту ракети-носія 2 UA 105882 C2 5 10 продовжують вводити в бак гелій, при цьому в бак подають другий газ, температуру якого встановлюють перед подачею в бак вище температури палива, при цьому потрібний тиск суміші газів в баку підтримують за допомогою зміни витрати гелію, який на всіх етапах вводять у вільний обсяг бака на його верхнє днище еквідистантно йому. 2. Спосіб наддування паливного бака за п. 1, який відрізняється тим, що другий газ, температуру якого встановлюють перед подачею в бак вище температури палива, вводять в паливний бак в напрямку вздовж поздовжньої осі бака в два прийоми, перший починають після опускання рівня палива в баку на відстань від зрізу газовводу, при якому динамічний напір на осі струменя газу наддування менше величини, здатної дробити паливо, другий - від команди системи управляння в потрібний час, наприклад, в середині роботи рушійної установки або від спрацювання сигналізатора контролю нижньої межі тиску газу в баку. Комп’ютерна верстка Л. Ціхановська 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 3