Спосіб наддування паливного бака з рідким киснем

Реферат: Даний винахід належить до галузі ракетно-космічної техніки і може бути використаний для наддування паливних несучих нетеплоізольованих циліндричних баків рушійних установок ракет-носіїв (РН) з рідким киснем. Заявлений спосіб наддування паливного бака з рідким киснем включає захолодження конструкції бака кріогенною рідиною до запуску рушійної установки, а при роботі рушійної установки подачу в вільний об'єм бака гарячого робочого тіла наддування. Перед заправкою бака і до старту ракети проводять захолоджування стінок бака азотом, з його зовнішнього боку до температури, яка нижче температури компонента палива в баку на момент старту. На внутрішній поверхні стінок паливного бака зменшують кількість центрів пароутворення шляхом поліровки. Винахід дозволяє знизити масу системи наддування за рахунок зменшення температури рідкого кисню в баку, підвищити умови пожежної безпеки, здешевити захолоджування бака окислювача. UA 115267 C2 (12) UA 115267 C2 UA 115267 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 паливних баків рушійних установок ракет-носіїв (РН) з рідким киснем. В даний час як окислювач рушійних установок (РУ) сучасних ракет-носіїв, особливо їх перших ступенів, поширення знаходять (і плануються до застосування) низькокиплячий окислювач - рідкий кисень. Достатньо перелічити РН "Зеніт", "Маяк" (Україна); Antares (США, Україна); Atlas-V, Falcon 9 (США); Arian V (ЄКА); Н-1 (Японія); численне сімейство РН "Союз-2", "Ангара" (Росія); 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]. При цьому відомо, що сучасні ПГСП палива у двигун, в яких СН найбільш вагомі, є найбільш складними і дорогими частинами РН після РРД [А.В. Дегтярев, А.П. Кушнарев, Д.А. Попов и др. Ракета космического назначения сверхмалого класса. Космическая техника. Ракетное вооружение: сб. науч.-техн. ст. ГКБ "Южное". - 2014. №1. - С. 14-20]. На теперішній час відомі різні способи наддування паливних баків РУ, але для наддування паливних баків сучасних рушійних установок в силу різного роду причин найбільше поширення знайшов гелій. Достатньо перелічити вищевказані РУ ракет-носіїв. Особливо треба відмітити, що усі ці носії мають несучі нетеплоізольовані баки з рідким киснем, які в польоті нагріваються і нагрівають, в свою чергу, рідкий кисень. При передстартової підготовки та польоті РН в паливних баках РУ з киснем відбувається таке негативне явище як нагрів компонентів палива і розшарування його по температурі. Воно здійснюється переважно завдяки дії зовнішнього теплового потоку (стоянкового і польотного) до циліндричних стінок бака [Митиков Ю.А., Волошин М.Л. Результаты физического моделирования прогрева жидкого кислорода в цилиндрическом баке ракеты-носителя. Холодильна техніка та технологія, 2015. - № 51 (4). - С. 60-64]. Картина прогрівання палива в баках прийнята наступна [Двигательные установки ракет на жидком топливе, под ред. Э. Ринга. Μ.: Мир, 1966. С. 130-135]. Компонент палива під дією зовнішнього теплового потоку до циліндричних стінок бака нагрівається і спливає під дією гравітаційних сил, спрямованих, як правило, по осі бака. Він тече до центру бака і далі за умовою нерозривності з меншою швидкістю опускається до низу. Відбувається так зване температурне розшарування палива в баку, яке збільшується за часом дії теплових потоків. Температурне розшарування палива вкрай негативне явище, навіть, якщо воно і складає всього декілька градусів. Для розуміння його впливу на параметри ДУ розглянемо рівняння для потрібного тиску газу в баку рб: рб+hρgnx+ΔргпPS (tвх)+ΔРаз, де h - висота стовпа рідини в баку над входом в двигун; ρ - середньомасова щільність палива; g - прискорення вільного падіння; nх - поточне значення осьового навантаження; Δргп - втрати тиску в забірному пристрої та видаткової магістралі; PS - тиск насиченої пари палива; tвх - температура палива на вході в двигун; Δраз - антикавітаційний запас насоса. Як видно з наведеного рівняння, чим більша температура палива на вході в двигун tвx., тим більший за величиною перший член його правій частині. Тим більшим за інших рівних умов, для забезпечення безкавітаційної роботи насоса має бути і тиск газу в баку з усіма витікаючими звідси наслідками (маса бака, робочого тіла наддування, діаметр магістралі наддування і т.п.). Наприклад, прогрів рідкого кисню на 1 градус в діапазоні температур 90-96 Κ відповідає в середньому підвищення його тиску насиченої пари на ~0,155 бар. Іншими словами, для бескавітаційної роботи насосів в цьому випадку необхідно підвищувати тиск газу в баку на ~0,155 бар на кожен градус прогріву кисню, або збільшувати теплові залишки кисню в баку. Тому пошук шляхів зменшення температури палива в баку є досить перспективним напрямком підвищення економічності СН і ракетного комплексу в цілому. Відомі засоби боротьби з температурним розшарування палива в баку [патент України № 57097 16.06.2003, F02 11/00, B64D 37/24, Бюл. №6, 2003, винахідник - Жовтоног В.М, власник ДКБ "Південне"]. Ця група винаходів включає наддування газової порожнини бака з рідким киснем гарячим гелієм і подачу холодного гелію знизу бака через додатковий пристрій (тор з отворами). Холодний гелій спливає і перемішує нагріті і холодні шари рідкого кисню. Знижується температура верхнього шару палива. Температура кисню на вході в двигун по часу його роботи 1 UA 115267 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 наближується до середньомасової. Знижується потрібний тиск газу в баку, зменшуються витрати гелію на наддування. Недоліком відомого способу є те, що він спрямований на боротьбу з наслідками прогрівання палива, а не на причину його прогріву - тепловий потік до кисню від більш теплих стінок бака і при стоянці РН на старті, і в польоті. Найближчим до винаходу, що заявляється, за технічною суттю і досягуваному ефекту є спосіб наддування паливного бака з рідким киснем рушійної установки І ступеня РН "Зеніт" (11К77), яка працює на компонентах палива гас і рідкий кисень, і полягає в тому, що перед стартом РН заправляють рідкий кисень до бака з окислювачем [Призваны временем. Ракеты и космические аппараты КБ "Южное", под общ. ред. академика Конюхова С.Н. - Дн-ск: Арт-пресс, 2004. - С. 66-73]. Рідкий кисень в баку захолоджує конструкцію, википає. Температура конструкції бака наближається до температури рідкого кисню в баку. Пари кисню з кріогенною температурою виходять через відкритий дренажний клапан до атмосфери. Холодні пари кисню опускаються на стартову позицію і істотно підвищують там концентрацію кисню. Це створює вкрай пожежонебезпечну ситуацію. По закінченні заправки закривають дренажний клапан. Рідкий кисень під дією аеродинамічного теплового потоку до стінок бака нагрівається в пограншарі і спливає на поверхню окислювача. Відбувається температурна стратифікація палива, яка посилюється за часом польоту, що знижує ефективність носія. Наприклад, прогрів кисню на І ступені РН "Зеніт" при передстартовій підготовці складає 1,5-2 К [Ю.А. Митиков. Системное проектирование предпускового наддува баков с кислородом. - Системные Технологии: сб. науч тр. ДМетА. 2012. - №2. - С. 24-30]. Далі йде передстартова підготовка декілька десятків секунд. По її закінченні подають гелій до вільного об'єму бака і запускають РУ. Недоліками цього засобу є те, що на старті створюється середовище з підвищеним вмістом кисню. У такій атмосфері гасити пожежу вкрай складно. Далі, температура стінки бака завжди тепліша рідкого кисню в ньому, через що в компонент припередстартової підготовки і в польоті надходить підвищена кількість тепла. Це, в свою чергу, приводить до підвищеного прогріву кисню в баку, витрат гелію на забезпечення безкавітаційної роботи насосів. Далі, для захолоджування конструкції бака витрачається багато вищого очищення дорогого рідкого кисню. В основу винаходу поставлено задачу зниження потреб гелію на наддування бака за рахунок зниження прогрівання рідкого кисню в баку припередстартової підготовки і в польоті, що дає можливість знизити тиск газу в баку, його масу, а також масу потрібного для наддування гелію. Також задачею є суттєво зниження витрат дорогого ракетного окислювача при заправці рідкого кисню і покращення протипожежної ситуації на старті. Стосовно способу наддування паливного бака з рідким киснем рушійної установки поставлена задача вирішується тим, що в способі, який включає захолодження конструкції бака кріогенною рідиною до запуску рушійної установки, а при роботі рушійної установки подачу в вільний об'єм бака гарячого робочого тіла наддування, відповідно до винаходу, перед заправкою бака і до старту ракети проводять захолоджування стінок бака нейтральним зрідженим газом, наприклад азотом, з його зовнішнього боку до температури, яка нижче температури компонента палива в баку на момент старту, при цьому на внутрішній поверхні стінок паливного бака зменшують кількість центрів пароутворення, наприклад, шляхом поліровки. Із зовнішнього боку захолоджування бака можна проводити рідким азотом, подаючи його зверху бака вниз коаксіально його стінкам до самого старту РН. Для зменшення потреб азоту його доцільно подавати в коаксіальний зазор між баком і спеціальним стартовим кожухом. Ефект буде посилено, якщо використовувати переохолоджений азот. У такому випадку, відбувається суттєва економія рідкого кисню при заправці. Температура стінки бака буде нижче температури кисню в баку на декілька градусів. Це дає можливість повністю виключити прогрів кисню припередпусковій підготовці та зменшити його в польоті. Газоподібний азот низької температури в великій кількості на поверхні старту також сприяє підвищенню протипожежної безпеки. Використання технічного найбільш простого і дешевого рідкого азоту (з домішками повітря) замість вищої очистки рідкого кисню здешевлює захолодження бака окислювача. Далі, як відомо, збільшення шорсткості внутрішньої стінки бака інтенсифікує теплообмін при кипінні [Григорьев В.А., Павлов Ю.М., Ε.Β. Аметистов. Кипение криогенных жидкостей. М.: Энергия. - 1977. - С. 20]. Полірування же істотно знижує шорсткість стінки, що зменшує потік тепла до рідкого кисню [там же, С. 21-23], що дозволяє вирішити поставлену задачу. 2 UA 115267 C2 5 10 15 Також поставлену задачу дозволяє вирішити те, що відповідно до винаходу внутрішню поверхню стінок паливного бака, або їх частину, покривають матеріалом, у якому комплекс (срλρ) менший аналогічного комплексу матеріалу стінок бака. Як відомо, зі зменшенням комплексу (срλρ) зменшується інтенсивність тепловіддачі [там же, С. 28-31, 40-45]. Також поставлену задачу дозволяє вирішити те, що відповідно до винаходу у частині паливного бака, наприклад у верхній, коаксіально його стінкам ізолюють від решти палива його частину, знижують її температуру нижче середньомасової температури палива в баку, наприклад, шляхом ежектування, при цьому ежектуючий газ і пари палива подають на верхнє днище бака в район пристрою введення гарячого газу наддування, а захолоджений компонент періодично зливають уздовж стінок бака вниз у напрямку нижнього днища бака. При цьому ще і аеродинамічний тепловий потік через стінку бака, прошарок кисню, коаксіальної стінки не доходе до основної маси кисню в баку. Таким чином, запропоновано технічне рішення дозволяє знизити масу системи наддування за рахунок зменшення температури рідкого кисню в баку, підвищити умови пожежної безпеки, здешевити захолоджування бака окислювача. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 20 25 30 1. Спосіб наддування паливного бака з рідким киснем, який включає захолодження конструкції бака кріогенною рідиною до запуску рушійної установки, а при роботі рушійної установки подачу в вільний об'єм бака гарячого робочого тіла наддування, який відрізняється тим, що перед заправкою бака і до старту ракети проводять захолоджування стінок бака азотом, з його зовнішнього боку до температури, яка нижче температури компонента палива в баку на момент старту, при цьому на внутрішній поверхні стінок паливного бака зменшують кількість центрів пароутворення шляхом поліровки. 2. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що внутрішню поверхню стінок паливного бака або їх частину покривають матеріалом, у якому комплекс (ср) менший аналогічного комплексу матеріалу стінок бака. 3. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що у частині паливного бака, коаксіально його стінкам, ізолюють від решти палива його частину, знижують її температуру нижче середньомасової температури палива в баку шляхом ежектування, при цьому ежектуючий газ і пари палива подають на верхнє днище бака в район пристрою введення гарячого газу наддування, а захолоджений компонент періодично зливають уздовж стінок бака вниз у напрямку нижнього днища бака. 35 Комп’ютерна верстка Л. Бурлак Міністерство економічного розвитку і торгівлі України, вул. М. Грушевського, 12/2, м. Київ, 01008, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 3