Спосіб заправлення багатоступінчастої ракети-носія рідким киснем

Спосіб заправлення багатоступінчастої ракети-носія рідким киснем, який базується на послідовному заправленні двох баків, один із котрих теплоїзольований рідким киснем з різною температурою по одній заправній магістралі з клапанами, містить операції подачі рідкого кисню з великим і малим витрачанням та витрачанням живлення по сигналах системи контролю рівня (СКР), а також переохолодження рідкого кисню наземною системою заправлення до низької температури і його зливу, який відрізняється тим, що в ньому рідкий кисень з витрачанням живлення і високою температурою подають в нетеплоізольований бак протягом заданого часу до захолодження заправної магістралі, потім переходять на велике витрачання і послідовно подають рідкий кисень у теплоізольований бак, протягом до 1 хвилини і нетеплоізольований бак, у міру заповнення котрого по сигналах СКР переходять на мале витрачання і переохолодження рідкого кисню наземною системою заправлення до низької температури, а потім припиняють подачу рідкого кисню у нетеплоізольований бак і починають його подачу у теплоізольований бак, після заповнення теплоізольованого бака по сигналах СКР припиняють переохолодження рідкого кисню наземною системою заправлення до низької температури, припиняють його подачу у теплоізольований бак і починають його подачу у нетеплоізольований бак, по закінченні заповнення котрого по сигналу СКР переходять на витрачання живлення, причому КІЛЬКІСТЬ рідкого кисню з низькою температурою, який подається у нетеплоізольований бак як до, так і після заправлення тепло ізольованого бака, складає не більш 1 об'єму заправної магістралі, при цьому співвідношення величин малого і великого витрачання, а також співвідношення витрачання живлення і малого витрачання складає 1 2 СО Винахід відноситься до ракетно-космічної техніки і може бути використані багатоступінчастих ракетах-носіях середнього та важкого класів для заправлення їх паливних баків рідким киснем ВІДОМІ різні способи заправлення ракет-носив (РН) Так, по книзі "Космодром" під ред А П Вольского, Воєніздат, М , 1977, с 178, 229 - 232 відомим є спосіб заправлення багатоступінчастої РН рідким киснем, котрий грунтується на заправленні баків рідким киснем по заправним магістралям з клапанами і містить операції подачі рідкого кисню з великим і малим витрачанням та витрачанням живлення, а також його зливу Такий спосіб використовується під час заправлення РН важкого класу "Сатурн-5" К кожному баку РН підводиться окрема заправна магістраль Усі заправні магістралі прокладені вздовж кабель-заправної башти Заправлення баків здійснюється наземною системою заправлення в автоматичному режимі таким чином заповнення баку на малому витрачанні (5 - 7% об'єму бака) протягом 2 - 5 хвилин для захолодження його конструкції Використання малого витрачання на початку заправлення обумовлено інтенсивним випаровуванням рідкого кисню та можливістю проходження утвореного газоподібного кисню крізь дренажні клапани, заповнення баку на великому витрачанні (90 96%), дозаправлення баку на малому витрачанні для забезпечення високої точності дозування кисню, подача в бак рідкого кисню з витрачанням живлення для компенсації втрат кисню на випаровування під час знаходження РН на стартовій споруді перед пуском В процесі заправлення перехід з великого витрачання на мале і з малого витрачання на витрачання живлення здійснюється за допомогою системи контроля рівня (СКР), датчики котрої встановлені усередині кожного баку і забезпечують задану о сч Ю 45203 КІЛЬКІСТЬ рідкого кисню в бакі, тобто дозування го кисню, При цьому СКР, яка встановлена в бакі, управляє злив рідкого кисню з високою температурою із процесом заправлення тільки цього бака і видає заправної магістралі, ВІДПОВІДНІ сигнали в наземну систему заправлення заповнення тепло ізольованого баку на малому (див "Космонавтика", енциклопедія, під ред витрачанні з низькою температурою Тривалість В П Глушко, "Совєтська знциклопедія", М , 1985, заповнення становить 1 годину (при цьому тривас 118) Баки РН заправляються паралельно лість захолодження баку - 20 - ЗОхв) У цей час кисень у нетеплоізольованому баку випаровує, Перед пуском припиняється живлення баків і заправні магістралі автоматично відстиковиваютьзлив рідкого кисню з низькою температурою із ся від РН У процесі пуску на початку підьому РН заправної магістралі, від неї відстиковиваються зливні магістралі рідкого дозаправлення нетеплоізольованого баку на кисню У випадку ВІДМІНИ пуску після відстикування малому расході з високою температурою, заправних магістралей, злив рідкого кисню з баків подача в нетеплоізольований бак рідкого кисРН здійснюється по зливним магістралям в наземню з витрачанням живлення і високою температуну систему заправлення рою Температура рідкого кисню становить від міПеред пуском здійснюється злив рідкого кисню нус 180°С до мінус 183°С із заправної магістралі РН і відстикування наземної заправної магістралі Верхні ступені РН можуть знаходиться в польоті тривалий час від ЗОхв до кількох годин Кожен з двох процесів зливу рідкого кисню із Протягом цього часу рідкий кисень значно нагрівазаправної магістралі з подальшим її заповненням ється і інтенсивно випаровує, що призводить до триває 5 -Юхв суттєвих його втрат і зниженню енергетичних можЗаправна горловина заправної магістралі розливостей РН Для зменшення втрат кисню, бак ташована на хвостовому відсіку першої ступені і верхньої ступені заправляють переохолодженим дозволяє забезпечити автоматичне стикування рідким киснем від окремої системи заправлення (відстикування) до неї наземної магістралі Загаль(див "Космодром", під ред А П Вольского, Воєнізна довжина заправної магістралі для РН середньодат, М , 1977, с 140, 158), а поверхня баку теплого та важкого класів становить 30-40м, а и діаметр ізольована (див "Ракети-носм", під ред С О Оси- 1 0 0 - 150мм пова, Воєніздат, М , 1981, с 183) Температура пеЗаповнення кожного баку рідким киснем контреохолодженого рідкого кисню становить від мінус ролюється СКР, яка встановлена у цьому баку По183 °С до мінус 200°С чаток заправлення теплоізольованого баку, а потім нетеплоізольованого баку здійснюється по датПеревагою цього способу заправлення є мала чикам, котрі встановлені в наземній системі запрадовжина заправних магістралей (4-6 м), прокладевлення і контролюють закінчення зливу рідкого киних по РН, що знижує м вагу Однак цьому способу сню із заправної магістралі притаманні наступні недоліки, які знижують експлуатаційні характеристики РН Теплоізольований бак повинен заправлятися останнім, при цьому тривалість його перебування низька надійність, тому що перед пуском необпісля закінчення заправлення до пуска повинно бухідно автоматично відстикувати від РН велику КІти мінімальним, щоб забезпечити мінімальний ЛЬКІСТЬ (ВІДПОВІДНО КІЛЬКОСТІ баків) заправних магіспрогрів переохолодженого кисню тралей і забезпечити їх безударне відведення від РН, Переохолодження рідкого кисню здійснюється крюгеними рідинами в наземній системі заправвелика тривалість підготовки РН до повторнолення го пуску, тому що у випадку ВІДМІНИ пуску після відстикування заправних магістралей, їх підстикуванрідким азотом - до мінус 196°С Це самий проня здійснюється робітниками з площадок кабельстий і дешевий варіант, котрий забезпечує тривазаправної башти протягом 1 - 2 годин, лість перебування до 20хв, велика КІЛЬКІСТЬ обслуговуючого персоналу (до рідкими водородом або гелієм - до 200°С Це 10 чоловік) найбільш складний і дорогий варіант, котрий забезпечує тривалість перебування до 40хв Найближчим до запропонованого технічного рішення є вибраний як прототип- спосіб заправТривалість перебування у відомому способі лення, котрий втілюється в пристрої, який описан у складає до 35хв , а саме книзі "Космодром", під ред А П Вольского, Воєніззлив рідкого кисню із заправної магістралі з подат, М , 1977, с 149, 224 Вказаний спосіб грунтудальшим м заповненням - 5 - Юхв , ється на послідовному заправленні двох баків, дозаправлення нетеплоізольованого баку - 5 один з котрих теплоізольован, рідким киснем з різЮхв , ною температурою по одній заправній магістралі з живлення нетеплоізольованого баку протягом клапанами і містить операції подачі рідкого кисню 8 - Юхв Це резерв часу, необхідний для компенз великим і малим витрачанням та витрачанням сації непередбачених втрат кисню на випаровуживлення по сигналам СКР, а також переохоловання і зменшеного витрачання рідкого кисню, дження рідкого кисню наземною системою заправзлив рідкого кисню із заправної магістралі і відлення до низької температури і його зливу стикування наземної магістралі - 7хв Заправлення баків рідким киснем здійснюєтьЦей спосіб має високу надійність і низьку труся наступним чином домісткість, однак і він має недоліки, а саме заповнення нетеплоізольованого баку послідовелика тривалість процесу заправлення (2,5 вно на малому витрачанні, великому витрачанні та З години), тому що потрібно багато часу на захомалому витрачанні з високою температурою рідколодження конструкції тепло ізольованого баку і 45203 елементів автоматики звязаного з ним двигуна, а також на два процеси зливу рідкого кисню із заправної магістралі і наступного м заповнення, підвищений тиск в теплоізольованому баку, тому що подача рідкого кисню на малому расході на початку заправлення по довгій заправній магістралі призводить до інтенсивного випаровування рідкого кисню і утворення великої КІЛЬКОСТІ газоподібного кисню, велика потужність холодильного центру наземної системи заправлення, тому що переохолодження рідкого кисню потрібно здійснювати водородом або гелієм, великі втрати рідкого кисню на випаровування через тривалість процесу заправлення Основною задачею запропонованого винахіда є підвищення зксплуатаційних характеристик РН, що забезпечується вирішенням наступних питань безперервністю подачі рідкого кисню в заправну магістраль, проведенням захолоджування теплоізольованого баку паралельно з заправленням нетеплоізольованого баку Вирішення вказаних питань дозволяє скоротити тривалість заправлення РН на ~1 годину і тривалість перебування теплоізольованого баку після заправлення до пуску на ~ 15хв Це досягається наступним чином а) рідкий кисень безперервно подають в заправну магістраль, а по сигналам СКР в процесі заправлення виконують наступні операції переходять з одного витрачання рідкого кисню на друге, переходять на подачу рідкого кисню послідовно то в один бак, то в другий, переохолоджують рідкий кисень до низької температури, б) операції по захолодженню теплоізольованого баку і заправленню нетеплоізольованого баку виконують паралельно, для чого рідкий кисень подають спочатку в теплоізольований бак протягом до 1хв , а потім в нетеплоізольований бак, після заповнення котрого рідкий кисень подають в теплоїзольований бак Таким чином початкова порція рідкого кисню, котра випаровує протягом часу заправлення нетеплоізольованого баку, захолоджує конструкцію теплоізольованого баку і елементи автоматики з'єднаного з ним двигуна, в) рідкий кисень подають з витрачанням живлення у нетеплоізольований бак на початку заправлення для захолодження довгої заправної магістралі, г) використовують витрачання рідкого кисню у співвідношенні 1 2, що дозволяє застосовувати максимально можливі витрачання, при котрих процес випаровування рідкого кисню не створює високий тиск у баках РН, д) у нетеплоізольований бак, заправлений рідким киснем з температурою мінус 182°С, подають рідкий кисень з температурою мінус 196°С як до, так і після заправлення теплоізольованого баку у КІЛЬКОСТІ не більш 1 об'єму заправної магістралі (сумарно до 2-х об'ємів), що не чинить впливу на працездатність двигуна і гарантовано забезпечить подачу рідкого кисню з температурою мінус 196°С в теплоізольований бак, тому що попадання туди рідкого кисню з температурою мінус 182°С не дозволяється Поставлена задача вирішується таким чином, що в запропонованому способі рідкий кисень з витрачанням живлення і високою температурою подають в нетеплоізольований бак протягом заданого часу до захолодження заправної магістралі, потім переходять на велике витрачання і послідовно подають рідкий кисень в теплоізольований бак протягом до 1 хвилини і нетеплоізольований бак, по мірі заповнення котрого по сигналам СКР переходять на мале витрачання і переохолодження рідкого кисню наземною системою заправлення до низької температури Потім припиняють подачу рідкого кисню в нетеплоізольований бак і починають його подачу в теплоізольований бак Після заповнення тепло ізольованого баку по сигналам СКР припиняють переохолодження рідкого кисню наземною системою заправлення до низької температури, припиняють його подачу в теплоізольований бак і починають його подачу в нетеплоізольований бак, по закінченню заповнення котрого по сигналам СКР переходять на витрачання живлення Для пояснення способу заправлення додається креслення, на якому схематично показан пристрій, у котрому втілюється даний спосіб, і його детальний опис Трьохступінчаста ракета-носій 1 встановлена на стартовій споруді 2 і містить три баки 3, 4, 5 окислювача, в котрих встановлені ВІДПОВІДНО системи 6, 7, 8 контроля рівня, дві заправні магістралі 9, 10 окислювача з клапанами 11, 12, 13, три дренажних клапани 14, 15, 16 Бак 5 окислювача третьої ступені виконай з теплоізоляцієй 17 В баках З, 4, 5 рідкий кисень заправляється ВІДПОВІДНО ДО рівней 18, 19, 20, а в бакі 4 другої ступені є попередній рівень 21 Баки 3 і 4 виконані без теплоізоляції Біля стартової споруди 2 розташована наземна система заправлення 22, котра складається із цистерни 23 для рідкого кисню з високою температурою, двох насосів 24 и 25, двох вентилей 26 и 27, холодильного центру 28 з рідким азотом На стартовій споруді 2 встановлено два агрегати 29 і ЗО для автоматичного підстикування (відстикування) заправних магістралей ВІДПОВІДНО окислювача і пального Заправлення ракети-носія рідким киснем по запропонованому способу здійснюється таким чином Спосіб розглянуто стосовно до заправлення моноблочної РН середнього класу зі стартовою вагою до 500т Для проведення заправлення рідким киснем до РН 1 підстиковивають агрегат 29 Агрегат ЗО для заправлення пального показан у від стикованому положенні Потім вмикають насоси 24 і 25, котрі подають рідкий кисень з високою температурою мінус 182°С ВІДПОВІДНО по заправним магістралям 9 і 10 в баки 3 і 4, 5 При цьому клапан 12 і вентиль 27 відкриті, а клапан 13 і вентиль 26 закриті і насос 25 подає рідкий кисень з витрачанням живлення на протязі 20 хв у бак 4 для захолодження заправної магістралі 10 На початку процесу захолодження увесь рідкий кисень випаровує і виходить крізь дренажний клапан 15 в атмосферу, 45203 а наприкінці процесу, по мірі охолодження заправної магістралі 10, в бак 4 попадає частина рідкого кисни, який охолоджує бак 4 Тому що витрачання живлення мале, то дренажний клапан 15 дозволяє пропустити увесь газоподібний кисень без збільшення тиску у бакі 4 Бак 3 першої ступені заправляється окремо і паралельно з баками 4 і 5 Після захолодження заправної магістралі 10, за допомогою насоса 25 переходять на велике витрачання, для забезпечення мінімального часу заправлення При цьому клапан 12 закривають, а клапан 13 відкривають і рідкий кисень з температурою мінус 182°С поступає в бак 5 протягом 15 секунд для захолодження його конструкції та елементів автоматики двигуна третьої ступені (в залежності від об'єму баку 5 і температури переохолодження рідкого кисни цей час може складати 10 60 секунд) Кисень, який випаровує, виходить крізь дренажний клапан 16 Потім клапан 13 закривають, відкривають клапан 12 і рідкий кисень з великим витрачанням і температурою мінус 182°С поступає в бак 4 По мірі заповнення баку 4 досягається попередній рівень 21 і СКР 7 видає сигнали в наземну систему заправлення 22, де насос 25 переходе на мале витрачання, вентиль 27 закривають, а вентиль 26 відкривають У результаті цього рідкий кисень переохолоджується до більш низької температури мінус 196°С в холодильному центрі 28 і починає поступати в заправну магістраль 10 При подальшому заповненні баку 4 до рівня 19, СКР 7 видає сигнали на закриття клапана 12 і відкриття клапана 13 У результаті цього рідкий кисень з малим витрачанням і температурою мінус 196°С починає поступати у бак 5 Об'єм баку 4 між рівнями 21 і 19 перевищує об'єм заправної магістралі 10, тому переохолоджений кисень гарантовано попадає в бак 5, а об'єм переохолодженого кисню, який попав в бак 4, не перевищує об'єму заправної магістралі 10 і складає 0,5м Час заповнення баку 4 до рівня 19 складає бОхв , протягом цього ж часу здійснювалось захолодження баку 5 та елементів автоматики двигуна третьої ступені Заповнення баку 5 триває ЗОхв і при досягненні рівня 20 СКР 8 видає сигнали на закриття вентиля 26 і відкриття вентиля 27, а також закриття клапана 13 і відкриття клапана 12 У результаті цього починається дозаправлення баку 4 для компенсації кисню, який випаровував у процесі заповнення баку 5 На початку дозаправлення у бак 5 поступає переохолоджений кисень з температу 8 рою мінус 196°С, об'єм котрого не перевищує об'єму заправної магістралі 10 (тобто 0,5м3), а потім в бак 5 поступає рідкий кисень з більш високою температурою мінус 182°С При цьому об'єм кисню, який випаровував із баку 4 протягом заповнення баку 5, перевищує об'єм заправної магістралі 10 При досягненні рівня 19, СКР 7 видає сигнал в наземну систему заправлення 22 і насос 25 переходить на витрачання живлення Дозаправлення баку 4 триває 4хв , а загальний час заправлення ракети-носія 1 складає 1 годину 45хв Після дозаправлення баку 4 здійснюється живлення протягом 9хв Це резервний час для компенсації можливих додаткових втрат кисню і зменшеного витрачання рідкого кисню, який подається наземною системою заправлення 22 Потім ІЗ заправної магістралі 10 зливають рідкий кисень в наземну систему заправлення 22 протяг 5хв Після зливу кисню протягом 2хв відстиковивають агрегат 29 і відводять його у сховище Загальний час перебування баку 5 з переохолодженим киснем до пуску після його заповнення складає 20хв При цьому кисень прогрівається до мінус 193°С, що є припустимим Величини витрачання під час заправлення рідкого кисню велике витрачання - 800 - 1000л/хв , мале витрачання - 300 - 550л/хв , витрачання живлення - 190 - 210л/хв Вказані величини витрачання знаходяться у співвідношенні 1 2 Сумарно у бак 4 поступає до 1 м3 рідкого кисню з температурою мінус 196°С Насос 25 безперервно подає рідкий кисень в заправну магістраль 10, а по командам СКР 7 і 8 здійснюються наступні операції перехід з одного витрачання рідкого кисню на друге за допомогою насоса 25, перехід на подачу рідкого кисню то в бак 4, то в бак 5 за допомогою клапанів 12 і 13, переохолодження рідкого кисню до низької температури за допомогою холодильного центру 28 і вентилей 26, 27 У випадку, ВІДМІНИ пуску агрегати 29 і ЗО автоматично підстиковиваються до зіпсованої РН 1 протягом 2хв і здійснюється злив пального і окислювача із баків, а після усунення неполадки можливе повторне заправлення РН 1 і її пуск У теперішній час запропонований спосіб проходить експериментальне відпрацювання і буде втілен при заправленні перспективної РН, яка використовується для комерційних пусків 45203 10 ФІГ. ДП "Український інститут промислової власності "(Укрпатент) Україна, 04119, Киів-119, вул сім'ї Хохлових, 15 (044) 456-20-90