Спосіб заправлення рушійної установки космічного апарата ксеноном

Реферат: Спосіб заправлення рушійної установки космічного апарата ксеноном, що ґрунтується на підтриманні у автономному баку космічного апарата тиску, при якому відбувається перетікання рідкого ксенону із наземного заправного бака у автономний бак до вирівнювання тиску у цих баках, наступному його дозаправленні і монтуванні на космічному апараті. Після вирівнювання тиску у наземному заправному і автономному баках виконують дозаправлення при температурі нижче критичної, у режимі перекачування з контролем дози заправлення, а перед монтуванням автономного бака на космічний апарат рідкий ксенон шляхом нагрівання переводять у газоподібний стан. UA 81890 U (12) UA 81890 U UA 81890 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до ракетно-космічної галузі, а саме - до наземного обладнання і може використовуватися для заправлення космічних апаратів газами високої щільності, наприклад ксеноном. Відомим є спосіб заправлення ємностей літального апарата (ЛА) кріогенним паливом, який ґрунтується на підтриманні у баку ЛА робочого тиску, при якому відбувається перетікання рідкого кріогенного палива з наземної заправної ємності (бака) у бак ЛА (див. авт. св. СРСР № 1.805.618, МПК B64D 37/30). Недоліком цього способу заправлення є його низькі експлуатаційні характеристики, тому що спосіб, заснований на методі "перетікання", не забезпечує повного вибирання ксенону із наземного заправного бака, де залишається до 30 % його початкової кількості, що неприпустимо при роботі з рідкісними дорогими газами. Найближчим до запропонованого по технічному рішенню є вибраний як прототип спосіб заправлення рушійної установки космічного апарата ксеноном, який описаний у книзі: Космодром / под ред. А.П. Вольского. - М.: Воениздат, 1977. - с. 66, 158, 179, рис. 5.2. Цей спосіб ґрунтується на підтриманні у автономному баку космічного апарата (КА) тиску, при якому відбувається перетікання (заправлення) рідкого ксенону із наземного заправного бака у автономний бак до вирівнювання тиску у цих баках, наступному його дозаправленні і монтуванні на космічному апараті. Заправлення автономного бака КА ксеноном здійснюється на заправній станції (ЗС), при цьому дозаправлення цього бака виконується за допомогою компресора (насоса). Потім автономний бак доставляють у монтажно-випробувальний корпус (МВК) і монтують на КА. Недоліком цього способу заправлення є його невисокі експлуатаційні характеристики, тому що використання компресора (насоса) погіршує якості ксенону через можливість потрапляння продуктів мастила, елементів компресора (насоса). В основу корисної моделі поставлена задача створення удосконаленого способу заправлення рушійної установки космічного апарата ксеноном, який би дозволяв підвищити його експлуатаційні характеристики шляхом уведення в нього нових операцій, таких як: - після вирівнювання тисків у наземному заправному і автономному баках виконується дозаправлення при температурі нижче критичної, у режимі перекачування з контролем дози заправлення, а перед монтуванням автономного бака на космічний апарат рідкий ксенон шляхом нагрівання переводиться у газоподібний стан, що дозволяє підвищити якість заправлення за рахунок більш щільного заповнення бака КА і зменшення залишків у наземному заправному баку; - у процесі перетікання і перекачування ксенону з наземного заправного бака у автономний бак останній охолоджується, що дозволяє знизити тиск заправлення ксенону і спрощення пристрою заправлення. Поставлена задача вирішується таким чином, що у запропонованому способі заправлення рушійної установки КА ксеноном, що ґрунтується на підтриманні у автономному баку космічного апарата тиску, при якому відбувається перетікання рідкого ксенону із наземного заправного бака у автономний бак до вирівнювання тиску у цих баках, наступному його дозаправленні і монтуванні на космічному апараті, в ньому після вирівнювання тиску у наземному заправному і автономному баках виконують дозаправлення при температурі нижче критичної, у режимі перекачування з контролем дози заправлення, а перед монтуванням автономного бака на космічний апарат рідкий ксенон шляхом нагрівання переводять у газоподібний стан. У процесі перетікання і перекачування ксенону з наземного заправного бака у автономний бак останній охолоджують. Для пояснення способу заправлення додається креслення, на якому схематично зображений пристрій, у якому втілюється даний спосіб, та його детальний опис. Автономний бак 1 КА, заправна магістраль 2, вакуумний насос 3, вентилі 4-11, регістратори тиску (манометри) 12-14, дроселі 15 і 16, електропневмоклапан 17, акумулятор 18 тиску з мембраною 19, нижньою порожниною 20 і верхньою порожнино 21, наземний заправний бак 22, зворотні клапана 23-28, теплообмінник 29, холодильний агрегат 30, фільтри 31 і 32, ваги 33, сигналізатор 34 тиску, контейнер 35 та сигналізатор 36 спаду тиску. На заправній магістралі 2 між наземним заправним баком 22 і автономним баком 1 КА послідовно встановлені два зворотних клапани 23 і 24, що утворюють контур одного напрямку руху ксенону від наземного заправного бака 22 до автономного бака 1, а між ними підключений акумулятор тиску (AT) 18, виконаний у вигляді ємності і розділений мембраною 19 на нижню 20 і верхню 21 порожнини. Верхня порожнина 21 підключена до заправної магістралі 2 між зворотними клапанами 23 і 24, а нижня порожнина 20 - до джерела надлишкового тиску повітря (ДНТП), котре створює тиск, що забезпечує видавання ксенону з верхньої порожнини 21 AT 18 у 1 UA 81890 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 автономний бак 1. Тобто тиск ксенону, що створює ДНТП у верхній порожнині 21, при наступному циклі видавання дози ксенону повинен бути більше стаціонарного тиску ксенону у автономному баку 1 після попереднього видавання дози ксенону у автономний бак 1. Дросель 16, встановлений між наземним заправним баком 22 і зворотним клапаном 23, забезпечує плавну зміну тиску і постійне витрачання ксенону при наступному наповненні верхньої порожнини 21 акумулятора 18 тиску із наземного заправного бака 22. Теплообмінник 29 підключений до заправної магістралі 2 між зворотним клапаном 24 і автономним баком 1. Теплообмінник 29 з підключеним холодильним агрегатом 30 забезпечує спрощення пристрою заправлення за рахунок зниження тиску заправлення, зв'язаного зі зниженням температури газу, що заправляють, і переведення ксенону у рідинну фазу. Зниження тиску заправлення забезпечує також контейнер 35, який термостатується і в якому встановлюється автономний бак 1. У процесі термостатування здійснюється охолодження автономного бака 1 у контейнері 35 за рахунок дроселювання повітря через дросель 15 від ДНТП. Для збереження дорогого ксенону і повторного його використання у випадку відміни пуску КА, ксенон перекачують із автономного бака 1 у наземний заправний бак 22. Для цього встановлюються дві пари зворотних клапанів 26, 27 і 25, 28. Перша пара зворотних клапанів 26, 27 встановлена послідовно і утворює контур руху газу в одному напрямку від автономного бака 1 до наземного заправного бака 22. Ця пара зворотних клапанів 26, 27 встановлена паралельно зворотним клапанам 23, 24. Друга пара зворотних клапанів 25, 28 встановлена між зворотними клапанами 24, 27 і автономним баком 1, причому ці зворотні клапани 25, 28 протилежної дії монтуються паралельно один одному. Фільтри 31, 32 забезпечують чистоту газу як під час заправлення автономного бака 1, так і під час його спорожнення, причому фільтри встановлені за потоком перед кожним із зворотних клапанів 25, 28.' Процес заправлення бака КА здійснюється наступним чином. На ЗС спочатку вакуумують автономний бак 1 і заправну магістраль 2 з використанням вакуумного насоса 3 до заданого остаточного тиску при відкритих вентилях 4-8, 11, при закритому вентилі 9 наземного заправного бака 22 і закритому вентилі 10 дренажної магістралі. Після закінчення вакуумування здійснюють контроль за допомогою регістраторів 12, 13, 14 тиску, а далі перекривають вентилі 6, 7, 8. Від ДНТП подають повітря (П) через дросель 15 для охолодження автономного бака 1, після чого подають команду на електропневмоклапан 17 для сполучення нижньої порожнини 20 AT 18 з дренажем (атмосферою). Відкривають вентиль 9 і сполучають наземний заправний бак 22 через зворотні клапани 23, 24, 25 та відкриті вентилі 4, 5, 11 з автономним баком 1. Газ проходить через теплообмінник 29, де переходить у рідинну фазу. Ксенон, що заправляють, перетікає через фільтр 31, зворотні клапани 23, 24, 25, вентиль 11 у автономний бак 1 за рахунок різниці тиску у наземному заправному баку 22 і автономному баку 1, при цьому ксенон заповнює верхню порожнину 21 AT 18 і його герметична мембрана 19 переміщується у нижнє положення за рахунок різниці тиску у верхній 21 і нижній 20 порожнинах AT 18. Приріст маси ксенону у автономному баку 1 контролюють на вагах 33, на яких встановлений контейнер 35 з автономним баком 1. Під час вирівнювання тиску повітря у наземному заправному 22 і автономному 1 баках відбувається завершення приросту маси ксенону, тобто завершується часткове заповнення автономного бака 1 за рахунок перетікання. Далі виконують остаточне заповнення автономного бака 1 шляхом його дозаправлення за допомогою AT 18. Для цього після досягнення атмосферного тиску повітря у нижній порожнині 20 AT 18 сигналізатор 36 спаду тиску дає команду електропневмоклапану 17 на закриття дренажу (Д) і подавання повітря у нижню порожнину 20 AT 18, в результаті цього порція ксенону з верхньої порожнини 21 AT 18 по заправній магістралі 2 потрапляє у автономний бак 1. Цикл роботи AT 18 повторюють до заповнення автономного бака 1 необхідною кількістю ксенону, після чого закривають вентиль 11. Для переведення ксенону з рідкого стану у газоподібний стан виконують нагрівання автономного бака 1 у контейнері 35 за рахунок термостатування. Після чого автономний бак 1 доставляють з ЗС у МВК КА і монтують на КА. Тобто заправлення виконують при температурі нижче температури конденсації компонента (ксенону) до вирівнювання тиску у наземному заправному і автономному баках до тиску насиченої пари ксенону, після чого дозаправлення продовжують у режимі перекачування ксенону із наземного заправного бака у автономний бак. Температура кипіння ксенону складає 166 K (мінус 107 °C). Підготовлений таким чином КА може виводитися на орбіту за допомогою розгінних блоків: - на висококиплячих компонентах палива - за патентом РФ № 2.190.565, МПК B64G1/00, B64G 1/40, F02K9/42, 2000 р.; - на низькокиплячих компонентах палива - за патентом РФ № 2.153.447, МПК B64G1/40, B64G 1/00, B64G 1/16, 2000 р. 2 UA 81890 U 5 10 15 20 Схема акумулятора тиску наведена у книз: Космонавтика. энциклопедия. - М.: Сов. энциклопедия, 1985. - С. 73, а також у патенті РФ № 2.447.001, МПК B64G 5/00, 2010 р. Баки для стисненого газу або ресивери (балони) наведені у патенті РФ № 2.328.417, МПК B64G 5/00, 2006. Схема для перетікання кріогенного компонента з одного бака у другий наведена у патенті США № 3.756.024, клас 60/204, 1973. Таким чином, запропонований спосіб забезпечує заправлення газу з проміжним переведенням ксенону, що заправляють, у рідинну фазу, що підвищує щільність заправлення бака, а, отже, збільшує енергоозброєність КА. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 1. Спосіб заправлення рушійної установки космічного апарата ксеноном, що ґрунтується на підтриманні у автономному баку космічного апарата тиску, при якому відбувається перетікання рідкого ксенону із наземного заправного бака у автономний бак до вирівнювання тиску у цих баках, наступному його дозаправленні і монтуванні на космічному апараті, який відрізняється тим, що після вирівнювання тиску у наземному заправному і автономному баках виконують дозаправлення при температурі нижче критичної, у режимі перекачування з контролем дози заправлення, а перед монтуванням автономного бака на космічний апарат рідкий ксенон шляхом нагрівання переводять у газоподібний стан. 2. Спосіб заправлення за п. 1, який відрізняється тим, що у процесі перетікання і перекачування ксенону з наземного заправного бака у автономний бак останній охолоджують. Комп’ютерна верстка Д. Шеверун 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