Спосіб заправлення рідким киснем бака ракети-носія

Реферат: Спосіб заправлення рідким киснем бака ракети-носія включає заповнення бака рідким киснем до заданого рівня заправлення, вирівнювання температури рідкого кисню по висоті бака шляхом барботування через рідкий кисень гелію, котрий подається від наземного джерела тиску, заповнення бортових балонів, розташованих у баку, гелієм від наземного джерела тиску, передстартове наддування бака і проведення пускових операцій. Заповнення бака здійснюють непереохолодженим рідким киснем, при цьому барботування суміщають з передстартовим наддуванням бака, а у процесі проведення пускових операцій подавання гелію у бак від наземного джерела тиску припиняють і вмикають подавання гелію від бортових балонів. UA 88263 U (12) UA 88263 U UA 88263 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до ракетно-космічної галузі і може використовуватися при заправленні рідким киснем паливних баків ракетних рушійних установок, переважно баків окислювача багатоступінчастих ракет-носіїв. Відомим є спосіб заправлення рідким киснем бака ракети-носія (РН), що містить заповнення бака переохолодженим рідким киснем до заданого рівня заправки з відведенням у дренаж пари кисню і наступне термостатування рідкого кисню у баку (див. книгу Космодром. / Под. ред. А.П. Вольского. - М.: Воениздат, 1977. - С. 267-271). У цьому способі термостатування рідкого кисню у баку здійснюється для компенсації зовнішніх теплоприпливів до кисню під час перебування заправленої РН на пусковій установці (ПУ). Недоліком цього способу заправлення є його низькі експлуатаційні характеристики, такі як: - наявність значних додаткових витрат і додаткового кріогенного обладнання, а також збільшення часу проведення заправних робіт через необхідність компенсації теплоприпливів; - у деяких випадках на ПУ немає можливості термостатувати рідкий кисень у баку, що обмежує можливості використання відомого способу заправлення. Найближчим до запропонованого по технічному рішенню є вибраний як прототип спосіб заправлення рідким киснем бака РН, який описаний у патенті України № 78262u, МПК B64G 5/00, F17C 6/00, 2012 р. Цей спосіб містить заповнення бака переохолодженим рідким киснем до заданого рівня заправлення, вирівнювання температури рідкого кисню по висоті бака шляхом барботування через рідкий кисень гелію, котрий подається від наземного джерела тиску, заповнення бортових балонів, розташованих у баку, гелієм від наземного джерела тиску і передстартове наддування бака. Вирівнювання температури забезпечує рівномірне поле середньомасової температури рідкого кисню по висоті перед стартом РН, при цьому температура переохолодженого кисню на вході у бак підтримується нижче заданої середньомасової температури рідкого кисню у баку на величину прогрівання кисню, заправленого у бак. Безпосередньо перед пуском проводять пускові операції за патентом України № 47296А, МПК B64G 5/00, F41F 3/00, 2001 р. Цей спосіб дозволяє відмовитися від термостатування рідкого кисню у баку, що спрощує процес заправлення і скорочує час проведення заправних робіт. Недоліком цього способу заправлення є його невисокі експлуатаційні характеристики, такі як: - підвищені витрати, обумовлені необхідністю використання складного і енергомісткого кріогенного обладнання для переохолодженого кисню. Це найбільш суттєво при заправленні рідким киснем великого бака першого ступеня РН, який містить до 100 т рідкого кисню; - обмеження часу стояння заправленої РН на ПУ до старту внаслідок прогрівання переохолодженого кисню у баку; - необхідність теплоізолювання бака, що ускладнює конструкцію бака, збільшує його вагу і знижує масу корисного вантажу, котрий виводить РН. В основу корисної моделі поставлена задача створення удосконаленого способу заправлення рідким киснем бака ракети-носія, який би дозволяв підвищити його експлуатаційні характеристики шляхом уведення в нього нових операцій, таких як: - заповнення бака здійснюється непереохолодженим рідким киснем, при цьому барботування суміщається з передстартовим наддуванням бака, а у процесі проведення пускових операцій подавання гелію у бак від наземного джерела тиску припиняється і вмикається подавання гелію від бортових балонів, що дозволяє спростити процес заправлення і збільшити час стояння заправленої РН перед стартом. Поставлена задача вирішується таким чином, що у запропонованому способі заправлення рідким киснем бака ракети-носія, котрий містить заповнення бака рідким киснем до заданого рівня заправлення, вирівнювання температури рідкого кисню по висоті бака шляхом барботування через рідкий кисень гелію, котрий подається від наземного джерела тиску, заповнення бортових балонів, розташованих у баку, гелієм від наземного джерела тиску, передстартове наддування бака і проведення пускових операцій, в ньому заповнення бака здійснюють непереохолодженим рідким киснем, при цьому барботування суміщають з передстартовим наддуванням бака, а у процесі проведення пускових операцій подавання гелію у бак від наземного джерела тиску припиняють і вмикають подавання гелію від бортових балонів. Для пояснення способу заправлення додається креслення, на якому схематично зображений пристрій, у якому втілюється даний спосіб, та його детальний опис. РН 1 встановлена вертикально на ПУ і містить нетеплоізольований бак 2. Нижня частина бака 2 бортовим заправним трубопроводом 3 з клапаном 4 і наземним заправним трубопроводом 5 підключена до наземної заправної ємності з рідким киснем (не зображена). До 1 UA 88263 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 днища бака 2 підключений також трубопровід 6 видавання рідкого кисню у рушійну установку (РУ), тобто витратна магістраль окислювача, а у верхній частині бака 2 є дренажний патрубок 7 з клапаном 8. У нижній частині бака 2 розміщені бортові балони 9 високого тиску для стисненого гелію, з'єднані патрубком 10 і клапаном 11 з бортовим трубопроводом 12 подавання стисненого гелію від наземного джерела тиску (не зображений), що містить автоматичний зворотний клапан 13. Поблизу днища бака 2 по центру бака встановлений барботер 14, з'єднаний трубопроводом 15, витратною шайбою 16 і клапаном 17 з бортовим трубопроводом 12. Барботер 14 виконує роль колектора передстартового наддування бака 2, при цьому витратна шайба 16 задає номінальне витрачання гелію наддування на барботер 14, при котрому наприкінці передстартового наддування бака в ньому забезпечується, за рахунок барботажу гелію через кисень, стійкий циркуляційний рух рідкого кисню. Бортові балони 9 трубопроводом 18 з клапаном 19 підключені до теплообмінника РУ (не зображена), вихід котрого трубопроводом 20 з регулятором 21 тиску з'єднаний з колектором 22 наддування, розташованим у газовій порожнині бака 2. Бортові балони 9 підключені також до барботера 14 за допомогою трубопроводу 23, який містить клапан 24 і витратну шайбу 25. Процес заправлення бака РН здійснюється наступним чином. Після охолодження заправної магістралі виконують заповнення бака 2 непереохолодженим рідким киснем з температурою, що відповідає температурі його кипіння при атмосферному тиску. Кисень подають у бак 2 по бортовому заправному трубопроводу 3 через відкритий клапан 4. Пара кисню, що утворюється, виходить з бака 2 через дренажний патрубок 7. У процесі заповнення рідким киснем бака 2 вмикають також подавання гелію від наземного джерела тиску у бортовий трубопровід 12 з автоматичним зворотним клапаном 13 і відкривають клапан 11 на патрубку 10 подавання стисненого гелію у бортові балони 9 (див. патент РФ №2.267.023, МП К F02K 9/44, F17C 5/04, 2004 р.). Після заповнення бортових балонів 9 стисненим гелієм закривають клапан 11. Коли рідкий кисень досягне заданого рівня заправлення, заповнення бака 2 припиняють, а при подальшій стоянці РН 1 на ПУ, у відповідності з технологічним графіком підготовки до пуску, виконують дозоване подавання у бак 2 рідкого кисню по бортовому заправному трубопроводу 3 для підтримання заданого рівня рідкого кисню у баку 2. Пара кисню, що утворюються за рахунок випарювання від зовнішніх теплоприпливів, виходить з бака 2 через дренажній патрубок 7, що забезпечує стабільне значення температури рідкого кисню у баку 2. За заданий, наперед встановлений, проміжок часу до старту РН відключають дозоване подавання рідкою кисню у бак 2, закривають клапан 8 на дренажному патрубку 7 і вмикають передстартове наддування бака 2, для чого відкривають клапан 17 на трубопроводі 15 подавання гелію від наземного джерела тиску на барботер 14, встановлений по центру бака 2. Гелій, що виходить з барботера 14, проходить через рідкий кисень у газову порожнину бака 2 і забезпечує підвищення тиску у баку 2, при цьому гелій проходить і заданим витрачанням, котре задасться витратною шайбою 16, і захоплює втору рідину у центральній зоні бака 2, що викликає зворотній рух вниз рідини біля стінки бака 2, збуджуючи циркуляцію рідини у баку 2. При цьому сталий режим циркуляційного руху рідкого кисню по висоті бака 2 встановлюється через заданий, наперед встановлений, проміжок часу, необхідний для виведення із статичного стану і приведення у сталий постійний рух усього об'єму рідкого кисню у баку 2, маса котрого може складати десятки тонн. Безпосередньо перед стартом РН 1 виконують пускові операції, у тому числі перед відстикуванням бортового трубопроводу 12 від наземного джерела тиску і закриттям автоматичного зворотного клапана 13, відкривають клапан 24 на трубопроводі 23, котрий включає подавання гелію на барботер 14 від бортових балонів 9, причому за допомогою витратної шайби 25 встановлюють "польотне" витрачання гелію на барботер 14, котрий підтримує сталий циркуляційний рух рідкого кисню і його змішування у баку 2 під час польоту РН 1. Внаслідок цього, під час проходження РН 1 найбільш щільних шарів атмосфери, коли має місце найбільший теплоприплив до кисню через нетеплоізольовану стінку бака 2, котра зазнає дії аеродинамічного нагрівання, циркуляційний рух рідкого кисню забезпечує вирівнювання його температури в об'ємі бака 2, що попереджає температурне розшарування цієї кріогенної рідини по висоті бака і утворення верхнього прогрітого шару рідини, котрий значно знижує ефективність використання РН внаслідок збільшення кількості теплових залишків незабору кисню у баку і зниження маси корисного вантажу, що виводять. Запропонований спосіб може використовуватися під час заправлення першого ступеня РН за патентом України № 45203А, МПК B64G 5/00, 2001 р. Барботер виконується за патентом США № 3.473.343, клас 62/45, 1969 р. 2 UA 88263 U 5 Для забезпечення чистоти рідкого кисню на заправному трубопроводі встановлюється фільтр за патентом РФ № 2.040.728, МПК F17C 5/04, 1991 р. Пристрій для наддування бака виконується за патентом України №82105u, МПК B64D 47/00, F02K 99/00, 2012 р. Таким чином, запропонований спосіб дозволяє використовувати непереохолоджений рідкий кисень, що значно знижує витрати при заправленні бака рідким киснем і спрощує процес заправлення. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 10 15 Спосіб заправлення рідким киснем бака ракети-носія, що включає заповнення бака рідким киснем до заданого рівня заправлення, вирівнювання температури рідкого кисню по висоті бака шляхом барботування через рідкий кисень гелію, котрий подається від наземного джерела тиску, заповнення бортових балонів, розташованих у баку, гелієм від наземного джерела тиску, передстартове наддування бака і проведення пускових операцій, який відрізняється тим, що заповнення бака здійснюють непереохолодженим рідким киснем, при цьому барботування суміщають з передстартовим наддуванням бака, а у процесі проведення пускових операцій подавання гелію у бак від наземного джерела тиску припиняють і вмикають подавання гелію від бортових балонів. Комп’ютерна верстка Л. Бурлак 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