Система наддування паливних баків рушійної установки

Реферат: Винахід належить до галузі ракетно-космічної техніки і може бути використаний для наддування паливних баків рушійних установок ракет-носіїв. Система наддування паливних баків рушійної установки, що включає баки з пальним і окислювачем, запобіжним клапаном бака пального, балонами із стисненим гелієм, які розміщенні у верхньому баку окислювача, які з'єднані магістралями наддування через агрегати автоматики з теплообмінником і вільним об'ємом верхнього бака. Теплообмінник гелію розміщений в міжбаковому відсіку і з'єднаний по лінії теплоносія з твердопаливним газогенератором, який його виробляє, при цьому вихід теплообмінника по теплоносію з'єднаний з вільним об'ємом нижнього бака пального. Винахід дозволяє підвищити середньомасову температуру гелію в баку в польоті і суттєво збільшити спорожнення балонів із гелієм. UA 108414 C2 (12) UA 108414 C2 UA 108414 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Винахід належить до галузі ракетної техніки та може бути використаний для наддування паливних баків рушійних установок ракет-носіїв. В даний час як паливо рушійних установок (РУ) сучасних ракет-носіїв (РН), особливо їх перших ступенів, найбільше поширення знаходять (і плануються до застосування) висококипляче паливо типу гас (РГ-1, Т-1, Т-6, метан, синтин) та низькокиплячий окислювач рідкий кисень [Митиков Ю.А. Газобаллонные системы наддува и ракеты-носители нового поколения. Космическая техника. Ракетное вооружение. - 2012. - Вып.1. - С.83-90]. Також широко використовуються в даний час на діючих РН і висококиплячі компоненти палива AT і НДМГ ("Протон", "Циклон", "Великий похід-ЗА"). Інтенсивно досліджується перспективне паливо ацетам. За 75-ти річну історію ракетної техніки були створені різні системи наддування (СН). Проте в системах живлення компонентами палива сучасних РУ ракет-носіїв в силу різного роду причин найбільше поширення знайшли гелієві газобалонні СН. Досить перерахувати РН "Зеніт", "Антарес", "Ангара", Falcon 9 [Митиков Ю.А., Антонов В.А., Волошин М.Л., Логвиненко А.И. Пути повышения надежности и безопасности эксплуатации ракетных комплексов. - Авиационнокосмическая техника и технология. - 2012. - № 3 (90). - С. 30-36]. Найближчим до винаходу, що заявляється, за технічною суттю і досягуваному ефекту є система наддування паливних баків рушійної установки РД-171Μ (РД 520) І ступеня РН "Зеніт" [Призваны временем. Ракеты и космические аппараты конструкторского бюро "Южное", под. общ. ред. академика С.Н. Конюхова. - Д.: Арт-пресс, 2004. - С.71-73]. Система наддування баків включає балони високого тиску з гелієм, що розміщені в нижній частині верхнього бака окислювача - рідкого кисню. Далі, частина зазначених балонів з'єднана "холодним" трубопроводом з агрегатами автоматики і теплообмінником РУ, розташованому в хвостовому відсіку РН. Теплообмінник використовує теплоносій після виходу з турбіни РД, що працює на окисному газі. Далі теплообмінник по тракту гелію з'єднаний "гарячим" трубопроводом наддування із температурними компенсаторами з вільним об'ємом верхнього бака окислювача. Теплоносій після теплообмінника йде на привід (газова турбіна) бустера окислювача. Балони для наддування гелієм нижнього бака (з пальним) з'єднані "холодною" магістраллю з агрегатами автоматики, розташованими в міжбаковому відсіку, з вільним об'ємом бака пального. Бак пального має запобіжний клапан. Недоліком такої системи є її невисока ефективність, яка полягає у відносно великий потрібної маси робочого тіла (отже, і системи його зберігання) через низьку середньомасову температуру гелію в баках на момент вимикання РУ. Також істотним невід'ємним недоліком прототипу є велика залишкова маса гелію в балонах системи наддування верхнього бака (окислювача) в силу великого гідроопору трактів наддування (істотні довжини "холодного" трубопроводу з верхнього бака в хвостовий відсік і "гарячого" тракту з теплообмінником з хвостового відсіку до верхньої точки верхнього бака окислювача). Кінцевий тиск гелію в балонах 5 таких схем складає не менше 2030▪10 Па, що з урахуванням падіння температури гелію в балонах при їх спорожненні до ~ 50К, еквівалентно невикористаним залишкам гелію в розмірі ~40 % від його початкової маси на момент старту РН. Низька середньо-масова температура гелію в баку окислювача є також хронічним недоліком схем з підігрівом гелію в теплообмінниках РУ, які працюють по самій сучасній схемі - з допалюванням окисного генераторного газу. В цих схемах як теплоносій теплообмінника, який є приналежністю двигуна, використовують окисний генераторний газ після турбіни маршового РД171М. Номінальна температура цього газу становить t nоm  650К, а номінальна температура підігрітого гелію на виході з теплообміннику складає tnоm  549±70К. Далі, сучасні РУ (РД-170/171М, РД-180, РД-191), що працюють за схемою з допалюванням окисного газу, під час польоту планово безперервно дроселюються. Це робиться задля зниження піку швидкісного напору, задля обмеження осьового навантаження, завчасно перед виключенням РУ. Дроселювання таких РУ досягається зниженням і так невисокої температури окисного генераторного газу маршового двигуна. Враховуючи, що час роботи перших ступенів РН складає всього 130150с, стає зрозумілим, що в таких динамічних умовах підігрів гелію (його питома теплоємність CV3,16 кДж/(кГ▪К) - істотна величина) малоефективний. Не дивно, що середньомасова температура гелію на вході в бак окислювача за часом польоту І ступеня РН "Зеніт" і РН "Енергія" складає ~ 410К [Митиков Ю.А., Антонов В.А., Волошин М.Л., Логвиненко А. И. Пути повышения надежности и безопасности эксплуатации ракетных комплексов. Авиационно-космическая техника и технология. - 2012. - № 3 (90). -С. 30-36]. Також треба відзначити підвищену витрату окисного газу на привод бустера через втрати його енергії в теплообміннику, що, врешті-решт, знижує тягу двигуна і його питомий імпульс. 1 UA 108414 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Також суттєво ускладнюється відпрацювання двигуна - треба на кожному його пуску витримувати штатні витрати гелію. І, мабуть, найголовнішим недоліком прототипу є неможливість автономного відпрацювання гарячої гелієвої системи наддування бака окислювача, теплообмінник якої працює на унікальному теплоносії з унікальними параметрами (склад, тиск, температура) - окисному генераторному газі, який ніде, крім як у конкретному РРД, отримати практично неможливо. Імітація генераторного газу іншим теплоносієм на іншому теплообміннику при відпрацюванні СН знижує результативність і точність отриманих результатів, призводить до необхідності закладати в штатну конструкцію відповідні запаси гелію на наддування. Задачею винаходу є забезпечення автономного відпрацювання системи наддування практично в штатних умовах, зниження потрібної маси СН (робочого тіла наддування - гелію і системи його зберігання) шляхом підвищення середньо-масової температури гелію в баку в польоті і суттєво більшого спорожнення балонів із гелієм. Поставлена задача вирішується тим, що теплообмінник гелію розміщений в міжбаковому відсіку і з'єднаний по лінії теплоносія з твердопаливним газогенератором, який його виробляє, при цьому вихід теплообмінника по теплоносію з'єднаний з вільним об'ємом нижнього бака. Суть винаходу пояснюється кресленням, на якому представлена система наддування паливних баків рушійної установки, що заявляється. Система включає бак 1 з рідким киснем, в нижній частині якого розміщені балони 2 зі стисним гелієм, які з'єднані трубопроводом 3 із температурними компенсаторами 4 і агрегатами автоматики 5 із дозуючими елементами 6 (наприклад, жиклерами) з теплообмінником 7. Далі теплообмінник 7 з'єднаний за допомогою трубопроводу 8 із температурними компенсаторами 9 з вільним об'ємом бака окислювача 1. Твердопаливний газогенератор 10, який розміщений у міжбаковому відсіку 11, з'єднаний з теплообмінником 7 по тракту теплоносія. Далі цей трак, завдяки трубопроводу 12 з температурними компенсаторами 13, з'єднаний з вільним об'ємом бака пального 14 із запобіжним клапаном 15. Працює пропонована система наступним чином. По виходу рухової установки з попереднього ступеня на основний відкривають один з агрегатів автоматики 5. Одночасно з цим запускають газогенератор 10. Гелій із балонів 2, розміщених в баку з рідким киснем 1, надходить по трубопроводу 3 с температурними компенсаторами 4 через відкритий агрегат автоматики 5 з дозуючим елементом 6 до теплообмінника 7, де досить швидко нагрівається завдяки температурному перепаду більш 1000 К. Далі гелій по трубопроводу 8 з температурними компенсаторами 9 попадає до вільного об'єму бака 1 окислювача, де створює потрібний тиск. При цьому відпрацьований в теплообміннику 7 генераторний газ, який виробляє газогенератор 10, розміщений в міжбаковому відсіку 11, по трубопроводу 12 з температурними компенсаторами 13 потрапляє в вільний об'єм бака 14 пального, де створює потрібний тиск. Для контролю максимального тиску бак 14 пального забезпечений запобіжним клапаном 15 тому, що наддування бака пального не регульоване. У міру падіння тиску гелію в балонах 2 додатково послідовно відчиняються агрегати автоматики 5. Наявність у схемі наддування твердопаливного газогенератора дозволяє мати теплоносій практично будь-якої потрібної для конкретних умов температури, яка може бути і стабільною протягом всієї роботи системи, і змінюватись по потрібному закону. Найбільш прості і розроблені (а, значить, і дешеві) твердопаливні склади стабільно горять при температурах 12701800 К, при цьому завдяки наявності в їх продуктах згоряння водню, парів води, метану мають дуже гарну працездатність (~500 дж/кг▪град) [А.А. Шишков, Б.В. Румянцев. Газогенераторы ракетних систем. - М.: Машиностроение. - 1981. - С. 6-25]. Маючи величезний температурний перепад між теплоносієм і гелієм на виході з теплообмінника (не 100 К, як в прототипі), можна конструктивно просто звести до мінімуму гідравлічні втрати по тракту теплообмінника, що дозволить спорожнити балони системи наддування максимально повно. На суттєве зниження гідроопору тракту направлено і розміщення теплообмінника у міжбаковому відсіку. Завдяки цьому майже в два рази скорочуються довжини "холодної" і "гарячої" магістралей наддування гелієм. Й саме головне, пропонована система наддування дає можливість проводити автономне відпрацювання гелієвої системи наддування практично в штатних умовах з доступним джерелом штатного теплоносія, що дозволяє точно і своєчасно вносити потрібні корективи в параметри СН. Наддування нижнього бака пального продуктами згоряння твердопаливного газогенератора після теплообмінника на сьогоднішній час не несе в собі будь-яких принципових труднощів. Відомі відпрацьовані ще у 60-ти десятих роках рідинні генераторні системи наддування баків із гасом на двох ступенях МБР Р-9, на всіх ступенях пілотованого в перспективі носія Н-1. Але їм 2 UA 108414 C2 5 10 15 20 притаманні хронічні та непереборні (у межах розумних витрат) недоліки - використання без стабілізаторів витрат компонентів палива на газогенератор (без підтримки співвідношення компонентів), що приводить до зміни в широкому діапазоні як витрати продуктів згоряння, так і їх температури завдяки змінам поздовжнього перевантаження. Також треба відмітити і "брудні" продукти згоряння (великий підсумковий відсоток парів гасу, які після зниження температури в баку в значної мірі конденсуються і прогрівають верхнє днище баку и верхній шар палива, і до 7 % сажі). Також треба відзначити, що в запропонованому технічному рішенні витрати окисного газу на привод бустера зменшуються, тому що він не втрачає енергії на нагрів холодного гелію в теплообміннику. Це сприяє збільшенню тяги двигуна і його питомого імпульсу. Також не ускладнюється відпрацювання двигуна - окисний генераторний газ після турбіни з потрібною витратою може безпосередньо піти на привід бустера окислювача. Порівняльні розрахунки, проведені автором стосовно запропонованої системи, за апробованою методикою розрахунку параметрів системи наддування [Беляев Η.Μ. Расчет пневмогидравлических систем ракет. - М.: Машиностроение. -1983. - С. 17] показують наступне. Підвищення ніж у два рази середньомасової температури гелію на вході у верхній бак окислювача, знижує потреби в гелії на третину. Перехід на високотемпературну систему наддування бака пального з високою газовою сталою, зменшує її масу в ~2 рази. Для двоступеневого РН "Зеніт" перехід на запропоновану систему наддування тільки на І ступені приводить до можливості збільшення корисного навантаження (маси супутника, наприклад) на ~ 105 кг. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 25 30 Система наддування паливних баків рушійної установки, що включає баки з пальним і окислювачем, запобіжним клапаном бака пального, балонами із стисненим гелієм, які розміщенні у верхньому баку окислювача, які з'єднані магістралями наддування через агрегати автоматики з теплообмінником і вільним об'ємом верхнього бака, яка відрізняється тим, що теплообмінник гелію розміщений в міжбаковому відсіку і з'єднаний по лінії теплоносія з твердопаливним газогенератором, який його виробляє, при цьому вихід теплообмінника по теплоносію з'єднаний з вільним об'ємом нижнього бака пального. 3 UA 108414 C2 Комп’ютерна верстка Л. Ціхановська Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4