Спосіб заправлення рідким киснем бака ракети-носія авіаційного ракетного комплексу

Реферат: Спосіб заправлення рідким киснем бака ракети-носія авіаційного ракетного комплексу, що включає заповнення рідким киснем до заданого рівня бака ракети-носія (РН) і кріогенним компонентом кріогенної ємності, котрі знаходяться у вантажному відсіку літака, і термостатування рідкого кисню у баку РН у процесі польоту літака до десантування РН на заданій висоті з використанням кріогенної ємності з кріогенним компонентом, що циркулює через бак РН, при сполученні газової частини цієї ємності з атмосферою. Як кріогенний компонент у кріогенній ємності використовують рідкий азот з початковою температурою, котра відповідає його температурі кипіння при нормальному атмосферному тиску. UA 77401 U (12) UA 77401 U UA 77401 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Корисна модель належить до авіаційно-космічної галузі, а саме до авіаційних ракетних комплексів (АРК), які забезпечують виведення на орбіту корисних вантажів з використанням ракети, що стартує з літака-розгінника. Відомим є спосіб заправлення рідким киснем бака ракети-носія (РН), що включає заповнення бака рідким переохолодженим киснем і наступне термостатування рідкого кисню у баку РН в наземних умовах шляхом подавання переохолодженого кисню у верхню частину бака і одночасного зливання кисню з бака РН у додаткову кріогенну ємність з рідким киснем (див. патент РФ № 2.090.468, МПК B64G 5/00, F17C 6/00, 1994 р.). Недоліком цього способу заправлення є його низькі експлуатаційні характеристики через велику трудомісткість і підвищені витрати енергії при термостату ванні рідкого кисню у баку РН в наземних умовах перед зльотом літака і потрібне значне додаткове переохолодження рідкого кисню у баку РН для компенсування втрат від його перегрівання за рахунок зовнішніх теплоприпливів, котрі сприймає рідкий кисень під час транспортування РН літаком у район здійснення повітряного старту, який може бути значно віддалений від місця зльоту літака (до семи годин польоту). Найближчим до запропонованого по технічному рішенню є вибраний як прототип спосіб заправлення рідким киснем бака ракети-носія авіаційного ракетного комплексу, який описаний у патенті України № 61327u, МПК B64G 5/00, F17C 6/00, 2011 р.). Цей спосіб містить заповнення до заданого рівня бака РН рідким киснем з температурою, що відповідає його температурі кипіння при нормальному атмосферному тиску, і наступне термостатування рідкого кисню у баку РН у процесі польоту літака до десантування РН на заданій висоті, котре здійснюється шляхом ініціювання процесу розкип'ячування рідкого кисню у баку РН створенням у баку необхідної величини розрідження за рахунок використання зміни атмосферного тиску за бортом літака, при періодичному подаванні у бак РН рідкого кисню з кріогенної ємності, розміщеної на літаку, який переохолоджується за рахунок сполучення газової частини кріогенної ємності з атмосферою. Даний спосіб дозволяє знизити витрати на термостатування рідкого кисню у баку РН у процесі польоту і зменшити тривалість наземних робіт під час заправлення. У відомому способі інтенсивність термостатування рідкого кисню прямо пропорційне величині розрідження, що створюється у баку РН і в кріогенній ємності під час польоту літака, причому величина розрідження зростає із зростанням висоти польоту. Отже на порівняно малих висотах має місце дуже низька ефективність термостатування кисню, котра зростає із зростанням висоти польоту. Через те, що заповнення бака киснем виконується "теплим" рідким киснем з температурою, що відповідає його температурі кипіння при нормальному атмосферному тиску, а перед стартом РН у баку РН необхідно мати переохолоджений кисень з заданою середньомасовою температурою, даний режим термостатування не є оптимальним і ускладнює функціонування АРК. При цьому на борту літака необхідно мати додаткові ємності з рідким киснем для компенсування втрат кисню у баку РН при його розкип'ячуванні i випарюванні від зовнішніх теплоприпливів і використовувати складну технологію проведення додаткових заправок бака в умовах польоту літака. Недоліком цього способу заправлення є його невисокі експлуатаційні характеристики, такі як: - можливе збільшення тривалості польоту літака для забезпечення досягнення заданої температури кисню через відносно тривалий режим термостатування; - непередбачена можливість заповнення бака РН переохолодженим киснем, тому що це пов'язане з необґрунтовано великими втратами кисню під час заправлення; - неможливе створення достатньо великого розрядження у баку РН на висоті польоту, тому що це може викликати деформацію (зминання) бака РН і вихід його з ладу у випадку збільшення тиску навколишнього середовища при нештатному зниженні літака. В основу корисної моделі поставлена задача створення удосконаленого способу заправлення рідким киснем бака ракети-носія авіаційного ракетного комплексу, який би дозволяв підвищити його експлуатаційні характеристики шляхом уведення в нього нових операцій, таких як: - як кріогенний компонент у кріогенній ємності використовується рідкий азот з початковою температурою, котра відповідає його температурі кипіння при нормальному атмосферному тиску, при цьому термостатування рідкого кисню здійснюється у баку РН шляхом його теплообміну з рідким азотом під час циркуляції азоту через теплообмінний елемент, розміщений у баку РН, що дозволяє суттєво підвищити ефективність термостатування рідкого кисню за рахунок його теплообміну з рідким азотом, причому забезпечується достатньо висока різниця температур між цими кріогенними компонентами вже на початку польоту літака, що 1 UA 77401 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 дозволяє виконувати заповнення бака РН як непереохолодженим, так і переохолодженим рідким киснем; - термостатування рідкого кисню здійснюється у герметизованому баку РН, що дозволяє повністю виключити втрати кисню під час заправлення; - циркуляція азоту забезпечується за рахунок різниці рівнів взаємного розташування бака РН і кріогенної ємності у вантажному відсіку літака, що дозволяє відмовитися від використання кріогенного насоса для термостатування кисню, тобто спрощується апаратурне оформлення і технологія заправлення бака РН, при цьому є можливість підтримувати у баку РН необхідний надлишковий (штатний) тиск для забезпечення оптимальних умов експлуатації бака під час польоту літака. Поставлена задача вирішується таким чином, що у запропонованому способі заправлення рідким киснем бака ракети-носія авіаційного ракетного комплексу, що включає заповнення рідким киснем до заданого рівня бака ракети-носія (РН) і кріогенним компонентом кріогенної ємності, котрі знаходяться у вантажному відсіку літака, і термостатування рідкого кисню у баку РН у процесі польоту літака до десантування РН на заданій висоті з використанням кріогенної ємності з кріогенним компонентом, що циркулює через бак РН, при сполученні газової частини цієї ємності з атмосферою, в ньому як кріогенний компонент у кріогенній ємності використовують рідкий азот з початковою температурою, котра відповідає його температурі кипіння при нормальному атмосферному тиску, при цьому термостатування рідкого кисню здійснюють у герметизованому баку РН шляхом його теплообміну з рідким азотом під час циркуляції азоту через теплообмінний елемент, розміщений у баку РН, яка забезпечується за рахунок різниці рівнів взаємного розташування бака РН і кріогенної ємності у вантажному відсіку літака. Для пояснення способу заправлення додається креслення, на яких схематично зображений пристрій, у якому втілюється даний спосіб, та його детальний опис. Ракета-носій 1 розташована горизонтально у вантажному відсіку 2 літака, виконаного за патентом України № 51791u, МПК B64G 5/00, B64D 5/00, 2010 р. РН 1 містить бак 3 окислювача з рідким киснем, споряджений бортовим трубопроводом 4 заправлення з клапаном 5 і дренажним трубопроводом 6 з клапаном 7. У верхній частині вантажного відсіку 2 розміщена кріогенна ємність 8 з рідким азотом, котра має бортовий трубопровід 9 заправлення рідкого азоту з клапанами 10, 11 і дренажний трубопровід 12 з клапаном 13, який сполучає газову частину кріогенної ємності 8 з атмосферою за бортом літака. Всередині бака 3 окислювача встановлений трубчатий теплообмінний елемент 14, виконаний у вигляді змійовика, котрий за допомогою трубопроводів 15 і 16 з клапанами 17 і 18 через вузли автоматичного розстикування з відсічними клапанами 19 і 20 підключений до внутрішньої порожнини кріогенної ємності 8. Трубопроводи 9, 15 і 16 разом із теплообмінним елементом 14 утворюють контур циркуляції кріогенного компонента - рідкого азоту з кріогенної ємності 8 через бак 3 окислювача з рідким киснем. Процес заправлення бака РН здійснюється наступним чином. Заповнення бака 3 окислювача РН 1 рідким киснем виконують з наземної ємності (не зображена) через бортовий трубопровід 4 заправлення при відкритому запірному клапані 5 з скиданням пари кисню з бака 3 через дренажний трубопровід 6. Заповнення бака 3 можна виконувати або не переохолодженим киснем з температурою, що відповідає температурі кипіння його при нормальному атмосферному тиску, або переохолодженим киснем - це визначають, виходячи з конкретних умов польоту літака і розташування місця старту РН 1. Заповнення кріогенної ємності 8 рідким азотом з температурою, що відповідає його температурі кипіння при нормальному атмосферному тиску, виконують з наземної азотної ємності (не зображена) через бортовий трубопровід 9 заправлення при відкритих клапанах 10, 11, 13. Одночасно через відкриті клапани 17 і 18 на трубопроводах 15 і 16 виконують захолоджування і заповнення рідким азотом контуру циркуляції рідкого азоту кріогенної ємності 8, який включає трубопроводи 9, 15, 16 і теплообмінний елемент 14, розміщений у баку 3 з рідким киснем. Після закінчення заповнення рідким киснем і азотом бака 3 i кріогенної ємності 8 закривають запірні клапани 5 і 10 на бортових заправних трубопроводах 4 і 9, закривають клапан 7 на трубопроводі 6 дренажу кисню, наземні заправні трубопроводи відстиковують від трубопроводів 4 і 9. Оскільки температура рідкого кисню (непереохолодженого і переохолодженого), що знаходиться у баку 3 РН 1, вище температури кипіння рідкого азоту при атмосферному тиску, вже в наземних умовах відбувається тепловий обмін між рідким киснем у баку 3 і рідким азотом у теплообмінному елементі 14, що викликає часткове випарювання останнього. У результаті щільність азоту у теплообмінному елементі 14 і трубопроводі 16 знижується у порівнянні з його щільністю у трубопроводі 9, тобто виникає постійна різниця щільностей компонента у двох 2 UA 77401 U 5 10 15 20 гілках контуру циркуляції азоту кріогенної ємності 8. А оскільки кріогенна ємність 8 розміщена у верхній частині вантажного відсіку 2 літака, тобто вище рівня розташування бака 3, у якому розміщений теплообмінний елемент 14, ця різниця щільностей азоту забезпечує його безперервний рух по контуру циркуляції кріогенної ємності 8 і безперервність процесу термостатування рідкого кисню у баку 3 РН 1. Розміри кріогенної ємності 8 і висоту її розміщення на літаку визначають розрахунково-експериментальним методом. У процесі підйому літака на висоту знижується тиск у кріогенній ємності 8, газова частина якої сполучена з атмосферою за бортом літака через постійно відкритий клапан 13 на трубопроводі 12, і відбувається подальше суттєве зниження температури рідкого азоту за рахунок його розкип'ячування у кріогенній ємності 8 при зниженому тиску, в наслідок чого перед десантуванням РН 1 температура переохолодженого рідкого кисню у баку 3 досягає заданої величини. Температура кипіння при нормальному атмосферному тиску складає: - для рідкого кисню - мінус 183 °C (90 K), - для рідкого азоту - мінус 196 °C (77 K). Тепловий елемент 14 виконується за патентом РФ № 2.018.066, МПК F25J 1/00, 1992 р. Запропонований спосіб дозволяє заправляти орбітальний корабель перед польотом на фюзеляжі літака-транспортувальника за патентом України № 55498u, МПК B64D 27/00, B64G 1/14, B64G 1/40, 2010 р. Якщо у процесі польоту літака-транспортувальника виникне аварійна ситуація, здійснюють скидання рідкого кисню і рідкого азоту у атмосферу за патентом РФ № 2.096.271, МПК B64D 37/30, 1995 р. Таким чином, запропонований спосіб дозволяє значно спростити технологію робіт під час заправлення РН, яка знаходиться на літаку. 25 ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 30 35 Спосіб заправлення рідким киснем бака ракети-носія авіаційного ракетного комплексу, що включає заповнення рідким киснем до заданого рівня бака ракети-носія (РН) і кріогенним компонентом кріогенної ємності, котрі знаходяться у вантажному відсіку літака, і термостатування рідкого кисню у баку РН у процесі польоту літака до десантування РН на заданій висоті з використанням кріогенної ємності з кріогенним компонентом, що циркулює через бак РН, при сполученні газової частини цієї ємності з атмосферою, який відрізняється тим, що як кріогенний компонент у кріогенній ємності використовують рідкий азот з початковою температурою, котра відповідає його температурі кипіння при нормальному атмосферному тиску, при цьому термостатування рідкого кисню здійснюють у герметизованому баку РН шляхом його теплообміну з рідким азотом під час циркуляції азоту через теплообмінний елемент, розміщений у баку РН, яка забезпечується за рахунок різниці рівнів взаємного розташування бака РН і кріогенної ємності у вантажному відсіку літака. 3 UA 77401 U Комп’ютерна верстка І. Скворцова 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 4