Спосіб заправлення рідким воднем бака ракети-носія

Реферат: Спосіб заправлення рідким воднем бака ракети-носія включає заповнення бака рідким переохолодженим воднем до заданого рівня заправлення, наступне вирівнювання температури рідкого водню у баку шляхом подавання рідкого переохолодженого водню у газовий об'єм бака і передстартове наддування бака шляхом подавання гелію у його газовий об'єм. Вирівнювання температури рідкого водню в баку суміщають з передстартовим наддуванням бака гелієм, при цьому рідкий переохолоджений водень, котрий подають у газовий об'єм бака, диспергують у цьому об'ємі, забезпечуючи охолодження газового об'єму до температури, при якій щільність гелію у газовому об'ємі перевищить щільність у ньому пари водню. UA 81689 U (12) UA 81689 U UA 81689 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до ракетно-космічної галузі і може використовуватися в багатоступінчастих ракетах-носіях середнього та важкого класів для заправлення їх баків рідкими кріогенними компонентами палива. Відомим є спосіб заправлення рідким киснем бака ракети-носія (РН), що містить заповнення бака рідким переохолодженим киснем до заданого рівня заправлення і наступне вирівнювання температури рідкого кисню по висоті бака шляхом барботування гелію через рідкий кисень (див. патент РФ №2.155.147, МПК B64G 5/00, F17C 6/00, 1999р.). Розчинність гелію у рідкому кисні незначна і барботування гелію через рідкий кисень не погіршує енергетичних характеристик кисню як компонента палива. Однак гелій має підвищену розчинність у рідкому водні, отже барботування гелію через рідкий водень призведе до насичення водню гелієм. Недоліком цього способу заправлення є його низькі експлуатаційні характеристики, тому що здатність гелію виділятися з кріогенної рідини при зниженому тиску зменшує кавітаційний запас насосів турбонасосного агрегату (ТНА) рушійної установки (РУ), викликає необхідність підвищення тиску наддування бака при споживанні рідкого водню і призводить до збільшенню ваги бака та кінцевої маси РН. Найближчим до запропонованого по технічному рішенню є вибраний як прототип спосіб заправлення рідким воднем бака ракети-носія, який описаний у патенті України №54559и, МПК B64G 5/00, F17C 6/00, 2010р. Цей спосіб містить заповнення бака рідким переохолодженим воднем до заданого рівня заправлення, наступне вирівнювання температури рідкого водню у баку шляхом подавання рідкого переохолодженого водню у газовий об'єм бака і наддування бака шляхом подавання гелію у його газовий об'єм. Перед стартом РН здійснюють наддування бака шляхом подавання гелію у його газовий об'єм для надійного запускання РУ (див. патент України №63553А, МПК B64D 37/24, F42B 15/00, 2003 р.). Подавання рідкого переохолодженого водню зверху на дзеркало рідкого водню у баку дозволяє знизити температуру верхнього прогрітого шару рідкого водню і сприяє вирівнюванню температури цієї кріогенної рідини по висоті бака перед стартом РН. Недоліком цього способу заправлення є його невисокі експлуатаційні характеристики через великі теплові залишки незабору рідкого водню у баку по закінченню роботи РУ. Це обумовлено тим, що наддування бака у процесі споживання з нього рідкого водню під час польоту РН виконується теплим газоподібним воднем, котрий поступає від працюючої РУ, і за рахунок теплообміну і конденсації газу наддування на поверхні рідини відбувається прогрівання верхнього шару рідкого водню, що призводить до збільшенню теплових залишків не забору у баку. Наявність великих залишків не забору рідкого водню у баку знижує масу корисного вантажу і погіршує техніко-економічні показники РН. Крім того, при коливаннях і сплеску рідини у баку, які відбуваються під час старту і польоту РН, виникають різки зниження тиску у газовому об'ємі, що збільшується під час споживання палива, внаслідок різкого охолодження окремих ділянок теплого газового об'єму бака під час їх контакту з бризками рідкого водню або холодними ділянками стінок бака. Різки зниження тиску у газовому об'ємі бака рідкого водню значно знижують надійність роботи РУ і суттєво погіршують умови експлуатації бака, знижуючи надійність функціонування РН у цілому. В основу корисної моделі поставлена задача створення удосконаленого способу заправлення рідким воднем бака ракети-носія, який би дозволяв підвищити його експлуатаційні характеристики шляхом уведення в нього нових операцій, таких як: - вирівнювання температури рідкого водню в баку суміщається з передстартовим наддуванням бака гелієм, при цьому рідкий переохолоджений водень, котрий подається у газовий об'єм бака, диспергується у цьому об'ємі, забезпечуючи охолодження газового об'єму до температури, при якій щільність гелію у газовому об'ємі перевищить щільність у ньому пари водню, що дозволяє зменшити теплові залишки незабору рідкого водню і запобігти різкому зменшенню тиску у баку РН. Поставлена задача вирішується таким чином, що у запропонованому способі заправлення рідким воднем бака ракети-носія, що включає заповнення бака рідким переохолодженим воднем до заданого рівня заправлення, наступне вирівнювання температури рідкого водню у баку шляхом подавання рідкого переохолодженого водню у газовий об'єм бака і передстартове наддування бака шляхом подавання гелію у його газовий об'єм, в ньому вирівнювання температури рідкого водню в баку суміщають з передстартовим наддуванням бака гелієм, при цьому рідкий переохолоджений водень, котрий подають у газовий об'єм бака, диспергують у цьому об'ємі, забезпечуючи охолодження газового об'єму до температури, при якій щільність гелію у газовому об'ємі перевищить щільність у ньому пари водню. Для пояснення способу заправлення додаються креслення, на яких схематично зображений пристрій, у якому втілюється даний спосіб, та його детальний опис. 1 UA 81689 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Ракета-носій 1 встановлена на пусковій установці і має бак 2 для рідкого водню з теплоізоляцією 3. Нижня частина бака 2 через бортовий трубопровід 4 з клапаном 5 і бортове рознімання 6 підключена до наземного заправного трубопроводу 7, а витратний трубопровід 8 з'єднує бак 2 з РУ. У верхній частині бака 2 є газовий об'єм 9, розташований вище заданого рівня заправлення бака 2 рідким воднем, колектор 10, підключений до трубопроводу 11 подавання у бак 2 рідкого переохолодженого водню, і колектор 12 наддування, підключений до трубопроводу 13 подачі гелію передстартового наддування бака 2 і трубопроводу 14 подачі водню наддування від РУ. Колектор 10 має по своєму периметру отвори (не зображені) для диспергування рідкого переохолодженого водню у газовому об'ємі 9. Для контролю температури верхнього шару рідкого водню у баку 2 і температури газового об'єму 9 у верхній частині бака 2 встановлені датчики температури відповідно 15 і 16. У верхній частині бака 2 також встановлений дренажний трубопровід 17. Рідкий водень розташовується у рідинному об'ємі 18 бака 2. Процес заправлення бака РН здійснюється наступним чином. Перед заправленням бака 2 здійснюють заміну в ньому повітряного середовища на водневе шляхом послідовного продування бака 2 азотом і воднем, потім виконують заповнення бака 2 рідким переохолодженим воднем через бортовий трубопровід 4 з відведенням пари водню через дренажний трубопровід 17, що забезпечує заданий тиск у баку 2. Після досягнення заданого рівня заправлення у баку 2, подавання у бак 2 рідкого переохолодженого водню через трубопровід 4 припиняють, при цьому у верхній частині бака 2 над дзеркалом рідкого водню розташовується газовий об'єм 9, який містить пару водню. За заданий час до старту РН 1 починають вирівнювати температуру рідкого водню у баку 2, для чого вмикають подавання рідкого переохолодженого водню у верхню частину бака 2 через колектор 10. Одночасно з цим вмикають подавання у бак 2 гелію передстартового наддування бака 2 через колектор 12 наддування. Рідкий переохолоджений водень, котрий поступає зверху через колектор 10, охолоджує верхній прогрітий шар рідкого водню у баку 2, що сприяє вирівнюванню температури рідкого водню по висоті бака 2. При цьому, оскільки переохолоджений водень диспергують через колектор 10 у газовому об'ємі 9 бака 2, тобто його вводять у вигляді великої кількості рівномірно розподілених дрібних струменів, що охолоджують газовий об'єм 9, в ньому відбувається конденсація більшої частини пари водню і потрапляння пари на дзеркало рідини у баку 2. Гелій передстартового наддування, що потрапляє у газовий об'єм 9, також інтенсивно охолоджується у струменях переохолодженого водню. Таким чином, у процесі вирівнювання температури рідкого водню у баку 2, в його газовому об'ємі 9 відбувається конденсація значної частини пари водню і одночасне накопичення холодного газоподібного гелію, щільність якого збільшується у міру охолодження газового об'єму 9. Контроль за зміною температури верхнього шару рідкого водню у баку 2 і температури газового об'єму 9 бака 2 ведуть за допомогою датчиків температури 15 і 16. Оскільки введення у бак 2 рідкого переохолодженого водню через колектор 10 супроводжується підвищенням рівня рідкого водню у баку 2, у процесі вирівнювання температури рідкого водню здійснюють часткове зливання рідкого водню з бака 2 по трубопроводу 4. Після закінчення передстартового наддування бака 2 газовий об'єм 9 заповнений холодним гелієм з невеликим вмістом в ньому пари водню. Після досягнення кінцевої температури охолодження газового об'єму 9 нижче 40 К щільність гелію перевищує щільність пари водню у газовому об'ємі 9, що забезпечує у подальшому постійне стійке знаходження даного низькотемпературного газового об'єму 9 на поверхні (на дзеркалі) рідкого водню під час опусканні її вниз у процесі видавання рідкого водню з бака 2. Заданий час перед стартом РН 1, протягом котрого проводять вирівнювання температури рідкого водню у баку 2 і охолодження газового об'єму 9 до необхідної кінцевої температури його, відповідає величині найбільш тривалого з цих процесів і визначається за результатами розрахункових і експериментальних робіт, що проводять заздалегідь. Цей час залежить від розмірів бака 2, величини газового об'єму 9, витрачання переохолодженого водню через колектор 10 і якість його диспергування, значення тиску передстартового наддування і швидкості подавання гелію у бак 2. Після закінчення цього часу, коли відбудеться вирівнювання температури рідкого водню у баку 2 і зниження температури газового об'єму 9 нижче 40 К при тиску передстартового наддування, відключають подавання рідкого переохолодженого водню на колектор 10. Під час роботи РУ здійснюють подавання рідкого водню на РУ з рідинного об'єму 18 бака 2 по витратному трубопроводу 8 і виконують наддування бака 2 теплим газоподібним воднем, який поступає від працюючої РУ на колектор 12 наддування. Під час польоту РН 1 при зниженні рівня рідкого водню у баку 2 холодне гелієве середовище, що знаходиться у газовому об'ємі 9, опускається вниз разом з дзеркалом рідини у баку 2, оскільки вона значно важче газу наддування: щільність гелію при 40 К у 12-15 разів перевищує щільність 2 UA 81689 U 5 10 15 20 25 теплого водню наддування. Постійна наявність між рідким воднем і теплим газом наддування низькотемпературного газового середовища, що утворилася у газовому об'ємі 9, значно знижує теплоприплив до рідкого водню і дозволяє суттєво зменшити кількість теплових залишків незабору рідкого водню у баку 2. Розміщення низькотемпературного гелієвого середовища на дзеркалі рідкого водню також запобігає виникненню різкого зниження тиску у газовому об'ємі 9 бака 2 при його спорожненні, що підвищує надійність роботи РУ і поліпшує умови експлуатації бака 2. Температура рідкого киплячого водню складає 20 К (мінус 253 °C). Конфігурація бака водню виконується за патентом РФ №2.270.788, МПК B64D 37/02, B64G 1/40, 2004 р., при цьому його елементи виконуються: - циліндрична вафельна обичайка - за патентом України №2.238.225, МПК B64D 37/00, B64D 37/06, B64G 1/00, 2003 р.; - днище - за патентом РФ №2.170.193, МПК B64D 37/06, В60К 15/03, В23К 31/02, В23К 101/12, 1999 р.; - забірний пристрій - за патентом РФ №2.384.487, МПК B64D 37/08, 37/06, 37/22, 2008 р. Для заправлення баків першого і другого ступенів наземний заправний трубопровід стикують до бортового рознімання РН за допомогою агрегату за патентом РФ №2.162.185, МПК F16L 37/00, B61G 5/08, В62В 27/25, B64F 1/28, B64G 5/00, B67D 5/00, 1998р., а заправлення бака третього ступеня або розгінного блока здійснюють з башти обслуговування за патентом РФ №2.194.654, МПК B64G 5/00, 2000 р. Схема бортових рознімань наведена у патенті США №5.862.670, клас 62/7,62/48.1, 1999 р. Схема барботування рідкого водню у баку наведена у патенті РФ №2.226.484, МПК B64G 5/00, F17C 6/00, 2002 р. Таким чином, запропонований спосіб дозволяє, за рахунок зменшення теплових залишків незабору рідкого водню і запобігання різкого зменшення тиску у баку РН, підвищити надійність РН і збільшити масу корисного навантаження, що виводять. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 30 35 Спосіб заправлення рідким воднем бака ракети-носія, що включає заповнення бака рідким переохолодженим воднем до заданого рівня заправлення, наступне вирівнювання температури рідкого водню у баку шляхом подавання рідкого переохолодженого водню у газовий об'єм бака і передстартове наддування бака шляхом подавання гелію у його газовий об'єм, який відрізняється тим, що вирівнювання температури рідкого водню в баку суміщають з передстартовим наддуванням бака гелієм, при цьому рідкий переохолоджений водень, котрий подають у газовий об'єм бака, диспергують у цьому об'ємі, забезпечуючи охолодження газового об'єму до температури, при якій щільність гелію у газовому об'ємі перевищить щільність у ньому пари водню. 3 UA 81689 U Комп’ютерна верстка А. Крулевський 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