Спосіб заправлення рідким киснем бака ракети-носія авіаційного ракетного комплексу

Реферат: Спосіб заправлення рідким киснем бака ракети-носія авіаційного ракетного комплексу, базується на подаванні рідкого кисню у нижню частину горизонтально розташованого бака й відведенні його пари у дренаж і включає заповнення бака рідким киснем, з відокремленням в ньому газового об'єму від основного об'єму, та забезпечення заданої температури рідкого кисню у баці у процесі польоту літака до десантування ракети-носія на заданій висоті, при цьому у процесі польоту літака і десантування ракети-носія на бак діють штатні експлуатаційні навантаження. Перед подаванням у бак рідкого кисню виконують охолодження верхньої частини бака за рахунок обдування її внутрішньої поверхні холодною парою азоту рівномірно вздовж бака за допомогою колектора, котрий сполучають з джерелом азоту, при цьому обдування верхньої частини бака ведуть доти, доки не буде досягнуто фіксоване значення кінцевої температури його охолодження, котре забезпечує зниження навантаження на бак від температурного напруження, виникаючого під час подавання у бак рідкого кисню, до величини цього напруження, котре не перевищує штатних експлуатаційних навантажень на бак. UA 82657 U (12) UA 82657 U UA 82657 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 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 базується на подаванні рідкого кисню у верхню частину вертикально розташованого бака й відведенні його пари у дренаж і включає заповнення бака рідким киснем до заданого рівня заправлення при наявності газової "подушки" у верхній частині бака та забезпечення заданої температури рідкого кисню у баці за рахунок його термостатування (див. патент України №54559u, МПК B64G 5/00, F17C 6/00, 2010р.). Недоліком цього способу заправлення є його низькі експлуатаційні характеристики, тому що його неможливо використовувати для заправлення рідким киснем бака першого ступеня РН АРК, котра стартує з літака. Це пов'язане з наявністю у заправленому за даним способом баці вільного газового об'єму ("подушки"), що знаходиться у динамічному контакті з рідким киснем і необхідний для забезпечення надійного запуску рідинного ракетного двигуна (РРД) РН. При вертикальному старті РН зі стартової споруди наявність вільного газового об'єму у баці не призводить до потрапляння газових включень у магістраль подавання рідкого кисню у РРД. У випадку використання РН, що здійснює повітряний старт під час десантування її з літака, у момент старту РН на бак діють значні знакозмінні збурюючи прискорення. Отже наявність у баці вільного газового об'єму призведе до інтенсивного перемішування газу і рідини у баці і потрапляння значних парогазових включень у магістраль подавання рідкого кисню у РРД першого ступеня РН під час її повітряного старту, що неприпустимо, тому що може призвести до незапуску або аварії РРД і аварії РН в цілому. 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 №51791u, МПК B64G 5/00, B64D 5/00, 2010р.). Цей спосіб базується на подаванні рідкого кисню у нижню частину горизонтально розташованого бака й відведенні його пари у дренаж і включає заповнення бака рідким киснем, з відокремленням в ньому газового об'єму від основного об'єму, та забезпечення заданої температури рідкого кисню у баці у процесі польоту літака до десантування ракети-носія на заданій висоті, при цьому у процесі польоту літака і десантування ракети-носія на бак діють штатні експлуатаційні навантаження. Забезпечення заданої температури рідкого кисню у баці в процесі польоту літака здійснюється за рахунок розкип'ячування кисню при використанні розрідження атмосфери за бортом літака, у результаті чого температура кисню знижується (див. патент України №61327u, МПК B64G 5/00, F17C 6/00, 2011р.). Даний спосіб заправлення за рахунок створення у баці локалізованого газового об'єму, котрий знаходиться у динамічному контакті з рідким киснем, забезпечує надійний повітряний старт РН АРК. Недоліком цього способу заправлення є його невисокі експлуатаційні характеристики, тому що надходження рідкого кисню у нижню частину бака, котрий розташований горизонтально і має температуру навколишнього середовища, викликає різке охолодження нижньої частини бака і її значні температурні деформації у порівнянні з верхньою частиною бака. При цьому у конструкції бака виникають значні температурні напруження, величина яких перевищує величину напружень від штатних експлуатаційних навантажень бака, заправленого рідким киснем, у процесі польоту літака і десантування РН. Це викликає необхідність підвищення міцності бака шляхом збільшення товщини його стінок, що призводить до збільшення маси бака і зниженню маси корисного навантаження РН. 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: перед подаванням у бак рідкого кисню виконується охолодження верхньої частини бака за рахунок обдування її внутрішньої поверхні холодною парою азоту рівномірно вздовж бака за допомогою колектора, котрий сполучається з джерелом азоту, при цьому обдування верхньої частини бака ведеться, доки не буде досягнуто фіксоване значення кінцевої температури його охолодження, котре забезпечує зниження навантаження на бак від температурного напруження, виникаючого під час подавання у бак рідкого кисню, до величини цього напруження, котре не перевищує штатних експлуатаційних навантажень на бак, що дозволяє значно зменшити температурні напруження, котрі діють на бак під час заправлення рідкого кисню; холодну пару азоту для обдування верхньої частини бака отримується шляхом газифікації рідкого азоту на вході у бак, а відведення холодної пари азоту після обдування бака виконується через дренаж, що дозволяє підвищити ефективність охолодження бака. 1 UA 82657 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Поставлена задача вирішується тим, що у запропонованому способі заправлення рідким киснем бака ракети-носія авіаційного ракетного комплексу, що базується на подаванні рідкого кисню у нижню частину горизонтально розташованого бака й відведенні його пари у дренаж і включає заповнення бака рідким киснем, з відокремленням в ньому газового об'єму від основного об'єму, та забезпечення заданої температури рідкого кисню у баці у процесі польоту літака до десантування ракети-носія на заданій висоті, при цьому у процесі польоту літака і десантування ракети-носія на бак діють штатні експлуатаційні навантаження, в ньому перед подаванням у бак рідкого кисню виконують охолодження верхньої частини бака за рахунок обдування її внутрішньої поверхні холодною парою азоту рівномірно вздовж бака за допомогою колектора, котрий сполучають з джерелом азоту, при цьому обдування верхньої частини бака ведуть доти, доки не буде досягнуто фіксоване значення кінцевої температури його охолодження, котре забезпечує зниження навантаження на бак від температурного напруження, виникаючого під час подавання у бак рідкого кисню, до величини цього напруження, котре не перевищує штатних експлуатаційних навантажень на бак. Холодну пару азоту для обдування верхньої частини бака отримують шляхом газифікації рідкого азоту на вході у бак, а відведення холодної пари азоту після обдування бака виконують через дренаж. Для пояснення способу заправлення додаються креслення, на яких схематично зображений пристрій, у якому втілюється даний спосіб, та його детальний опис. На кресленнях зображено: на фіг. 1 - загальний вигляд системи заправлення; на фіг. 2 - розріз А-А фіг. 1 (розташування колектора обдуву у баці); на фіг. 3 - виносний елемент Б фіг. 2 (розташування радіальних отворів у колекторі обдуву). Ракета-носій 1 розташована горизонтально у літаку 2 (фіг. 1). До нижньої частини бака 3 першого ступеня РН 1 підключений бортовий заправний трубопровід 4 з клапаном 5, зв'язаний через переохолоджувач 6 кисню і насос 7 рідкого кисню з наземною заправною ємністю 8 рідкого кисню. У передній частині бака 3 є перегородка 9, яка відділяє від основного об'єму 10 газорідинний об'єм 11, необхідний для утворення локалізованого газового об'єму під час заповнення баці 3 рідким киснем. По кінцях основного об'єму 10 бака 3 розташовані дренажі у вигляді дренажних патрубків 12 і 13 з клапанами 14 і 15 відповідно для відведення пари кріогенних компонентів (кисню, азоту). До верхньої частини газорідинного об'єму бака 3 підключений дренажний патрубок 16 з клапаном 17 і патрубок 18 системи наддування з клапаном 19. У верхній частині основного об'єму 10 бака 3 розміщений поздовжній трубчастий колектор 20 обдуву (фіг. 2), розташований з певним зазором відносно внутрішньої поверхні бака 3 по усій довжині основного об'єму 10. У верхній частині коллектора 20 обдуву, торці якого можуть бути загерметизовані, рівномірно по всій його довжині виконані радіальні отвори 21, а його середня частина теплоізольованим трубопроводом 22 з клапаном 23 сполучена з вихідним патрубком газифікатора 24. Вхід газифікатора 24 теплоізольованим трубопроводом 25 з насосом 26 рідкого азоту і клапаном 27 підключений до кріогенної ємності 28, яка містить рідкий азот. У верхній частині бака 3 встановлений датчик 29 температури (фіг. 3). Переохолоджувач 6 кисню виконаний у вигляді кріогенної ємності з рідким азотом, у внутрішній порожнині якої створюється розрідження за допомогою ежектора 30, підключеного до нагнітача 31. Процес заправлення бака РН здійснюється наступним чином. Перед подаванням у бак 3 рідкого кисню відкривають клапан 27 на трубопроводі 25, вмикають насос 26 і здійснюють подавання рідкого азоту з ємності 28 на вхід газифікатора 24, в якому відбувається випарювання рідкого азоту за рахунок теплообміну з навколишнім середовищем. Холодна пара азоту, що утворюється у газифікаторі 24, з температурою, рівноважною температурі рідкого азоту, по трубопроводу 22 через відкритий клапан 23 подають у середню (центральну) частину колектора 20 обдуву. Далі холодна пара азоту виходить через отвори 21, рівномірно охолоджує верхню частину бака 3 по всій довжині основного об'єму 10, яка може складати 8 м і більше, заповнює увесь об'єм бака 3 і виходить через дренажні патрубки 12, 13, 16 з клапанами 14, 15, 17, при цьому охолоджується верхня частина бака 3 у газорідинному об'ємі 11 і частково охолоджується нижня частина бака 3. Контроль за процесом охолодження верхньої частини бака 3 ведуть за показаннями датчиків 29 температури. Коли величина температури верхньої частини бака 3 досягне заданого фіксованого значення кінцевої температури її охолодження, відключають газифікатор 24 від лінії подавання рідкого азоту і закривають клапан 23 на трубопроводі 22, після чого відкривають клапан 5 і вмикають подавання рідкого кисню у бак 3 з наземної заправної ємності 8. Рідкий переохолоджений кисень надходить у нижню частину бака 3, інтенсивно охолоджує нижню частину бака 3, а пара кисню, що утворюється, відводиться через дренажні патрубки 12, 13, 16 з клапанами 14, 15, 17. Інтенсивне охолодження нижньої частини бака 3 викликає її температурні деформації (усадку), але оскільки верхня частина бака 3 вже охолоджена до фіксованого значення, 2 UA 82657 U 5 10 15 20 попередньо встановленого, величина навантажень на конструкцію бака 3 від виникаючих температурних напружень внаслідок зменшення градієнтів температури не перевищує штатних експлуатаційних навантажень на бак. Тобто забезпечується збереження міцності бака 3 РН 1, який розрахований на штатні експлуатаційні навантаження, під час заправлення його рідким киснем. Протягом обдуву верхньої частини бака 3 холодною парою азоту відбувається також суттєве охолодження бака 3, оскільки холодна пара заповнює увесь об'єм бака і інтенсивно теплообмінюються зі стінками бака, що дозволяє суттєво знизити втрати рідкого кисню на охолодження бака 3 до кінцевої температури заправлення. Система заправлення рідким киснем виконується: стаціонарною - за патентом РФ №2.241.645, МПК B64G 5/00, F17C 6/00, 2003р.; або мобільною - за патентом РФ №2.034.753, МПК B64F 1/28, 1991р. Пристрій для стикування наземної системи заправлення до бортового заправного трубопроводу виконується за патентом РФ №2.269.455, МПК B64D37/30, B64F 1/28, 2004р. У процесі польоту літака використовується його паливно-витратна система за патентом РФ №2.327.612, МПК B64D 37/00, B64D 37/14, G01F 23/26, 2006р. Джерело азоту наведене у патенті України №7740їй, МПК B64G 5/00, F17C 6/00, 2012р. Конфігурація кріогенного бака РН наведена у патенті США №4.884.770, клас 244/158R, 1989р. Таким чином, запропонований спосіб дозволяє значно підвищити енергетичні можливості РН. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 25 30 35 40 1. Спосіб заправлення рідким киснем бака ракети-носія авіаційного ракетного комплексу, що базується на подаванні рідкого кисню у нижню частину горизонтально розташованого бака й відведенні його пари у дренаж і включає заповнення бака рідким киснем, з відокремленням в ньому газового об'єму від основного об'єму, та забезпечення заданої температури рідкого кисню у баці у процесі польоту літака до десантування ракети-носія на заданій висоті, при цьому у процесі польоту літака і десантування ракети-носія на бак діють штатні експлуатаційні навантаження, який відрізняється тим, що перед подаванням у бак рідкого кисню виконують охолодження верхньої частини бака за рахунок обдування її внутрішньої поверхні холодною парою азоту рівномірно вздовж бака за допомогою колектора, котрий сполучають з джерелом азоту, при цьому обдування верхньої частини бака ведуть доти, доки не буде досягнуто фіксоване значення кінцевої температури його охолодження, котре забезпечує зниження навантаження на бак від температурного напруження, виникаючого під час подавання у бак рідкого кисню, до величини цього напруження, котре не перевищує штатних експлуатаційних навантажень на бак. 2. Спосіб заправлення за п. 1, який відрізняється тим, що холодну пару азоту для обдування верхньої частини бака отримують шляхом газифікації рідкого азоту на вході у бак, а відведення холодної пари азоту після обдування бака виконують через дренаж. 3 UA 82657 U 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 4