Система заправлення бака ракети-носія рідким киснем

Реферат: Система заправлення бака ракети-носія рідким киснем, містить послідовно розташовані заправну ємність з усмоктувальним патрубком, насос, заправний трубопровід з запірним вентилем та теплообмінник-охолоджувач з дренажним і заправним патрубками, причому теплообмінник-охолоджувач виконаний у вигляді кріогенної ємності з рідким кріогенним холодоагентом, газова порожнина котрого сполучена з патрубком вакуумного насосу. Теплообмінник-охолоджувач споряджений герметичною внутрішньою ємністю, встановленою з зазором у кріогенній ємності, утворюючи герметичну порожнину з рідким кріогенним холодоагентом, при цьому нижня частина герметичної внутрішньої ємності через додатковий заправний патрубок з додатковим запірним вентилем сполучена з заправним трубопроводом після запірного вентиля, а верхня частина герметичної внутрішньої ємності сполучена з джерелом подавання газу наддуву і на ній змонтований додатковий дренажний патрубок. UA 87525 U (12) UA 87525 U UA 87525 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до ракетно-космічної техніки, а більш конкретно - до наземного обладнання, і може використовуватися для заправлення баків ракет-носіїв (РН) кріогенними компонентами палива на стартових комплексах і на стендових установках. Відомою є система заправлення бака ракети-носія рідким киснем, що містить послідовно розташовані заправну ємність з усмоктувальним патрубком, насос, заправний трубопровід з запірним вентилем та теплообмінник-охолоджувач з дренажним і заправним патрубками [див. патент України № 80402u, МПК B64G 5/00, F17C 6/00, 2012 р.]. Теплообмінник-охолоджувач виконаний у вигляді кріогенної ємності з рідким кріогенним холодоагентом (рідким азотом), всередині якого розміщений змійовик. Недоліком відомої системи заправлення є її низькі експлуатаційні якості через низький ступінь переохолодження рідкого кисню, величина котрого обмежена значенням температури кипіння рідкого азоту при атмосферному тиску. При цьому термостатування рідкого кисню у баку РН суттєво ускладнює систему заправлення і пов'язане з підвищеними енергетичними витратами під час заправлення. Найближчою до запропонованої по технічному рішенню є вибрана як прототип система заправлення бака ракети-носія рідким киснем за патентом України №78262u, МПК B64G 5/00, F17C 6/00, 2012 р. Ця система заправлення містить послідовно розташовані заправну ємність з усмоктувальним патрубком, насос, заправний трубопровід з запірним вентилем та теплообмінник-охолоджувач з дренажним і заправним патрубками, причому теплообмінникохолоджувач виконаний у вигляді кріогенної ємності з рідким кріогенним холодоагентом, газова порожнина котрого сполучена з патрубком вакуумного насосу. Наявність вакуумного насосу або газового ежектора на теплообміннику-охолоджувачі дає можливість, за рахунок створення у його ємності потрібної величини розрідження, знизити температуру рідкого азоту і збільшити ступінь переохолодження рідкого кисню. При цьому температура рідкого кисню залежить від витрачання через теплообмінник-охолоджувач і від величини розрідження над рідким азотом. Недоліком відомої системи заправлення є її невисокі експлуатаційні якості, які пов'язані з тим, що переохолодження рідкого кисню відбувається у процесі заправлення бака РН, а саме: - характер теплообміну між рідкими киснем і азотом обмежує можливий ступінь переохолодження кисню через необхідність підтримання значної різниці температур у теплообміннику-охолоджувачі; - складність забезпечення заданої температури переохолодження кисню і регулювання її величини, наприклад, при зміні витрачання кисню через змійовик теплообмінникаохолоджувача, що може привести до значної похибки під час визначення кількості (маси) кисню, котрий заправили у бак РН; - необхідність використання насосу рідкого кисню великої потужності, оскільки заправний трубопровід і змійовик теплообмінника-охолоджувача чинять значний гідравлічний опір під час заправлення. В основу винаходу поставлена задача створення удосконаленої конструкції система заправлення бака ракети-носія рідким киснем, яка б дозволила забезпечити підвищення її експлуатаційних якостей шляхом уведення в нього нових елементів і технічних рішень, таких як: - теплообмінник-охолоджувач споряджається герметичною внутрішньою ємністю, встановленою з зазором у кріогенній ємності, утворюючи герметичну порожнину з рідким кріогенним холодоагентом, при цьому нижня частина герметичної внутрішньої ємності через додатковий заправний патрубок з додатковим запірним вентилем сполучається з заправним трубопроводом після запірного вентиля, а верхня частина герметичної внутрішньої ємності сполучається з джерелом подавання газу наддувву і на ній монтується додатковий дренажний патрубок, що дозволяє розмістити у теплообміннику-охолоджувачі усю кількість рідкого кисню, котра заправляється у бак, забезпечити оптимальний режим теплообміну між рідкими азотом і киснем, і, таким чином, отримати задану температуру переохолодженого кисню з високою точністю і підвищити точність заправлення заданої маси переохолодженого кисню у бак. Поставлена задача вирішується таким чином, що у запропонованій системі заправлення бака ракети-носія рідким киснем, яка містить послідовно розташовані заправну ємність з усмоктувальним патрубком, насос, заправний трубопровід з запірним вентилем та теплообмінник-охолоджувач з дренажним і заправним патрубками, причому теплообмінникохолоджувач виконаний у вигляді кріогенної ємності з рідким кріогенним холодоагентом, газова порожнина котрого сполучена з патрубком вакуумного насосу, в ній теплообмінник-охолоджувач споряджений герметичною внутрішньою ємністю, встановленою з зазором у кріогенній ємності, утворюючи герметичну порожнину з рідким кріогенним холодоагентом, при цьому нижня частина герметичної внутрішньої ємності через додатковий заправний патрубок з додатковим запірним вентилем сполучена з заправним трубопроводом після запірного вентиля, а верхня 1 UA 87525 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 частина герметичної внутрішньої ємності сполучена з джерелом подавання газу наддувву і на ній змонтований додатковий дренажний патрубок. Для пояснення конструкції системи заправлення і її роботи додаються креслення і її детальний опис. Запропонована система заправлення включає заправну ємність 1, усмоктувальний патрубок 2, насос 3, заправний трубопровід 4 з запірним вентилем 5 і вентилем 6, та теплообмінникохолоджувач. Теплообмінник-охолоджувач виконаний у вигляді кріогенної ємності 7, в якій з зазором розміщена герметична внутрішня ємність 8 для рідкого кисню, утворюючи герметичну порожнину 9 з рідким кріогенним холодоагентом, наприклад азотом. На кріогенній ємності 7 змонтовані: дренажний патрубок 10, патрубок з вентилем 11 для з'єднання з вакуумним насосом 12, заправний патрубок 13 для з'єднання з наземною ємністю з рідким кріогенним холодоагентом (не зображена), датчики 14 і 15 температури і рівня рідкого кріогенного холодоагенту відповідно. На герметичній внутрішній ємності 8 змонтовані: додатковий дренажний патрубок 16, додатковий заправний патрубок 17 з додатковим запірним вентилем 18, трубопровід 19 з вентилем 20 для з'єднання з джерелом 21 подавання газу наддуву (балоном зі стиснутим гелієм) і датчики 22 і 23 температури і рівня рідкого кисню відповідно. На внутрішній поверхні герметичної внутрішньої ємності 8 можуть виконуватися вертикальні ребра для передачі тепла (не зображені). Заправний трубопровід 4 стикується до бортового трубопроводу 24 бака 25 РН за допомогою бортового рознімного з'єднання 26. Робота запропонованої системи заправлення здійснюється наступним чином. За заданий розрахунковий час до початку заправлення бака 25 РН внутрішню порожнину герметичної внутрішньої ємності 8 наддувають гелієм і включають подавання рідкого азоту з наземної ємності у герметичну порожнину 9 теплообмінника-охолоджувача по заправному патрубку 13, рівень рідкого азоту контролюють за допомогою датчика 15. У результаті цього герметична внутрішня ємність 8 охолоджується, а пара азоту виходить через дренажний патрубок 10. Потім закривають вентиль 6, відкривають запірний вентиль 5 і додатковий запірний вентиль 18 і за допомогою насоса 3 рідкий кисень подають з заправної ємності 1 у герметичну внутрішню ємність 8 через усмоктувальний патрубок 2, заправний трубопровід 4 і додатковий заправний патрубок 17, а рівень кисню контролюють датчиком 23. Через те, що система має невисокий гідравлічний опір насос 3 має невелику потужність. Суміш пари кисню і гелію виходить через додатковий дренажний патрубок 16. Заданий рівень заповнення герметичної внутрішньої ємності 8 відповідає кількості кисню у цьому сосуді, яка достатня для проведення заправлення бака 25 РН. Після досягнення заданого рівня рідкого азоту у герметичній порожнині 9 перекривають дренажний патрубок 10 і за допомогою вакуумного насоса 12 у цій порожнині створюють розрідження, яке забезпечує переохолодження кисню до заданої температури. Цю температуру рідкого азоту встановлюють розрахунково-експериментальним шляхом в залежності від потрібної температури переохолодження кисню у теплообміннику-охолоджувачі з урахуванням характеру теплообміну між азотом і киснем і оптимальної тривалості процесу переохолодження. Якщо треба отримати більш низьку температуру переохолодження кисню у теплообмінникуохолоджувачі, як рідкий кріогенний холодоагент використовують бінарну кріогенну суміш рідких кисню і азоту з більш низькою температурою замерзання, ніж рідкий азот (див. патенти США № 5.396.935, клас 141/9, 1995 р. або № 6.151.900, клас 62/4.1, 1999 р.). При цьому при збільшенні частки кисню у бінарній суміші температура її замерзання зменшується, що дозволяє отримати більш низькі значення температури кисню, котрий заправляють у бак 25 РН. Контроль температури рідкого кисню і рідкого азоту здійснюють за допомогою датчиків 22 і 14 відповідно. Підтримання потрібного рівня рідкого азоту у герметичній порожнині 9 забезпечують шляхом періодичного подавання у цю порожнину рідкого азоту через заправний патрубок 13. Велика поверхня теплообміну між рідкими азотом і киснем дозволяє суттєво підвищити ступінь переохолодження кисню. Після досягнення за заданий розрахунковий час потрібної температури кисню у теплообміннику-охолоджувачі, виконують подавання стиснутого гелію у герметичну внутрішню ємність 8 від балона 21; відкривають додатковий запірний вентиль 18 й вентиль 6 і виконують заправлення бака 25 РН переохолодженим киснем. Перед заправленням бак 25 і бортовий трубопровід 24 можуть бути попередньо охолоджені рідким киснем, який подають у бортовий трубопровід 24 з заправної ємності 1 по заправному трубопроводу 4 при відкритих запірному вентилі 5 і вентилі 6, з наступним зливанням рідкого кисню у заправну ємність 1, при цьому пара кисню виходить через дренаж бака 25. Система забезпечує велику швидкість заправлення бака 25 переохолодженим киснем без регулювання його температури під час зміни витрачання кисню у процесі заправлення. Запропонована система забезпечує заправлення бака розгінного блока у складі ракети-носія (за патентом РФ № 2.455.206, МПК 2 UA 87525 U 5 B64G 5/00, 2010 р. - у штатному режимі, за патентом РФ № 2.081.797, МПК B64G 5/00, F17C 6/00, 1994 р. - у нештатному режимі або автономно за патентом РФ № 2.225.813, МПК B64G 5/00, F17C 6/00, 2002 р.), а також ракети авіаційного ракетного комплексу за патентом України № 77401u, МПК B64G 5/00, F17C 6/00, 2012 р. Таким чином, запропонована система заправлення, яка має просту і надійну конструкцію, забезпечує підвищення технологічності і спрощення процесу заправлення бака РН. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 10 15 20 Система заправлення бака ракети-носія рідким киснем, що містить послідовно розташовані заправну ємність з усмоктувальним патрубком, насос, заправний трубопровід з запірним вентилем та теплообмінник-охолоджувач з дренажним і заправним патрубками, причому теплообмінник-охолоджувач виконаний у вигляді кріогенної ємності з рідким кріогенним холодоагентом, газова порожнина котрого сполучена з патрубком вакуумного насосу, яка відрізняється тим, що теплообмінник-охолоджувач споряджений герметичною внутрішньою ємністю, встановленою з зазором у кріогенній ємності, утворюючи герметичну порожнину з рідким кріогенним холодоагентом, при цьому нижня частина герметичної внутрішньої ємності через додатковий заправний патрубок з додатковим запірним вентилем сполучена з заправним трубопроводом після запірного вентиля, а верхня частина герметичної внутрішньої ємності сполучена з джерелом подавання газу наддувву і на ній змонтований додатковий дренажний патрубок. 3 UA 87525 U Комп’ютерна верстка Г. Паяльніков 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