Система заправлення бака ракети-носія рідким киснем

Реферат: Система заправлення бака ракети-носія рідким киснем, містить заправну ємність, насос, заправний трубопровід з запірним вентилем, теплообмінник-охолоджувач, всередині котрого розміщена герметична внутрішня ємність, та джерело стисненого гелію. У герметичній внутрішній ємності, поблизу її днища, встановлений колектор, виконаний у вигляді відрізка прямолінійного трубопроводу, розташований у поздовжній площині його симетрії і сполучений з джерелом стисненого гелію. UA 89997 U (12) UA 89997 U UA 89997 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, 2012р.). 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, 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 насоса рідкого кисню великої потужності, оскільки заправний трубопровід і змійовик теплообмінника-охолоджувача чинять значний гідравлічний опір під час заправлення. Найближчою до запропонованої по технічному рішенню є вибрана як прототип система заправлення бака ракети-носія рідким киснем за патентом РФ №2.241.645, МПК B64G 5/00, F17C 6/00, 2003р. Ця система заправлення містить заправну ємність, насос, заправний трубопровід з запірним вентилем, теплообмінник-охолоджувач, всередині котрого розміщена герметична внутрішня ємність, та джерело стисненого гелію (джерело подавання газу наддуву у герметичну внутрішню ємність). Відома система дає можливість розміщувати у теплообмінникуохолоджувачі повну кількість рідкого кисню, що заправляється у бак РН, заздалегідь переохолоджувати його протягом заданого розрахункового часу, а потім видавати його з заданою температурою переохолодження у бак РН. Це дозволяє підвищити рівень переохолодження рідкого кисню, що заправляють, і збільшити точність отримання необхідної температури переохолодження. Підвищується також технологічність процесу заправлення, зменшується потрібна потужність і габарити насоса рідкого кисню. Недоліки цієї системи заправлення пов'язані з відносно невисокою інтенсивністю теплопередачі між рідким киснем і кріогенним холодоагентом у теплообміннику-охолоджувачі, оскільки охолодження рідкого кисню у внутрішній ємності відбувається за рахунок природної конвекції рідкого кисню вздовж стінки ємності при невеликій різності їх температур, величина котрої обмежена ступенем вакуумування пари кріогенного холодоагенту у кріогенній ємності. 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: значна тривалість процесу переохолодження рідкого кисню, а також великі втрати електроенергії на забезпечення вакуумування холодної пари з кріогенної ємності і підігрів їх перед ежектором. Крім того, у процесі переохолодження рідкого кисню конвективний рух його біля стінки у внутрішній ємності викликає температурне розшарування кисню по висоті внутрішньої ємності, що додатково погіршує умови теплообміну, знижує точність отримання потрібної температури переохолодження кисню і збільшує похибку визначення маси заправлення у бак кисню. Оскільки для видачі переохолодженого кисню з теплообмінникуохолоджувача, для підтримання у ньому робочого тиску, використовується гелій з температурою навколишнього середовища, має місце також суттєве прогрівання верхнього шару рідкого кисню, що призводить до збільшення кількості рідкого кисню, що не забирається з внутрішньо є ємності, непродуктивним втратам коштів на його переохолодження, а також додаткової похибки маси кисню, що заправляється у бак; зниження технологічності процесу заправлення бака переохолодженим киснем. В основу корисної моделі поставлена задача створення удосконаленої конструкції системи 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: у герметичній внутрішній ємності, поблизу її днища, встановлюється колектор, виконаний у вигляді відрізка прямолінійного трубопроводу, розташований у поздовжній площині його симетрії і сполучений з джерелом стисненого гелію, що дозволяє, за рахунок подачі гелію у нижню частину внутрішньої ємності, створити циркуляційний рух рідкого кисню в об'ємі ємності і 1 UA 89997 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 забезпечити перемішування кисню для вирівнювання його температури по всьому об'єму ємності. Поставлена задача вирішується таким чином, що у запропонованій системі заправлення бака ракети-носія рідким киснем, яка містить заправну ємність, насос, заправний трубопровід з запірним вентилем, теплообмінник-охолоджувач, всередині котрого розміщена герметична внутрішня ємність, та джерело стисненого гелію, в ній у герметичній внутрішній ємності, поблизу її днища, встановлений колектор, виконаний у вигляді відрізка прямолінійного трубопроводу, розташований у поздовжній площині його симетрії і сполучений з джерелом стисненого гелію. Для пояснення конструкції системи заправлення і її роботи додаються креслення і її детальний опис. На кресленнях зображено: на фіг. 1 - загальний вигляд системи заправлення; на фіг.2 - розріз А-Д фіг. 1 (поперечний розріз внутрішньої ємності). Запропонована система заправлення включає заправну ємність 1 з рідким киснем, теплообмінник-охолоджувач, заправну магістраль 2 з насосом 3, підключену через рознімне з'єднання 4 до бортового заправного трубопроводу 5, котрий через бортовий заправний клапан 6 підключений до бака 7 окислювача PН. Τеплообмінник-охолоджувач являє собою циліндричну кріогенну ємність 8, в якій розміщена герметична внутрішня ємність 9, встановлена з утворенням між ним і стінкою кріогенної ємності 8 герметичної порожнини 10 з рідким кріогенним холодоагентом (азотом), що заповнюється через трубопровід 11 заправлення холодоагенту з запірним клапаном 12. Верхня частина герметичної порожнини 10 через трубопровід з клапаном 13 сполучена з усмоктуючим патрубком агрегату 14 відкачування пари холодоагенту, котрий забезпечується робочим тілом або енергією від джерела 15 енергії. Крім того, верхня частина герметичної порожнини 10 має патрубок 16 дренажу пари холодоагенту з дренажним клапаном 17 нари холодоагенту, що випаровує. При відкритому дренажному клапані 17 герметична порожнина 10 сполучається з атмосферою. Нижня частина внутрішньої ємності 9 те теплообмінника-охолоджувача підключена до заправної магістралі 2 і через запірні клапани відповідно 18 і 19, насос 3 і запірний клапан 20 сполучена з заправною ємністю 1. Нижня частина внутрішньої ємності 9 також через запірні клапани 18 і 21 та рознімне з'єднання 4 сполучена з бортовим заправним трубопроводом 5 і через борговий заправний клапан 6 - з баком 7. Газова порожнина внутрішньої ємності 9 мас дренажний патрубок 22 з дренажно-запобіжним клапаном 23. Газова порожнина внутрішньої ємності 9 трубопроводом 24 наддуву з клапаном 25 підключена до джерела 26 стисненого гелію (балону). У внутрішній ємності 9 вздовж його довжини і поблизу його днища розміщений відрізок прямолінійного колектора 27 з отворами 28, підключений до джерела 26 стисненого гелію за допомогою трубопроводу 29, на котрому встановлений клапан 30 подачі гелію і клапан 31, що регулює витрачання гелію. У теплообміннику-охолоджувачі встановлені датчик 32 рівня холодоагенту і датчик 33 рівня рідкого кисню. Колектор 27 встановлений на висоті 1-2 його діаметри від днища внутрішньої ємності 9. Робота запропонованої системи заправлення здійснюється наступним чином. За заданий розрахунковий час до початку заправлення бака 7, через запірний клапан 12 здійснюють подавання кріогенного холодоагенту по трубопроводу 11 у кріогенну ємність 8 і виконують заповнення герметичної порожнини 10 кріогенним холодоагентом до заданого розрахункового рівня, котрий фіксують датчиком 32. Одночасно при цьому відбувається охолодження внутрішньої ємності 9, заповненої гелієм. Після охолодження внутрішньої ємності 9 виконують заповнення її рідким киснем, котрий подають з заправної ємності 1 при відкритих запірних клапанах 18, 19, 20 за допомогою насоса 3, при закритому запірному клапані 21. Заповнення внутрішньої ємності 9 ведуть до заданого рівня, котрий фіксують по датчику 33, що відповідає масі, необхідної для заправлення бака 7 переохолодженим киснем, при цьому об'єм газової подушки над рідким киснем після досягнення заданого рівня також відповідає заданій розрахунковій величині цього об'єму. За рахунок теплообміну кисню з холодоагентом у процесі наступного стояння РН, після заправлення, і дренування пари холодоагенту через патрубок 16 і дренажний клапан 17 у атмосферу відбувається охолодження кисню до температури, близької до температури холодоагенту. Після досягнення необхідного рівня температури кисню у внутрішній ємності 9 перекривають дренажний клапан 17 і вмикають агрегат 14 відкачування пари холодоагенту, котрий створює у герметичній порожнині 10 розрідження, що знижує температуру холодоагенту і забезпечує отримання заданої температури переохолодження рідкого кисню у внутрішній ємності 9. За заданий час до подавання переохолодженого кисню у бак 7 відкривають клапани 30, 31 і виконують подавання гелію з джерела 26 у колектор 27, розташований у площині симетрії внутрішньої ємності 9. Гелій виходить через отвори 28 у вигляді бульбашок, що спливають у 2 UA 89997 U 5 10 15 20 25 30 рідкому кисні у газову подушку внутрішньої ємності 9. При цьому створюється стійкий циркуляційний рух рідкого кисню в об'ємі внутрішньої ємності 9, що турбулізує об'єм рідини і забезпечує перемішування шарів рідкого кисню та вирівнювання його температури у всьому об'ємі внутрішньої ємності 9. Це значно підвищує інтенсивність процесу теплопередачі через оболонку внутрішньої ємності 9 між кріогенним холодоагентом і переохолодженим рідким киснем, дозволяє значно скоротити час переохолодження рідкого кисню, а також підвищити точність заправлення бака 7. Бульбашки гелію, що спливають, охолоджуються рідким киснем і утворюють холодну газову подушку над поверхнею рідкого кисню, при цьому у міру надходження гелію тиск у газовій подушці над поверхнею рідкого кисню підвищується. При цьому витрачання і час подавання гелію у колектор 27 встановлюють розрахунковоекспериментальним шляхом з умови наддування внутрішньої ємності 9 до необхідного робочого тиску видачі кисню до моменту (або трохи пізніше) закінчення переохолодження кисню. Після досягнення заданої температури переохолодження кисню у теплообміннику-охолоджувачі закривають клапани 30, 31, відкривають клапан 25 на трубопроводі 24, а також запірні клапани 18, 21 на заправній магістралі 2 і через відкритий бортовий заправний клапан 6 виконують заправлення бака 7 переохолодженим киснем. У процесі видачі переохолодженого кисню і зниження рівня його у внутрішній ємності 9, спочатку створена у ємності холодна гелієва подушка опускається з рівнем рідини, захищаючи переохолоджений кисень від теплового контакту з теплим газом наддуву, що суттєво зменшує об'єм верхнього шару рідкого кисню з температурою вище температури, яка задана на заправлення (теплові залишки незабору рідкого кисню). Запропонована система може застосовуватися для заправлення РН: на наземному стартовому комплексі за патентом України №75338и, МПК B64G 5/00, В63В 1/00, 2012р.; на авіаційному ракетному комплексі за патентом України №77401 и, МПК B64G 5/00, F17С 6/00, 2012р. Керування процесом заправлення РН здійснюють за допомогою автоматизованої системи за патентом РФ №2.216.760, МПК G05B 17/02, G05B 19/042, G06F 17/00, 2001р. з використанням сигналів датчиків системи контролю рівня компонентів палива, розташованих в баках РН за патентом РФ №2.414.687, МПК G01F 23/26, 2010 p. Таким чином, запропонована система заправлення, яка має просту і надійну конструкцію, забезпечує підвищення технологічності і спрощення процесу заправлення бака РН. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 35 40 Система заправлення бака ракети-носія рідким киснем, що містить заправну ємність, насос, заправний трубопровід з запірним вентилем, теплообмінник-охолоджувач, всередині котрого розміщена герметична внутрішня ємність, та джерело стисненого гелію, яка відрізняється тим, що у герметичній внутрішній ємності, поблизу її днища, встановлений колектор, виконаний у вигляді відрізка прямолінійного трубопроводу, розташований у поздовжній площині його симетрії і сполучений з джерелом стисненого гелію. 3 UA 89997 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