Система наддування паливних баків рушійної установки

Реферат: Винахід належить до галузі ракетно-космічної техніки, а саме до систем для наддування паливних баків рушійних установок ракет-носіїв. З метою зниження маси системи наддування, спрощення конструкції, підвищення надійності (шляхом повного виключення гелію з системи наддування), теплообмінник по лінії наддування бака з окислювачем з'єднаний на вході з виходом насоса окислювача, а на виході - з вільним об'ємом бака окислювача. Теплоносій теплообмінника - продукти згоряння твердопаливного газогенератора, які далі йдуть на наддування бака з пальним. По лінії наддування бака з окислювачем між теплообмінником і вільним об'ємом бака окислювача встановлений газогенератор з паливом. Паливо має нейтральний баланс, наприклад, на основі азиду натрію, або відновний баланс, наприклад, на основі пускового пального ПГ-2. Для зменшення конденсації парів кисню на початку наддування вільний об'єм бака окислювача з'єднаний з твердопаливним високотемпературним газогенератором з нейтральними або окисними продуктами згоряння. UA 115096 C2 (12) UA 115096 C2 UA 115096 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Винахід належить до галузі ракетної техніки та може бути використаний для наддування паливних баків рушійних установок ракет-носіїв. В даний час як паливо рушійних установок (РУ) сучасних ракет-носіїв (РН), особливо їх перших ступенів, найбільше поширення знаходять (і плануються до застосування) висококипляче паливо типу гас (РГ-1, Т-1, Т-6, синтин) та низькокиплячий окислювач - рідкий кисень [Митиков Ю.А. Газобаллонные системы наддува и ракеты-носители нового поколения. Космическая техника. Ракетное вооружение. - 2012. - Вып. 1. - С. 83-90]. Також широко використовуються в даний час в діючих рідинних ракетних двигунах (РРД) і висококиплячи компоненти палива AT і НДМГ (РРД "Протон", "Циклон", IV ступень РН Vega та інші). За 75-річну історію ракетної техніки були успішно використані різні системи наддування (СН). Проте в системах живлення компонентами палива сучасних РУ ракет-носіїв в силу різного роду причин найбільше поширення знайшли гелієві газобалонні СН. Досить перерахувати РН "Зеніт", Antares, "Ангара", Falcon 9 [Митиков Ю.А., Антонов В.А., Волошин М.Л., Логвиненко А.И. Пути повышения надежности и безопасности эксплуатации ракетных комплексов. Авиационно-космическая техника и технология. - 2012. - № 3 (90). - С. 30-36]. Найближчим до винаходу, що заявляється, за технічною суттю і досягуваним ефектом є система наддування паливних баків РУ ракети-носія по патенту 108414 від 27.04.2015 р (заявка а201309167 від 22.07.2013). Ця система включає баки з пальним і окислювачем, запобіжним клапаном бака пального, балонами із стиснутим гелієм, які розміщенні у верхньому баку окислювача і з'єднані магістралями наддування через агрегати автоматики з теплообмінником і вільним об'ємом верхнього бака окислювача. При цьому теплообмінник гелію розміщений в міжбаковому відсіку і з'єднаний з твердопаливним газогенератором по лінії теплоносія, який його виробляє, а вихід вказаного теплообмінника з'єднаний з вільним об'ємом бака пального. Незаперечними плюсами такого рішення є будь-яка потрібна температура теплоносія, незалежність її від режимів РУ, зменшення числа балонів з гелієм за рахунок генераторного наддування бака з керосином. Суттєвими недоліками такої системи є: - невисока ефективність, яка полягає у великій потрібній масі системи заправки робочого тіла і його зберігання - стиснутого гелію для наддування баку с киснем. Для прикладу, найкращий титановий балон із сплаву ВТ-6 внутрішнім об'ємом 132 л важить ~45 кг, займає обсяг 140 л в баку окислювача, з якого використовується лише до 8,5 кг гелію; - істотне ускладнення і подорожчання стартової позиції. Наприклад, в системі газопостачання гелію для РН "Зеніт" під землею знаходиться 1266 балонів високого тиску (37,540,5 МПа) по 500 л кожен, понад 3000 одиниць пневмоапаратури, протяжність трубопроводів становить десятки кілометрів [Бармин И.В. Технологические объекты наземной инфраструктуры ракетно-космической техники. - М.: Полиграфикс РПК, 2005 (книга 1). - 420 с]; - гелієві пневмогідравлічні системи на сьогоднішній день є найдорожчими системами ракетиносія після РРД [Дегтярев А.В., Кушнарев А.П., Попов Д.А. и др. Ракета космического назначения сверхмалого класса. Космическая техника. Ракетное вооружение: сб. науч.-техн. ст. ГКБ "Южное". - 2014. - № 1. - С. 14-20]; - низька надійність сучасних гелієвих систем рушійних установок. Наведемо приклади ненадійності тільки з самого недалекого минулого: - 7.08.2012 р. нештатно закінчилося виведення РН "Протон-М" низки супутників через засмічення магістралі наддування гелієм бака пального розгінного блока "Бриз-М". Корисне навантаження було втрачено; - 26.10.2012 р. пусковій команді довелося відкласти пуск РН KSLV-1 через витік "холодного" гелію, що виникла при заправці балонів системи наддування І ступеня російського виробництва (аналог І ступеня РН "Ангара"). РН була знята зі стартової позиції для усунення несправностей; - 17.04.2014 р. відклали запуск космічного корабля Dragon до МКС. За повідомленнями пресслужби NASA причиною перенесення дати старту з'явилася витік гелію в РУ першого ступеня РН Falcon 9; - 27.06.2014 р. не відбувся перший пуск РН "Ангара" легкого класу, який знаходиться в розробці більш 19 років. Причиною скасування пуску РН стало падіння тиску гелію в балоні наддування газового демпфера, встановленого у видатковій магістралі рідкого кисню. Для усунення несправностей на полігоні "Плєсецьк" (Росія) довелося знімати РН "Ангара" зі старту; - 28.06.2015 р. відірвався балон з гелієм в баку окислювача II ступеня РН Falcon 9 при роботі РУ І ступеня. Корисне навантаження для МКС, багаторазовий корабель Dragon були втрачені. Задачею винаходу є зниження маси СН, спрощення РУ і старту, підвищення надійності системи шляхом повного виключення гелію з СН паливних баків. 1 UA 115096 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Поставлена задача вирішується тим, що теплообмінник по лінії наддування бака з окислювачем з'єднаний на вході з виходом насоса окислювача, а на виході - з вільним об'ємом бака окислювача. Іншою відмінністю є те, що по лінії наддування бака з окислювачем між теплообмінником і вільним об'ємом бака окислювача встановлений газогенератор з паливом, яке має нейтральний баланс, наприклад, на основі азиду натрію, або відновний баланс, наприклад, на основі пускового пального ПГ-2. Суть винаходу пояснюється кресленням, на якому представлена система наддування паливних баків рушійної установки, що заявляється. Система включає бак 1 з рідким киснем, яка з'єднана магістраллю 2 з насосом окислювача 3, від котрого відбирається частина окислювача високого тиску і через дозуючий елемент 4 по магістралі 5 з теплообмінником 6 і температурними компенсаторами 7 подається у вільний об'єм бака окислювача. Далі, гаряче робоче тіло (продукти згоряння) з твердопаливного газогенератора 13 через теплообмінник 6, де воно виконує роль теплоносія, по магістралі 9 з температурними компенсаторами 10 подається у вільний об'єм бака пального 8, де створює потрібний тиск. Попутно прогрівається пальне 11 в баку 8. Працює пропонована система наступним чином (фіг. 1). По виходу рухової установки на режим потрібна частина окислювача з насосу 3 через дозуючий елемент 4 по магістралі 5 надходить до теплообмінника 6. Одночасно з цим запускають газогенератор 13. Продукти згоряння газогенератора 13 служать, з одного боку, теплоносієм для підігріву і випаровування кисню в теплообміннику 6, з іншого боку - робочим тілом наддування бака пального 8. Випарений і підігрітий кисень по магістралі з температурними компенсаторами 7 надходить у вільний об'єм бака окислювача 1. Продукти згоряння газогенератора 13 по магістралі 9 з температурними компенсаторами 10 надходять у вільний об'єм бака пального 8. Максимальний тиск продуктів згоряння в баку 8 контролює запобіжний клапан 12. Часто реалізуються випадки, коли для наддування бака пального 8 потрібна невелика витрата продуктів згоряння, яка недостатня для нагріву кисню до допустимих високих температур. Тому запропоновано (фіг. 2) в магістралі 5 після теплообмінника 6 встановити газогенератор 14 з паливом, яке має нейтральний баланс, наприклад, на основі азиду натрію, або відновний баланс, наприклад, на основі пускового пального ПГ-2. Пари кисню баластують гарячим азотом або допалюють за допомогою пускового пального до потрібних температур і витрат. Далі, з метою зменшення конденсації парів кисню у вільному об'ємі бака окислювача, особливо в початковий момент наддування парами, доцільно підняти в ньому температуру газу до максимально можливої. Цього можна досягти (фіг. 3), з'єднавши початковий газовий обсяг бака окислювача 1 з твердопаливним високотемпературним газогенератором 15 з нейтральними або окисними продуктами згоряння. Наявність у схемі наддування твердопаливного газогенератора 13 дозволяє мати теплоносій практично будь-якої потрібної для конкретних умов температури, яка може бути і стабільною протягом всієї роботи системи, і змінюватись по потрібному закону. Найбільш прості і розроблені (а, значить, і дешеві) твердопаливні склади стабільно горять при температурах 1270÷1800 K, при цьому завдяки наявності в їх продуктах згоряння водню, парів води, метану мають дуже гарну працездатність (~500 дж/кг·град) [А.А. Шишков, Б.В. Румянцев. Газогенераторы ракетних систем. - М.: Машиностроение. - 1981. - С. 6-25]. Маючи величезний температурний перепад між теплоносієм і киснем на виході з теплообмінника (не 100 K, як в сучасних двигунах з доопалюванням окисного генераторного газу), можна конструктивно просто звести до мінімуму гідравлічні втрати по тракту теплообмінника (зменшення його маси). Також запропонована система наддування дає можливість проводити автономне відпрацювання системи наддування практично в штатних умовах з доступним джерелом штатного теплоносія, що дозволяє точно і своєчасно вносити потрібні корективи в параметри СН. Порівняльні розрахунки, проведені авторами стосовно запропонованого винаходу, за апробованою методикою розрахунку параметрів системи наддування [Беляев Н.М. Расчет пневмогидравлических систем ракет. - М.: Машиностроение. - 1983. - С. 17] показують наступне. Підвищення середньомасової температури кисню на вході до бака окислювача до 1300К зменшує масу СН порівняно з газобалонною в ~2 рази. Для двоступеневого РН "Зеніт" перехід на запропоновану систему наддування тільки на І ступені призводить до можливості збільшення корисного навантаження (маси супутника, наприклад) на ~115 кг. При цьому створюються умови для відмови від систем холодного гелію на старті. 2 UA 115096 C2 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 5 10 15 1. Система наддування паливних баків рушійної установки ракети-носія, що включає баки з пальним і окислювачем з запобіжними клапанами, твердопаливним газогенератором, з'єднаним з вільним об'ємом бака пального через теплообмінник робочого тіла наддування бака окислювача, який розміщений в міжбаковому відсіку, насосом окислювача, яка відрізняється тим, що теплообмінник по лінії наддування бака з окислювачем з'єднаний на вході з виходом насоса окислювача, а на виході - з вільним об'ємом бака окислювача. 2. Система за п. 1, яка відрізняється тим, що по лінії наддування бака з окислювачем між теплообмінником і вільним об'ємом бака окислювача встановлений газогенератор з паливом, яке має нейтральний, наприклад, на основі азиду натрію, або відновний баланс, наприклад, на основі пускового пального ПГ-2. 3. Система за п. 1, яка відрізняється тим, що початковий вільний об'єм бака окислювача з'єднаний з твердопаливним високотемпературним газогенератором з нейтральними або окисними продуктами згоряння. 3 UA 115096 C2 4 UA 115096 C2 Комп’ютерна верстка М. Мацело Міністерство економічного розвитку і торгівлі України, вул. М. Грушевського, 12/2, м. Київ, 01008, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5