Спосіб заправлення рідким киснем бака ракети-носія авіаційного ракетного комплексу

Реферат: Спосіб заправлення рідким киснем бака ракети-носія (РН) авіаційного ракетного комплексу базується на подаванні рідкого кисню у нижню частину горизонтально розташованого бака й відведенні його пари при сполученні верхньої частини бака з наземною кріогенною ємністю, з відокремленням в ньому газорідинного об'єму від основного об'єму бака. Включає заповнення бака рідким киснем та забезпечення заданої температури рідкого кисню у баку у процесі польоту літака до десантування РН на заданій висоті шляхом подавання гелію для барботування через рідкий кисень. У бак подають переохолоджений рідкий кисень з переливанням його з бака у наземну кріогенну ємність після заповнення бака, при підтриманні у наземній кріогенній ємності надлишкового тиску, котрий відповідає штатному тиску у баку. Подавання переохолодженого рідкого кисню у бак виконують до отримання значення температури кисню на виході з бака нижче заданої температури рідкого кисню у баку перед десантуванням РН на величину прогрівання кисню у баку до моменту десантування РН і припиняють заправлення. У процесі польоту літака до десантування РН гелій для барботування подають у газорідинний об'єм бака від джерела стисненого гелію, розташованого на літаку. UA 84156 U (12) UA 84156 U UA 84156 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 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 у верхню частину бака переохолодженого рідкого кисню й відведенні у дренаж пари кисню і включає заповнення бака рідким киснем до заданого рівня заправлення та забезпечення заданої середньомасової температури рідкого кисню за рахунок його термостатування (див. книгу Космодром / Под. ред. А.П. Вольского. - М.: Воениздат, 1977. - С. 158). Термостатування здійснюють шляхом переохолодження частини кисню, що циркулює по замкненому контуру при зливанні кисню з нижньої частини бака і подаванні переохолодженого кисню у верхню частину бака. Відомий спосіб застосовують для заправлення бака РН, яка стартує вертикально із стаціонарного положення, оскільки не весь об'єм бака при заправленні заповняється рідким киснем і у верхній частині бака передбачена газова "подушка", яка необхідна для забезпечення надійного запуску рідинного ракетного двигуна (РРД) першого ступеня РН. 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 баку 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 баку 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 збурюючі прискорення. Отже наявність у баку вільного газового об'єму призведе до інтенсивного перемішування газу і рідини у баку і потрапляння значних парогазових включень у магістраль подавання рідкого кисню у РРД першого ступеня РН під час її повітряного старту, то неприпустимо, тому що може призвести до незапуску або аварії РРД і аварії РН в цілому. Найближчим до запропонованого по технічному рішенню є вибраний за найближчий аналог спосіб заправлення рідким киснем бака ракети-носія авіаційного ракетного комплексу, який описаний у патенті України № 51791 u, МПК B64G 5/00, B64D 5/00, 2010 р.). Цей спосіб базується на подаванні рідкого кисню у нижню частину горизонтально розташованого бака й відведенні пари кисню при сполученні верхньої частини бака з додатковою кріогенною ємністю з рідким киснем, з відокремленням в ньому газового об'єму від основного об'єму бака, і включає охолодження бака й зниження середньомасової температури в ньому рідкого кисню до заданої розрахункової величини, при цьому заповнення бака і додаткової кріогенної ємності здійснюють рідким киснем з температурою, що відповідає його температурі кипіння при нормальному атмосферному тиску, а у процесі польоту літака здійснюють зниження середньомасової температури рідкого кисню у баку з використанням рідкого кисню з додаткової кріогенної ємності, котрий переохолоджується з рахунок розкип'ячування при зниженні тиску. У процесі польоту АРК розрідження у додатковій кріогенній ємності, як і у баку РН, підтримують за рахунок сполучення порожнини додаткової кріогенної ємності з атмосферою за бортом літака, при цьому переохолоджений кисень з цієї ємності періодично подають у бак для охолодження і компенсації втрат у ньому рідкого кисню. Одночасно здійснюється регулювання величини розрідження у баку, порожнина котрого сполучена з додатковою кріогенною ємністю, а перед десантуванням РН з літака виконують дозаправлення рідким киснем бака з видаленням парової фази (пари кисню) і підвищення тиску у баку до його штатного значення. Даний спосіб заправлення за рахунок створення у баку локалізованого газового об'єму, котрий знаходиться у динамічному контакті з рідким киснем, забезпечує надійний повітряний старт РH АРК. Для термостатування рідкого кисню у баку РН використовують барботування гелію за патентом України № 78262u, МПК B64G 5/00, F17C 6/00, 2012 р. Недоліком цього способу заправлення є його невисокі експлуатаційні характеристики, такі як: - суттєве ускладнення конструкції і функціонування АРК через наявність на борту літака додаткової кріогенної ємності з рідким киснем, а також кріогенного насоса, трубопроводів і арматури для забезпечення подачі переохолодженого рідкого кисню у бак під час польоту АРК. Наявність даного обладнання, з урахуванням обмеженої вантажопідйомності літака, суттєво знижує вагу РН, внаслідок чого знижується вага корисного вантажу, що виводять на орбіту; 1 UA 84156 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 - значні втрати рідкого кисню під час польоту АРК за рахунок зовнішніх теплоприпливів і розкип'ячування рідкого кисню. 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: - у бак подається переохолоджений рідкий кисень з переливанням його з бака у наземну кріогенну ємність після заповнення бака, при підтриманні у наземній кріогенній ємності надлишкового тиску, котрий відповідає штатному тиску у баку, при цьому подавання переохолодженого рідкого кисню у бак виконується до отримання значення температури кисню на виході з бака нижче заданої температури рідкого кисню у баку перед десантуванням РН на величину прогрівання кисню у баку до моменту десантування РН, після чого припиняють заправлення, що дозволяє забезпечити необхідну температуру рідкого кисню у баку під час заправлення на землі і виключити складні операції щодо розкип'ячування рідкого кисню під час польоту АРК; - у процесі польоту літака, до десантування РН, гелій для барботування подається у газорідинний об'єм бака від джерела стисненого гелію, розташованого на літаку, що дозволяє простими засобами підтримувати необхідну температуру рідкого кисню у баку РН під час польоту АРК. 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 при сполученні верхньої частини бака з наземною кріогенною ємністю, з відокремленням в ньому газорідинного об'єму від основного об'єму бака, і включає заповнення бака рідким киснем та забезпечення заданої температури рідкого кисню у баку у процесі польоту літака до десантування РН на заданій висоті шляхом подавання гелію для барботування через рідкий кисень, в ньому у бак подають переохолоджений рідкий кисень з переливанням його з бака у наземну кріогенну ємність після заповнення бака, при підтриманні у наземній кріогенній ємності надлишкового тиску, котрий відповідає штатному тиску у баку, при цьому подавання переохолодженого рідкого кисню у бак виконують до отримання значення температури кисню на виході з бака нижче заданої температури рідкого кисню у баку перед десантуванням РН на величину прогрівання кисню у баку до моменту десантування РН, після чого припиняють заправлення, а у процесі польоту літака до десантування РН гелій для барботування подають у газорідинний об'єм бака від джерела стисненого гелію, розташованого на літаку. Для пояснення способу заправлення додається креслення, на якому схематично зображений пристрій, у якому втілюється даний спосіб, та його детальний опис. Ракета-носій 1 розташована всередині фюзеляжу літака 2 горизонтально. Бак 3 першого ступеня РН 1 через бортовий трубопровід 4 заправлення з клапаном 5 і наземним трубопроводом 6 заправлення з клапанами 7 і 8, насосом 9 рідкого кисню і теплообмінником 10 з'єднаний з наземною заправною ємністю 11, що містить рідкий кисень. Теплообмінник 10 слугує для переохолодження рідкого кисню і представляє собою кріогенну ємність з рідким азотом, всередині якої проходить наземний трубопровід 6 заправлення рідкого кисню. Для створення необхідного розрідження, що забезпечує необхідну температуру переохолодження рідкого кисню рідким азотом, газова порожнина теплообмінника 10 сполучена з усмоктуючим патрубком газового ежектора 12 з компресором 13. У передній частині бака 3 розташована поперечна перегородка 14, що обмежує у передній частині бака 3 герметичну порожнину 15, нижня частина якої через патрубок 16, встановлений у поперечній перегородці 14, сполучена з основним об'ємом бака 3 - порожниною 17. Верхні частини порожнин 15 і 17 бака 3 через вузли автоматичного розстикування з відсічними клапанами 18 і відповідні клапани 19 і 20 за допомогою дренажно-зливних трубопроводів 21 і 22 сполучені з наземною кріогенною ємністю 23, на якій змонтовані патрубок 24 наддування з клапаном 25 і дренажний патрубок 26 з дренажно-запобіжним клапаном 27. До верхньої частини порожнини 15 бака 3 підключений трубопровід системи наддування і дренажу з клапаном 28, а у нижню частину порожнини 15 введений трубопровід 29, зв'язаний з балоном 30 (джерелом стисненого гелію), розташованим на літаку 2. На трубопроводі 21 встановлений датчик 31 температури для контролю температури рідкого кисню на виході з верхньої частини основного об'єму бака 3, у порожнині 15 бака 3 встановлений датчик 32 рівня рідкого кисню. На трубопроводах 4 і 21 встановлені бортові рознімні з'єднання 33. 2 UA 84156 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Процес заправлення бака РН здійснюється наступним чином. Заправлення паливом літака 2 і РН 1 здійснюють на аеродромі перед польотом АРК. Перед початком процесу заправлення рідким киснем бака 3 РН 1 виконують надування наземної заправної ємності 11, вмикають насос 9 і здійснюють охолодження заправних магістралей. Виконують також підвищення тиску у баку 3 до штатного значення за рахунок наддування наземної кріогенної ємності 23 гелієм через патрубок 24. Під час проведення заправлення бака 3 рідкий кисень з наземної заправної ємності 11 переохолоджується у теплообміннику 10 рідким переохолодженим азотом і через бортовий трубопровід 4 заправлення надходить у нижню частину бака 3. У процесі подавання у бак 3 переохолодженого рідкого кисню відбувається підвищення в ньому рівня рідкого кисню. Пара кисню, що утворюється у баку 3, з порожнин 15 і 17 бака 3 через відкриті клапани 19 і 20 по трубопроводах 21 і 22 надходять у наземну кріогенну ємність 23, звідкіля відводиться у дренаж через клапан 27. Коли рівень рідкого кисню у баку 3 досягне певного рівня, закривають клапан 19 на лінії дренажу з порожнини 15, а через клапан 28 вдувають у цю порожнину гелій, що забезпечує утворення у порожнині локалізованого парогазового об'єму (гелій і пара кисню), і продовжують заповнення рідким киснем основного об'єму бака 3 (порожнини 17). Локалізований у порожнині 15 бака парогазовий об'єм, внаслідок наявності патрубку 16 у поперечній перегородці 14, знаходиться у динамічному контакті з рідким киснем, що знаходиться у порожнині 17 бака. Для зменшення величини температурного розшарування рідкого кисню у порожнині 15, яка відділена від основного об'єму бака 3 поперечною перегородкою 14, і отримання заданої величини локалізованого парогазового об'єму, у процесі подальшого заповнення бака 3 у порожнину 15 через трубопровід 29 вводять додаткову кількість гелію, котрий барботує через рідкий кисень. Після заповнення бака 3 рідким киснем продовжують подавання у бак 3 переохолодженого рідкого кисню з одночасним переливанням кисню з бака 3 у наземну кріогенну ємність 23 по трубопроводах 21 і 22, внаслідок чого знижується середньомасова температура рідкого кисню, що заповнює бак 3. При цьому здійснюють контроль температури рідкого кисню на виході з бака 3 за допомогою датчика 31 температури. Після досягнення температури кисню на виході з бака 3 нижче заданої температури рідкого кисню у баку 3 перед десантуванням РН 1 на величину прогрівання кисню у баку 3 до моменту десантування РН 1, припиняють подавання у бак 3 переохолодженого рідкого кисню, закривають клапани 5 і 20 і за допомогою бортових рознімних з'єднань 33 відстиковують наземні трубопроводи 6 і 22, після чого здійснюють політ АРК. Температурний стан рідкого кисню, що знаходиться при штатному тиску у порожнині 17 бака 3 при наявності локалізованого парогазового об'єму у порожнині 15 бака 3, забезпечує надійний запуск РРД РН 1 під час її повітряного старту з літака 2. Оскільки час польоту АРК до місця повітряного старту РН 1 досить тривалий і складає декілька годин, у процесі польоту АРК проводять періодичне барботування гелію через рідкий кисень у порожнині 15 бака 3, котрий вводять через трубопровід 29 від балона 30, з одночасним відведенням з порожнини 15 відповідної кількості парогазової суміші через клапан 28, що попереджає температурне розшарування рідкого кисню у цій порожнині і забезпечує допустиму величину парціального тиску пари кисню у локалізованому парогазовому об'ємі. Для бака місткістю 100 т окислювача притаманні наступні характеристики: - газова "подушка" - 2000 л; - втрати окислювача на випарювання - 1000 кг/година; - теплоприплив до бака - 60 кВт; - висота газової "подушки" в основному об'ємі при горизонтальному положенні бака - 0,25 м; - коефіцієнт заповнення бака - φ=0,98; - питомий теплоприплив - φ=0,94 %; 2 - надлишковий тиск у баку - 2,5 кгс/см ; - діаметр бака - 4 м; 3 - питома вага рідкого кисню - 1,14 кг/см . РН 1 може розміщуватися зверху на фюзеляжі літака за патентом України № 13870А, МПК B64D 1/00, FA41F 3/00, 1997р., а перший ступінь РН виконується за патентом РФ № 2.238.422, МПК F02K 9/44, 2002 р. Перед заправленням рідкого кисню бак охолоджують за патентом РФ № 2.216.491, МПК B64G 5/00, B64G 1/14, B64D 5/00, F17C 6/00, 2002 р. Заправлення РН компонентами палива здійснюється з мобільних засобів: - пального (керосину) - за патентом України № 44297, МПК В60Р 3/22, B65D 88/12, 1997 р.; - окислювача (рідкого кисню) - за патентом РФ № 2.097.280, МПК B64D 37/34, F17C 6/00, 1994 р. 3 UA 84156 U Таким чином, запропонований спосіб дозволяє значно підвищити енергетичні можливості РН. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 5 10 15 20 Спосіб заправлення рідким киснем бака ракети-носія (РН) авіаційного ракетного комплексу, що базується на подаванні рідкого кисню у нижню частину горизонтально розташованого бака й відведенні його пари при сполученні верхньої частини бака з наземною кріогенною ємністю, з відокремленням в ньому газорідинного об'єму від основного об'єму бака, і включає заповнення бака рідким киснем та забезпечення заданої температури рідкого кисню у баку у процесі польоту літака до десантування РН на заданій висоті шляхом подавання гелію для барботування через рідкий кисень, який відрізняється тим, що у бак подають переохолоджений рідкий кисень з переливанням його з бака у наземну кріогенну ємність після заповнення бака, при підтриманні у наземній кріогенній ємності надлишкового тиску, котрий відповідає штатному тиску у баку, причому подавання переохолодженого рідкого кисню у бак виконують до отримання значення температури кисню на виході з бака нижче заданої температури рідкого кисню у баку перед десантуванням РН на величину прогрівання кисню у баку до моменту десантування РН, після чого припиняють заправлення, а у процесі польоту літака до десантування РН гелій для барботування подають у газорідинний об'єм бака від джерела стисненого гелію, розташованого на літаку. 4 UA 84156 U Комп’ютерна верстка М. Ломалова 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 5