Способ заправки жидким кислородом бака окислителя ракетной двигательной установки

 

Изобретение относится к ракетно-космической технике и может быть использовано в системах предстартовой заправки ракет-носителей. Предлагаемый способ включает заполнение бака окислителя ракеты жидким кислородом до заданного объема заправки и регулирование температуры жидкого кислорода в баке. Причем в начале заправки бак заполняют кислородом с температурой кипения при нормальном атмосферном давлении в количестве, меньшем объема полной заправки. Недозаправка соответствует количеству переохлажденного кислорода, необходимому для подачи на днище бака для обеспечения снижения температуры жидкого кислорода на входе в расходную магистраль перед насосом окислителя. Это снижение должно обеспечивать бескавитационный запуск насоса окислителя. Регулирование температуры кислорода в баке проводят непосредственно перед стартом ракеты-носителя путем дозаправки бака указанным выше недозаправленным количеством переохлажденного кислорода. Технический результат изобретения состоит в упрощении технологии заправки, снижении энергозатрат на нее и увеличении массы выводимого ракетой-носителем полезного груза. 1 ил.

Изобретение относится к ракетно-космической технике и может быть использовано при заправке жидким кислородом бака окислителя жидкостной ракетной двигательной установки ракеты-носителя (РН) космического назначения, входящей в состав ракетно-космической системы (РКС).

Известен способ заправки жидким кислородом бака окислителя двигательной установки ракеты - носителя РКС путем насосной подачи в бак жидкого кислорода и отвода в дренаж паров кислорода, включающий заполнение бака жидким кислородом и поддержание заданного уровня заправки бака до старта РН, при этом заполнение бака окислителя производят жидким непереохлажденным кислородом с температурой, соответствующей температуре его кипения при атмосферном давлении, а компенсацию потерь кислорода в баке от испарения осуществляют за счет подпитки жидким кислородом из заправочной емкости (Ракетно-космический комплекс. Космодром. Под ред. проф. А.П. Вольского. - М.: МО СССР, 1977, с.158, рис.5.2). Недостатком известного способа заправки является то, что при запуске ракетной двигательной установки поступление непереохлажденного жидкого кислорода в расходную магистраль окислителя, связывающую бак окислителя с насосом жидкого кислорода турбонасосного агрегата ракетной двигательной установки, приводит вследствие вскипания жидкого кислорода к присутствию значительной паровой фазы в насосе жидкого кислорода (Ракеты-носители. Под ред. проф. С.О.Осипова. - М.: МО СССР, 1981, с.216-217. А.А.Козлов и др. Системы питания и управления жидкостных ракетных двигательных установок. - М.: Машиностроение, 1988, с.233-234). Наличие паровой фазы в насосе жидкого кислорода ухудшает работу насоса и может привести к его кавитационному разрушению и, соответственно, к незапуску и выходу из строя жидкостного ракетного двигателя (ЖРД). Кроме того, в начальный момент подачи жидкого кислорода в расходную магистраль, вследствие инерционности столба жидкости в магистрали окислителя, имеет место падение давления на входе в насос жидкого кислорода, приводящее к образованию паровой фазы в жидкости. Поэтому в известном способе заправки для обеспечения бескавитационной работы насоса жидкого кислорода и обеспечения надежного запуска ЖРД необходимо увеличивать давление кислорода на входе в насос за счет повышения давления наддува бака окислителя, что ведет к ухудшению эксплуатационных характеристик ракеты-носителя и снижает массу выводимого полезного груза вследствие увеличения толщины стенок и массы бака окислителя.

Наиболее близким к предложенному является способ заправки жидким кислородом бака окислителя ракетной двигательной установки, включающий заполнение бака жидким переохлажденным кислородом до заданного уровня (объема) заправки и последующее регулирование среднемассовой температуры жидкого кислорода в баке, осуществляемое его термостатированием с использованием теплообменника с жидким азотом и дополнительной емкости, для обеспечения заданной среднемассовой температуры жидкого кислорода в конце заправки, позволяющего провести бескавитационный запуск насоса жидкого кислорода турбонасосного агрегата ракетной двигательной установки при заданном давлении наддува бака (пат. РФ №2090468, кл. B 64 G 5/00, F 17 C 6/00, 1994). Данный способ заправки позволяет по сравнению с заправкой непереохлажденным жидким кислородом уменьшить давление наддува бака окислителя за счет снижения среднемассовой температуры (т.е. переохлаждения) жидкого кислорода в баке перед стартом ракеты-носителя до значения, обеспечивающего бескавитационный запуск насоса жидкого кислорода при пониженном давлении наддува бака. Однако термостатирование большого количества жидкого кислорода, масса которого может составлять десятки и более тонн, требует значительных энергозатрат и связана с эксплуатацией сложного технологического оборудования, что является существенным недостатком данного способа заправки. Кроме того, при использовании переохлажденного жидкого кислорода требуется нанесение теплоизоляции на поверхность бака, что связано с увеличением массы бака окислителя и затрат на его изготовление.

Технической задачей, решаемой настоящим изобретением, является упрощение технологии заправки жидким кислородом бака окислителя ракеты-носителя, снижение энергозатрат при заправке и увеличение массы выводимого полезного груза.

Решение поставленной задачи обеспечивается за счет того, что при заправке жидким кислородом бака окислителя ракетной двигательной установки, включающей заполнение бака жидким кислородом до заданного объема заправки и регулирование температуры жидкого кислорода в баке для обеспечения ее заданного значения перед запуском насоса жидкого кислорода двигательной установки, в соответствии с изобретением в начале заправки бак окислителя заполняют жидким кислородом с температурой, соответствующей температуре его кипения при атмосферном давлении, в количестве, меньшем заданного объема заправки бака на фиксированную расчетную величину, а регулирование температуры жидкого кислорода в баке проводят перед стартом ракеты-носителя посредством дозаправки бака переохлажденным жидким кислородом, подаваемым на днище бака, имеющим температуру переохлаждения, обеспечивающую в конце дозаправки локальное снижение температуры жидкого кислорода в районе расположения заборного устройства в баке окислителя до ее заданного значения перед запуском насоса жидкого кислорода.

Заполнение бака окислителя ракетной двигательной установки в начале заправки непереохлажденным жидким кислородом в количестве, меньшем заданного объема заправки на фиксированную расчетную величину, с последующей дозаправкой бака до заданного объема заправки переохлажденным кислородом, осуществляемой непосредственно перед стартом РН, позволяет существенно упростить технологию и снизить затраты по сравнению с известным способом заправки бака окислителя, согласно которому бак в начале заправки полностью заполняют переохлажденным кислородом и затем осуществляют термостатирование (криостатирование) кислорода в баке до старта РКН. Подача переохлажденного кислорода на днище бака окислителя, заполненного непереохлажденным кислородом, вызывает снижение температуры криогенной жидкости только в нижней части бака, поэтому фиксированное расчетное количество переохлажденного кислорода, обеспечивающее локальное снижение температуры жидкого кислорода в месте расположения в баке заборного устройства окислителя до ее заданного значения перед запуском насоса жидкого кислорода, является незначительным и составляет не более 10% от общего объема заправки бака. Это количество переохлажденного кислорода в зависимости от выбранной температуры его переохлаждения легко определяется расчетным путем с экспериментальным подтверждением полученной расчетной величины. Кроме того, так как переохлажденный кислород располагается локально в нижней части бака окислителя, имеется необходимость теплоизолировать только эту часть бака, составляющую не более 10% площади его поверхности. Возможность отказа от теплоизоляции не менее 90% поверхности бака окислителя позволяет существенно уменьшить трудоемкость изготовления и массу бака и увеличить массу выводимого РН полезного груза.

Сущность предлагаемого способа заправки жидким кислородом бака окислителя ракетной двигательной установки поясняется с помощью прилагаемого чертежа.

Ракета-носитель, установленная на пусковом столе стартовой площадки космодрома, включает ракетный блок первой ступени (первую ступень) 1, ракетный блок второй ступени (вторую ступень) 2 и головной (космический) блок 3. Ракетная двигательная установка первой ступени 1 содержит бак окислителя (жидкого кислорода) 4 и бак горючего (керосина) 5, сообщенные расходными магистралями 6 и 7, в которых установлены соответственно насос окислителя 8 и насос горючего 9, соединенные с турбиной 10 турбонасосного агрегата, с жидкостным ракетным двигателем (ЖРД) 11 первой ступени РН. Двигательная установка второй ступени 2 РН содержит бак жидкого кислорода 12 и бак керосина 13, сообщенные расходными магистралями и насосами окислителя и горючего (не показано) с жидкостным ракетным двигателем 14 второй ступени. Космический блок 3 содержит полезный груз (например, космический аппарат) 15 и разгонный блок, включающий бак жидкого кислорода 16, бак керосина 17 и жидкостный ракетный двигатель 18. Вблизи днища баков окислителя 4 и 12 РН размещены заправочные патрубки соответственно 19 и 20, соединенные через бортовые клапаны 21 и 22 с трубопроводами заправки соответственно 23 и 24. Бортовые трубопроводы 23 и 24 через клапаны 25 и 26 подсоединены к наземному трубопроводу заправки 27 заправочной криогенной емкости 28, содержащей жидкий непереохлажденный кислород с температурой, соответствующей температуре его кипения при атмосферном давлении. К наземному трубопроводу заправки кислорода 27 через клапан 29 подключен наземный трубопровод подачи переохлажденного кислорода 30, проходящий через теплообменник-охладитель 31, выполненный в виде криогенной емкости, заполненной жидким азотом. Внутри этой криогенной емкости (теплообменника-охладителя) 31с помощью эжектора 32 поддерживается разрежение, соответствующее температуре жидкого азота, обеспечивающей заданную температуру переохлаждения жидкого кислорода, проходящего по трубопроводу 30. Бак жидкого кислорода 16 разгонного блока подключен к трубопроводу подачи переохлажденного кислорода 30 бортовым трубопроводом 33, к днищу бака 16 подключен также трубопровод 34 отвода жидкого кислорода при термостатировании. В верхней части бака окислителя 4 первой ступени РН установлен уровнемер 35 для контроля уровня жидкого кислорода, а на днище бака 4 вблизи заборного устройства 36 расходной магистрали окислителя 6 размещен датчик температуры жидкого кислорода 37. Заправочный патрубок 19 бака окислителя 4 трубопроводом 38 с клапаном 39 соединен с наземным трубопроводом подачи переохлажденного кислорода 30. Заправочный патрубок 20 бака окислителя 12 второй ступени, внутри которого имеются уровнемер и датчик температуры (не показаны), трубопроводом 40 с клапаном 41 также соединен с трубопроводом подачи переохлажденного кислорода 30. Баки окислителя 4, 12 и 16 ракеты-носителя имеют дренажные магистрали соответственно 42, 43 и 44.

Перед заполнением жидким кислородом баков окислителя ракеты-носителя проводится захолаживание заправочных магистралей баков жидким кислородом, подаваемым из заправочной емкости 28 по наземному трубопроводу заправки 27 при закрытом клапане 29 со сбросом паров кислорода через баки окислителя 4 и 12 и дренажные магистрали 42, 43. Заполнение бака окислителя 4 первой ступени РН производится жидким непереохлажденным кислородом из емкости 28 через заправочный патрубок 19 при открытых клапанах 25 и 21, уровень жидкости в баке фиксируется с помощью уровнемера 35. При этом в бак 4 заливают жидкий кислород в количестве, меньшем заданного объема заправки бака на фиксированную расчетную величину жидкого кислорода, после чего закрывают клапаны 25 и 21. Это фиксированное количество недозаправленного кислорода, предварительно определяемое расчетно-экспериментальным путем, соответствует количеству переохлажденного кислорода с заданной температурой переохлаждения, которое необходимо подать на днище бака 4, содержащего непереохлажденный жидкий кислород, для обеспечения локального снижения температуры кислорода на входе в расходную магистраль окислителя 6 до значения, позволяющего провести бескавитационный запуск насоса жидкого кислорода 8 двигательной установки первой ступени РН при заданном давлении наддува бака 4. Для каждого конкретного случая заправки фиксированное расчетное количество недозаправляемого в бак окислителя жидкого кислорода устанавливается исходя из заданного значения температуры переохлаждения кислорода, обеспечиваемой теплообменником-охладителем 31. Аналогичным образом производится заполнение непереохлажденным кислородом бака окислителя 12 РН через заправочный патрубок 20 при открытых клапанах 26 и 22. Заполнение бака окислителя 16 космического блока 3 осуществляют переохлажденным кислородом, поступающим из теплообменника-охладителя 31 по наземному трубопроводу заправки 30 и бортовому трубопроводу 33, при закрытых клапанах 39 и 41. После заполнения бака 16 проводится термостатирование в нем жидкого кислорода посредством отвода части кислорода по трубопроводу 34 в емкость 28 с одновременной подачей в бак переохлажденного кислорода по трубопроводу 33 при поддержании заданного уровня заправки.

Перед стартом ракеты-носителя производится дозаправка бака окислителя 4 первой ступени жидким переохлажденным кислородом из наземного трубопровода заправки 30 через трубопровод 38, для чего открывают клапаны 39 и 21. Так как подача переохлажденного кислорода идет на днище бака 4, при дозаправке происходит локальное снижение температуры жидкого кислорода в нижней части бака, где размещено заборное устройство окислителя 36. Поскольку при дозаправке бака 4 в него подается фиксированное расчетное количество жидкого кислорода с заданной температурой переохлаждения, при достижении в баке заданного уровня (объема) заправки температура жидкого кислорода в месте расположения заборного устройства 36 (т.е. на входе в расходную магистраль окислителя 6) снижается до значения, обеспечивающего бескавитационный запуск насоса жидкого кислорода 8 двигательной установки первой ступени РН при заданном давлении наддува бака 4. Аналогичным образом производится дозаправка переохлажденным кислородом бака окислителя 12 второй ступени РН через трубопровод 40 при открытых клапанах 41 и 22, при этом в конце заправки температура жидкого кислорода в месте расположения заборного устройства окислителя в баке 12 снижается до значения, обеспечивающего бескавитационный запуск насоса жидкого кислорода двигательной установки второй ступени РН.

Таким образом, предложенный способ позволяет существенно упростить технологию заправки жидким кислородом бака окислителя ракетной двигательной установки при снижении необходимых энергозатрат, а также позволяет увеличить массу выводимого РН полезного груза за счет возможности отказа от теплоизолирования большей части поверхности бака окислителя.

Формула изобретения

Способ заправки жидким кислородом бака окислителя ракетной двигательной установки, включающий заполнение бака жидким кислородом до заданного объема заправки и регулирование температуры жидкого кислорода в баке для получения ее заданного значения, обеспечивающего бескавитационный запуск насоса окислителя, отличающийся тем, что в начале заправки бак окислителя заполняют жидким кислородом с температурой, соответствующей температуре его кипения при нормальном атмосферном давлении в количестве, меньшем объема полной заправки бака на фиксированную расчетную величину, соответствующую количеству переохлажденного кислорода с заданной температурой переохлаждения, необходимому для подачи на днище бака для обеспечения локального снижения температуры жидкого кислорода на входе в расходную магистраль окислителя до значения, соответствующего бескавитационному запуску насоса окислителя, а регулирование температуры жидкого кислорода в баке проводят непосредственно перед стартом ракеты-носителя путем дозаправки бака переохлажденным жидким кислородом, подаваемым на нижнее днище бака и имеющим температуру переохлаждения, обеспечивающую после дозаправки указанное локальное снижение температуры жидкого кислорода.

РИСУНКИ

Рисунок 1