СПОСОБ ЗАПРАВКИ ЖИДКИМ КИСЛОРОДОМ БАКА ОКИСЛИТЕЛЯ РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ Российский патент 2004 года по МПК B64G5/00 F17C6/00 

Изобретение относится к области ракетно-космической техники и может быть использовано при заправке жидким кислородом топливных баков ракетных двигательных установок, преимущественно баков окислителя первой, второй и третьей ступеней ракетно-космических систем (РКС).

Известен способ заправки жидким кислородом бака окислителя ракетно-космической системы, включающий заполнение бака жидким переохлажденным кислородом до заданного уровня заправки, с отводом в дренаж паров кислорода, и последующее термостатирование жидкого кислорода в баке окислителя (см. Ракетно-космический комплекс. "Космодром"/Под ред. проф. А.П.Вольского, - М.: МО СССР, 1977, с.267-271). В известном способе заправки термостатирование жидкого кислорода в баке окислителя, осуществляемое для компенсации внешних теплопритоков к кислороду при нахождении заправленной РКС на стартовой площадке, связано со значительными дополнительными затратами, с наличием дополнительного криогенного оборудования и увеличением времени проведения заправочных работ. Кроме того, в некоторых случаях на стартовой позиции может отсутствовать возможность термостатирования жидкого кислорода в баке РКС, что ограничивает возможности использования известного способа заправки.

Наиболее близким к предложенному является способ заправки жидким кислородом бака окислителя космического разгонного блока ракетно-космической системы, содержащей бортовые баллоны со сжатым гелием, включающий заполнение бака жидким переохлажденным кислородом до заданного уровня заправки и обеспечение равномерного поля заданной среднемассовой температуры (то есть выравнивание температуры) жидкого кислорода по высоте бака перед стартом РКС, согласно которому температуру переохлажденного кислорода на входе в бак окислителя поддерживают ниже значения заданной среднемассовой температуры жидкого кислорода в баке на величину прогрева заправленного в бак кислорода, а выравнивание температуры жидкого кислорода по высоте бака обеспечивают барботированием через кислород гелия, подаваемого от наземного источника сжатого гелия в нижнюю часть бака (патент РФ №2155147, кл. B 64 G 5/00, F 17 C 6/00, 1999).

Данный способ позволяет отказаться от термостатирования жидкого кислорода в баке окислителя, что упрощает процесс заправки и сокращает время проведения заправочных работ по сравнению с вышеназванным известным способом. Однако, использование переохлажденного кислорода при заправке бака окислителя связано с повышенными затратами, обусловленными необходимостью использования сложного и энергоемкого криогенного оборудования. Это наиболее существенно при заправке жидким кислородом больших баков окислителя, в частности, при заправке бака окислителя первой ступени РКС, вмещающего многие десятки тонн жидкого кислорода.

Использование переохлажденного кислорода также ставит ограничения по возможному времени стоянки заправленного изделия (РКС) до старта вследствие прогрева кислорода в баке.

Кроме того, использование жидкого переохлажденного кислорода связано с необходимостью теплоизолирования бака окислителя, что усложняет конструкцию бака, увеличивает его вес и снижает массу выводимого РКС полезного груза.

Задачей, решаемой изобретением, является снижение затрат при заправке жидким кислородом бака окислителя ракетно-космической системы, возможность увеличения времени стоянки заправленного изделия перед стартом и упрощение процесса заправки, а также увеличение массы выводимого полезного груза.

Решение поставленной задачи обеспечивается за счет того, что при заправке жидким кислородом бака окислителя ракетно-космической системы, содержащей бортовые баллоны со сжатым гелием, включающей заполнение бака окислителя жидким кислородом до заданного уровня заправки и обеспечение равномерного поля среднемассовой температуры жидкого кислорода по высоте бака окислителя путем барботирования через жидкий кислород гелия, подаваемого от наземного источника сжатого гелия, в соответствии с изобретением, заполнение бака окислителя осуществляют жидким непереохлажденным кислородом, при этом барботирование через жидкий кислород гелия, подаваемого от наземного источника гелия, совмещают с предстартовым наддувом бака окислителя, обеспечивая тем самым перед стартом ракетно-космической системы устойчивое циркуляционное движение жидкого кислорода по высоте бака окислителя, а непосредственно перед стартом ракетно-космической системы включают подачу гелия на барботирование через жидкий кислород от бортовых баллонов со сжатым гелием, расположенных на борту ракетно-космической системы, осуществляемую с расходом, достаточным для поддержания устойчивого циркуляционного движения жидкого кислорода в баке окислителя.

Совмещение операции барботирования через жидкий кислород гелия, подаваемого в бак окислителя РКС от наземного источника гелия для выравнивания температуры жидкого кислорода, с предстартовым наддувом бака окислителя, позволяет получить устойчивое циркуляционное движение жидкого кислорода по высоте бака в конце предстартового наддува бака непосредственно перед стартом РКС, а включение подачи гелия на барботирование через кислород от бортовых баллонов непосредственно перед стартом РКС обеспечивает поддержание циркуляционного движения жидкого кислорода и перемешивание кислорода в баке окислителя в процессе полета РКС. Это дает возможность использовать для заправки непереохлажденный кислород и исключить теплоизоляцию бака окислителя, поскольку циркуляция криогенной жидкости в баке позволяет предотвратить ее температурное расслоение от теплопритоков, вызванных аэродинамическим нагревом стенки бака при полете РКС, и ограничить в заданных пределах давление в баке, запас газа на наддув и величину тепловых остатков незабора топлива в баке. В свою очередь, возможность заправки бака окислителя жидким непереохлажденным кислородом с температурой, соответствующей температуре его кипения при атмосферном давлении, значительно снижает затраты и упрощает процесс заправки бака. Кроме того, возможность отказа от теплоизолирования бака окислителя позволяет существенно упростить конструкцию и снизить вес бака и увеличить массу выводимого РКС полезного груза.

Сущность предлагаемого способа заправки бака окислителя поясняется с помощью чертежа.

Ракетно-космическая система (ракета-носитель космического назначения) 1, установленная на заправочной площадке стартовой позиции космодрома, содержит вертикально расположенный нетеплоизолированный бак окислителя 2, например, бак окислителя первой ступени. Нижняя часть бака окислителя 2 бортовым трубопроводом заправки 3, содержащим клапан 4, и наземным трубопроводом заправки 5 подключена к криогенной заправочной емкости с жидким кислородом (не показана). К днищу бака окислителя 2 подключен также трубопровод 6 выдачи жидкого кислорода в двигатель (расходная магистраль окислителя), а в верхней части бака окислителя 2 имеется дренажный патрубок 7 с клапаном 8. В нижней части бака окислителя 2 размещены погружные бортовые баллоны высокого давления 9 для хранения сжатого гелия, соединенные патрубком 10 и клапаном 11с бортовым трубопроводом 12 подачи сжатого гелия от наземного источника сжатого гелия (не показан), содержащим автоматический обратный клапан 13. Вблизи днища бака окислителя 2 по центру бака установлен барботер 14, соединенный трубопроводом 15, содержащим расходную шайбу 16 и клапан 17, с бортовым трубопроводом 12 подачи сжатого гелия от наземного источника гелия. Барботер 14 играет роль коллектора предстартового наддува бака окислителя 2, при этом расходная шайба 16 задает номинальный расход гелия наддува на барботер 14, при котором в конце предстартового наддува бака в нем обеспечивается за счет барботажа гелия через кислород, устойчивое циркуляционное движение жидкого кислорода. Бортовые баллоны высокого давления 9 трубопроводом 18 с клапаном 19 подключены к теплообменнику жидкостного ракетного двигателя первой ступени РКС (не показан), выход которого трубопроводом 20, содержащим регулятор давления 21, соединен с коллектором наддува 22, расположенным в газовой полости бака окислителя 2. Бортовые баллоны высокого давления 9 подключены также к барботеру 14 с помощью трубопровода 23, содержащего клапан 24 и расходную шайбу 25. После заполнения их сжатым гелием от наземного источника гелия бортовые баллоны высокого давления 9 обеспечивают автономную подачу гелия по трубопроводу 23 на барботер 14, при этом расходная шайба 25 на трубопроводе 23 обеспечивает заданный расход гелия, достаточный для поддержания устойчивого циркуляционного движения жидкого кислорода в баке окислителя 2 после отключения от барботера наземного источника подачи гелия.

Заправка бака окислителя 2 осуществляется следующим образом. После захолаживания заправочной магистрали производится заполнение бака окислителя 2 жидким непереохлажденным кислородом с температурой, соответствующей температуре его кипения при атмосферном давлении, подаваемым в бак по бортовому трубопроводу заправки 3 через открытый клапан 4. Образующиеся пары кислорода отводятся из бака окислителя через дренажный патрубок 7. При заполнении жидким кислородом бака окислителя 2 включается также подача гелия от наземного источника сжатого гелия в бортовой трубопровод 12, содержащий автоматический обратный клапан 13, и открывается клапан 11 на патрубке 10 подачи сжатого гелия в бортовые баллоны высокого давления 9. После заполнения сжатым гелием бортовых баллонов высокого давления 9 закрывают клапан 11. По достижении заданного уровня заправки жидким кислородом бака окислителя 2 заполнение бака прекращается, а при последующей, осуществляемой согласно технологическому графику подготовки к пуску, стоянке РКС на заправочной площадке, производится дозированная подача в бак окислителя 2 жидкого кислорода по трубопроводу заправки 3, для поддержания заданного уровня жидкости в баке. Образующиеся за счет испарения от внешних теплопритоков пары кислорода отводятся из бака окислителя через дренажный трубопровод 7, что обеспечивает стабильное значение температуры жидкого кислорода в баке. За заданный, заранее установленный, промежуток времени до старта РКС отключают дозированную подачу жидкого кислорода в бак окислителя 2, закрывают клапан 8 на дренажном патрубке 7 и включают предстартовый наддув бака окислителя 2, для чего открывают клапан 17 на трубопроводе 15 подачи гелия от наземного источника сжатого гелия на барботер 14. Выходящий из барботера 14, установленного по центру бака окислителя, гелий проходит через жидкий кислород в газовую полость бака, обеспечивая повышение давления в баке. При этом гелий, барботируемый через жидкий кислород по центру бака окислителя с заданным расходом, задаваемым расходной шайбой 16, увлекает вверх жидкость в центральной зоне бака окислителя, что вызывает обратное движение вниз жидкости у стенки бака и возбуждает циркуляцию жидкости в баке. При этом устойчивый режим циркуляционного движения жидкого кислорода по высоте бака окислителя устанавливается через заданный, заранее установленный, промежуток времени, необходимый для выведения из статического состояния и приведения в установившееся постоянное движение всего объема жидкого кислорода в баке, масса которого может составлять десятки тонн. Непосредственно перед стартом ракетно-космической системы 1, перед отстыковкой бортового трубопровода 12 от наземного источника подачи сжатого гелия и закрытия автоматического обратного клапана 13, открывается клапан 24 на трубопроводе 23, включающий подачу гелия на барботер 14 от бортовых баллонов высокого давления 9, причем с помощью расходной шайбы 25 устанавливается "полетный" расход гелия на барботер 14, обеспечивающий поддержание устойчивого циркуляционного движения жидкого кислорода и его перемешивание в баке окислителя 2 при полете РКС. Вследствие этого, при прохождении ракетно-космической системой наиболее плотных слоев атмосферы, когда имеет место наибольший теплоприток к кислороду через нетеплоизолированную стенку бака окислителя 2, подвергающуюся аэродинамическому нагреву, циркуляционное движение жидкого кислорода обеспечивает выравнивание его температуры в объеме бака окислителя, предотвращая температурное расслоение этой криогенной жидкости по высоте бака и образование верхнего прогретого слоя жидкости, значительно снижающего эффективность использования РКС вследствие увеличения количества тепловых остатков незабора кислорода в баке окислителя и снижения массы выводимого полезного груза.

Таким образом, в предложенном способе заправки создание циркуляционного движения жидкого кислорода в баке окислителя при полете РКС, за счет барботирования через кислород гелия от наземного источника и бортовых баллонов РКС, позволяет уменьшить негативное воздействие на жидкий кислород поступающих в полете теплопритоков и ограничить до допустимых пределов величину тепловых остатков незабора кислорода в баке окислителя. При этом возможность использования непереохлажденного жидкого кислорода позволяет значительно снизить затраты и упростить процесс заправки бака окислителя ракетно-космической системы, а возможность использования нетеплоизолированного бака окислителя позволяет также упростить конструкцию и снизить вес бака, увеличив при этом массу выводимого РКС полезного груза.

Изобретение относится к ракетно-космической технике и может быть использовано в системах предстартовой заправки ступеней ракетно-космической системы. Предлагаемый способ включает заполнение бака окислителя жидким кислородом до заданного уровня и выравнивание температуры жидкого кислорода по высоте бака путем барботирования через жидкий кислород гелия. При этом заполняют бак непереохлажденным кислородом, а барботирование совмещают с предстартовым наддувом бака, подавая сжатый гелий из наземного источника. В ходе этого процесса организуют устойчивое циркуляционное движение жидкого кислорода по высоте бака. Непосредственно перед стартом включают подачу гелия для барботирования от бортовых баллонов со сжатым гелием. Причем устанавливают расход гелия достаточным для поддержания устойчивого циркуляционного движения жидкого кислорода в баке. Данные приемы уменьшают отрицательное воздействие на жидкий кислород различных теплопритоков при стоянке системы на старте и в полете. Технический результат изобретения состоит в упрощении технологии заправки, снижении энергозатрат на нее, а также в увеличении времени стоянки системы в заправленном состоянии и массы выводимого ею полезного груза. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ заправки жидким кислородом бака окислителя ракетно-космической системы, содержащей бортовые баллоны со сжатым гелием, включающий заполнение бака окислителя жидким кислородом до заданного уровня заправки и выравнивание температуры жидкого кислорода по высоте этого бака путем барботирования через жидкий кислород гелия, подаваемого из наземного источника сжатого гелия, отличающийся тем, что заполнение бака окислителя осуществляют непереохлажденным кислородом, при этом указанное барботирование совмещают с предстартовым наддувом бака окислителя, обеспечивая перед стартом ракетно-космической системы устойчивое циркуляционное движение жидкого кислорода по высоте данного бака, а непосредственно перед стартом включают подачу гелия для указанного барботирования от указанных бортовых баллонов со сжатым гелием.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что подачу гелия на барботирование через жидкий кислород от указанных бортовых баллонов осуществляют с расходом, достаточным для поддержания устойчивого указанного циркуляционного движения жидкого кислорода в баке окислителя.