СПОСОБ ЗАПРАВКИ ГЕЛИЕМ БОРТОВЫХ БАЛЛОНОВ РАКЕТ-НОСИТЕЛЕЙ И КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ И СИСТЕМА ЗАПРАВКИ ГЕЛИЕМ БОРТОВЫХ БАЛЛОНОВ РАКЕТ-НОСИТЕЛЕЙ И КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ Российский патент 2005 года по МПК F02K9/44 F17C5/04 

Предлагаемое изобретение относится к ракетно-космической технике, а точнее к заправке гелием бортовых баллонов ракет-носителей и космических аппаратов при проведении штатных работ на наземных стартовых комплексах.

Известны способ заполнения емкости сжатым газом согласно описанию изобретения RU 2133403 С1, кл. F 17 C 9/02, 5/06, 1999 г., способ сжатия газообразного гелия, осуществляемый аппаратом для сжатия газообразного гелия согласно описанию изобретения ЕР 0 436 084 А1, кл. F 17 C 5/06, F 17 C 13/02, F 25 B 9/00, F 25 B 41/04, 1990 г. и способ заправки гелием бортовых баллонов, осуществляемый системой газоснабжения согласно рис. 5.16 с. 192 книги "Космодром" под ред. проф. А.П.Вольского, Воениздат, М., 1977.

Известные способы заключаются в заполнении сжатым газом емкостей для различных объектов. Системы, осуществляющие известные способы, состоят из источников сжатого газа, связанных посредством коллекторов с установленными на них управляемой запорной арматурой с потребителем. Однако данные способы и системы заправки емкостей сжатым газом не обеспечивают заправку гелием бортовых баллонов ракет-носителей и космических аппаратов при проведении штатных работ на ракетно-космических комплексах с параметрами, необходимыми для решения данной технической задачи.

Известны также способ и установка для подачи гелия в несколько производственных линий согласно описанию изобретения ЕР 0 976 969 А1, кл. F 17 C 9/02, F 17 C 5/06, 1999 г. Известный способ заключается в подаче гелия в несколько производственных линий. Установка, осуществляющая известный способ, состоит из источника гелия, связанного посредством магистрали с резервуаром, соединенным посредством коллектора с установленной на нем управляемой запорно-регулировочной арматурой с потребителем.

Указанные способ и установка являются наиболее близкими к заявляемому техническому решению.

Однако известные способ и установка для подачи гелия в несколько производственных линий не обеспечивают заправку гелием бортовых баллонов ракет-носителей и космических аппаратов при проведении штатных работ на ракетно-космических комплексах с параметрами, необходимыми для решения данной технической задачи, заключающейся в охлаждении гелия в криостате до температуры вымораживания вредных примесей, фильтрации и последующем нагреве его до допустимой температуры для работоспособности уплотнительных элементов бортовых систем.

Задачей данного изобретения является заправка гелием бортовых баллонов ракет-носителей и космических аппаратов при проведении штатных работ с заданными параметрами на ракетно-космических комплексах.

Требуемый технический результат достигается тем, что в способе заправки гелием бортовых баллонов ракет-носителей и космических аппаратов, заключающемся в нагреве и заполнении полученным гелием бортовых баллонов, осуществляют охлаждение газообразного гелия в криостате до температуры вымораживания вредных примесей, фильтрацию и последующий нагрев его до допустимой температуры для работоспособности уплотнительных элементов бортовых систем, при этом контролируют давление на входе и выходе из криостата, далее осуществляют троекратное заполнение полученным гелием бортовых баллонов и их дренирование, после чего заполняют бортовые баллоны до рабочего давления, а в случае перепада давления на входе и выходе из криостата более 1 МПа криостат отключают и подключают второй криостат.

Для осуществления данного способа заправки гелием бортовых баллонов ракет-носителей и космических аппаратов предложена система заправки гелием бортовых баллонов ракет-носителей и космических аппаратов, состоящая из гелиевого ресивера, соединенного посредством магистрали с электронагревателем, связанным посредством коллектора с установленной на нем запорно-регулировочной арматурой с бортовыми баллонами, трубопровода с установленной на нем запорной арматурой и резервуара, снабженная азотным и дополнительным гелиевым ресиверами, не менее чем двумя криостатами, соединенными с электронагревателем, выполненным не менее чем с тремя змеевиками, и посредством трубопроводов с установленной на них запорной арматурой - с резервуаром, при этом каждый из гелиевых ресиверов соединен с одним из криостатов, один змеевик электронагревателя сообщает азотный ресивер с каждым из криостатов, а каждый из оставшихся змеевиков расположен между соответствующими криостатом и коллектором, снабженным обратным клапаном, причем коллекторы объединены в общий коллектор выдачи с установленной на нем запорной арматурой, а запорно-регулировочная арматура коллекторов выполнена в виде электропневмоклапанов, один из которых нормально открыт, а другой нормально закрыт, и между ними и общим коллектором выдачи установлены обратные клапаны.

Отличительные от прототипа признаки заключаются в том, что осуществляют охлаждение газообразного гелия в криостате до температуры вымораживания вредных примесей, фильтрацию и последующий нагрев его до допустимой температуры для работоспособности уплотнительных элементов бортовых систем, при этом контролируют давление на входе и выходе из криостата, далее осуществляют троекратное заполнение полученным гелием бортовых баллонов и их дренирование, после чего заполняют бортовые баллоны до рабочего давления, а в случае перепада давления на входе и выходе из криостата более 1 МПа криостат отключают и подключают второй криостат. Кроме того, система заправки гелием бортовых баллонов ракет-носителей и космических аппаратов снабжена азотным и дополнительным гелиевым ресиверами, не менее чем двумя криостатами, соединенными с электронагревателем, выполненным не менее чем с тремя змеевиками, и посредством трубопроводов с установленной на них запорной арматурой - с резервуаром, при этом каждый из гелиевых ресиверов соединен с одним из криостатов, один змеевик электронагревателя сообщает азотный ресивер с каждым из криостатов, а каждый из оставшихся змеевиков расположен между соответствующими криостатом и коллектором, снабженным обратным клапаном, причем коллекторы объединены в общий коллектор выдачи с установленной на нем запорной арматурой, а запорно-регулировочная арматура коллекторов выполнена в виде электропневмоклапанов, один из которых нормально открыт, а другой нормально закрыт и между ними и общим коллектором выдачи установлены обратные клапаны.

Авторам не известны технические решения с существенными признаками, приведенными в отличительной части формулы.

На фиг.1 изображена система, осуществляющая предлагаемый способ. На фиг.2 приведен график изменения температуры гелия в криостате. На фиг.3 приведен график изменения давления гелия в бортовых баллонах.

Система заправки гелием бортовых баллонов ракет-носителей и космических аппаратов состоит из гелиевого ресивера 1 (см. фиг.1), соединенного посредством магистрали 2 через газовый редуктор, дроссель и арматуру (на фиг.1 изображены без поз.) с электронагревателем 3, связанным посредством коллектора 4 с установленной на нем запорно-регулировочной арматурой 5 с бортовыми баллонами 6, трубопровода 7 с установленной на нем запорной арматурой 8 и резервуара 9, выполняющего функции хранилища жидкого азота, а также снабжена азотным 10 и дополнительным гелиевым 11 ресиверами, не менее чем двумя криостатами 12, 13, соединенными с электронагревателем 3, выполненным не менее чем с тремя змеевиками 14, 15, 16. Кроме того, криостаты 12, 13 соединены с резервуаром 9 (хранилище жидкого азота) посредством трубопроводов 7, 17 с установленной на них запорной арматурой 8, 18, а каждый из гелиевых ресиверов 1,11 соединен с одним из криостатов 12, 13 посредством магистралей 2, 19. Один из змеевиков 14 электронагревателя 3 сообщает азотный ресивер 10 посредством коллектора 20 с каждым из криостатов 12, 13, а каждый из оставшихся змеевиков 15, 16 расположен соответственно между криостатами 12, 13 и коллекторами 4, 21 с установленной на них запорно-регулировочной арматурой 5, 22 и снабженными обратными клапанами 23, 24. Коллекторы 4, 21 объединены в общий коллектор выдачи 25 с установленной на нем запорной арматурой 26 и дренажного клапана 27. Запорно- регулировочная арматура коллекторов 4, 21 выполнена в виде электропневмоклапанов (ЭПК), один из которых 5 нормально открыт, а другой 22 нормально закрыт, и между ними и общим коллектором выдачи 25 установлены обратные клапаны 23, 24.

Конкретный пример реализации предложенных способа и системы заправки гелием бортовых баллонов ракет-носителей (РН) и космических аппаратов (КА) рассмотрим при проведении работ на этапе подготовки к пуску РН с наземного стартового комплекса, например комплекса 17П32.

Для заправки гелием бортовых баллонов на этапе подготовки к пуску РН необходимо произвести очистку гелия от механических примесей, масла, влаги и других вредных примесей, для чего производят его охлаждение в криостатах, где происходит вымораживание вредных примесей и их выпадение на фильтрующих элементах. Предварительно криостаты 12, 13 заливают по трубопроводам 7, 17 с установленной на них арматурой 8, 18 жидким азотом с температурой порядка минус 196°С из хранилища жидкого азота 9 и затем гелий из гелиевых ресиверов 1, 11 поступает в криостаты 12, 13, где, охлаждаясь в жидком азоте до температуры, обеспечивающей вымораживание вредных примесей (не выше минус 150°С, см. фиг.2), очищается от примесей, которые задерживаются на фильтрующих элементах (температура на выходе из криостата примерно минус 45°С), и поступает в электронагреватель 3 для последующего нагрева. При заправке гелием бортовых баллонов работает попеременно каждый из криостатов. Первоначально при получении команды на начало заправки подключается криостат 12 и гелий из него подается в змеевик 15, где нагревается до температуры, обеспечивающей работоспособность уплотнительных элементов бортовых систем (примерно от минус 40°С до плюс 50°С), и по коллектору 4 через нормально открытый ЭПК 5 и обратный клапан 23 поступает в общий коллектор выдачи 25 до запорной арматуры 26. Далее производят троекратное "полоскание" бортовых баллонов полученным гелием для очистки от возможных загрязнений, для чего открытием ручной запорной арматуры 26 заполняют бортовые баллоны 6 (до давления 4 МПа, см. фиг.3), далее закрытием запорной арматуры 26 и открытием дренажного клапана 27 дренируют (до давления 1МПа). Троекратное "полоскание" с заданным давлением определено опытным путем при проведении заводских испытаний. После проведения "полоскания" запорная арматура 26 полностью открывается (дренажный клапан 27 закрыт) и бортовые баллоны заполняют гелием до заданного рабочего давления (не более 22 МПа). При этом контролируют давление на входе и выходе из криостата и в случае перепада давлений более 1 МПа отключают криостат 12 закрытием нормально-открытого ЭПК 5 и производят подключение второго криостата 13, для чего происходит открытие нормально-закрытого ЭПК 22 и гелий при тех же условиях, что и при работе с первым криостатом, через змеевик 16, коллектор 21, нормально-закрытый ЭПК 22, обратный клапан 24 и запорную арматуру 26 поступает в общий коллектор выдачи 25 и далее в бортовые баллоны 6.

Бортовые баллоны ракет-носителей и космических аппаратов заправляют газообразным гелием до заданного рабочего давления, например 21,5±0,5 МПа. Это значит, что давление гелия в бортовых баллонах 6 может находиться в пределах от 21 МПа (при нижнем допуске) до 22 МПа (при верхнем допуске). В ресиверах 1,11 (фиг.1) гелий хранится под давлением 40 МПа. Подача гелия в криостат 12 (13) осуществляется через газовый редуктор (на фиг.1 изображен без поз.), поддерживающий на выходе заданное давление 22,5 МПа. В каждом из криостатов 12 (13) (фиг.1), работающем поочередно, установлен фильтр с тонкостью фильтрации 20 мкм, который, очищая гелий от вредных примесей, постепенно засоряется, уменьшается его живое сечение, в результате чего гидравлическое сопротивление фильтра возрастает, повышается разность давлений на входе и выходе из криостата. Многочисленные опыты показывают, что в начале работы при незасоренном фильтре его гидравлическое сопротивление составляет ˜ 0,5 МПа, а в конце работы при засоренном фильтре его гидравлическое сопротивление достигает 1 МПа и более. Что касается гидравлических сопротивлений гелиевой коммуникации от газового редуктора до входа в бортовые баллоны (фиг.1), то, как показали опыты, они пренебрежимо малы, так как при указанных выше давлениях расход гелия при заправке составляет порядка 20 г/с.

Таким образом, определяющим является гидравлическое сопротивление фильтра ΔР_ф, находящееся в диапазоне 0,5≤ΔР_ф≤1,0 МПа. При этом давление на входе в бортовые баллоны составляет:

- при незасоренном фильтре (в начале работы) Р_бб=Р_ред-ΔР_ф=22,5-0,5=22 МПа,

где Р_бб - давление на входе в бортовые баллоны, МПа;

Р_ред - давление на выходе из газового редуктора, МПа;

ΔР_ф - гидравлическое сопротивление фильтра, МПа.

Аналогично при засоренном фильтре в конце работы Р_бб=22,5-1,0=21,5 МПа. Отсюда видно, что обеспечивается требуемый диапазон давлений 21,0...22,0 МПа на входе в бортовые баллоны и технический результат изобретения достигается на всем протяжении интервала перепада давления на фильтре 0,5≤ΔР_ф≤1,0 МПа.

При достижении перепада давления на фильтре ΔР_ф>1,0 МПа, свидетельствующего о его полном засорении, криостат отключают и подключают второй криостат. При этом отключение одного и подключение другого криостата производится оператором вручную сугубо по визуальным показаниям давления на манометрах, установленных до и после каждого криостата. При несвоевременном переключении оператором одного криостата на другой (ΔР_Δ>1,0 МПа) возможны дополнительные потери давления при полностью засоренном фильтре до 0,5 МПа, которые также учтены в диапазоне рабочего давления гелия (21,0...22,0 МПа), подаваемого в бортовые баллоны. Кроме того, при засорении фильтра криостата происходит значительное падение расхода гелия при заправке (≪20 г/с), что недопустимо. Засорение отключенного криостата устраняется при его регенерации, после чего он вновь готов к работе. Итак, криостаты работают поочередно до полного достижения технического результата с заданными параметрами.

По окончании заправки гелием бортовых баллонов выдается команда на закрытие ЭПК. Далее после прекращения работы криостатов для проведения их регенерации производятся отключение криостатов от гелиевых ресиверов, дренирование оставшегося гелия, слив жидкого азота и подача подогретого азота низкого давления. Для этого из азотного ресивера 10 по коллектору 20 в змеевик 14 электронагревателя 3 подается азот низкого давления, который нагревается и поступает в криостаты 12, 13 для их отмораживания и дальнейшей регенерации.

Преимущество заявленных способа и системы заправки гелием бортовых баллонов РН и КА заключается в том, что до начала подачи гелия потребителю происходит его очистка от всевозможных примесей путем охлаждения, фильтрации и последующего нагрева. Использование предложенных технических решений в зависимости от типа и класса РН позволяет обеспечить как заправку гелием "погруженных" (в жидкий кислород) бортовых баллонов, для чего достаточно исключить применение электронагревателя, так и подачу гелия с любой температурой, необходимой для работы бортовой аппаратуры.

Кроме того, нагрев гелия после криостатов до температуры, обеспечивающей работоспособность уплотнительных элементов бортовых систем, дает следующие основные преимущества:

- исключает применение дорогостоящих морозостойких материалов, необходимых для изготовления специальных стыковочных с бортом РН приспособлений;

- исключает применение разного рода изоляционных материалов для предотвращения теплопотерь в коллекторах;

- упрощает конструкцию узлов стыковки с бортом РН за счет использования элементарных резино-технических уплотнений, работающих при температуре не ниже минус 40°С.

Применяемые в промышленности приспособления для тонкой очистки гелия ведут к значительному удорожанию наземного оборудования на современных ракетно-космических комплексах за счет строительства специальных очистных сооружений, содержащих дорогостоящее оборудование (емкости с жидким азотом и адсорбентами, хроматографы и т.д.).

Таким образом, предлагаемые способ и система заправки гелием бортовых баллонов РН и КА позволяют не только обеспечить потребителя гелием высокой степени очистки, но и в значительной мере упростить конструкции узлов стыковки, сократить стоимость наземного оборудования за счет применения менее дорогостоящих материалов и полного исключения изоляции трубопроводов на наземных ракетно-космических комплексах.

В настоящее время способ и система заправки гелием бортовых баллонов РН и КА прошли заводские испытания и в дальнейшем предполагается их использование на наземных стартовых комплексах космодромов "Байконур" и "Плесецк".

Источники информации

1. Космодром. Под общей редакцией А.П.Вольского. М., Воениздат, 1977, с.191-192, рис. 5.16 - аналог.

2. М.С.Штехер. Топлива и рабочие тела ракетных двигателей. М., Машинстроение, 1976, с.273-274.

3. Е.И.Микулин. Криогенная техника, М., Машиностроение. 1969, с.207-231.

4. ЕР 0 976 969 А1, F 17 C 9/02, 5/06. 1999 г. Способ и установка для подачи гелия в несколько производственных линий (прототип).

5. RU 2133403 С1, F 17 C 9/02, 5/06, 1999 г. Способ заполнения емкости сжатым газом (аналог).

6. ЕР 0436084 А1, F 17 C 5/06, F 17 C 13/02, F 25 B 9/00, F 25 B 41/04, 1990 г. Аппарат для сжатия газообразного гелия (аналог).

7. WO 138780 А1, F 17 C 7/04, F 17 C 13/02, F 17 D 3/01, 2000 г. Способ и система для выпуска газа из нескольких сосудов.

8. RU 000218330100, 7 F 17 C 3/08, 2000 г. Устройство для хранения и подачи криогенных продуктов.

9. FR 2794843, 7 F 17 C 13/00, F 17 C 3/00, G 05 D 16/20, 1999 г. Устройство регулирования давления для криогенного сосуда и система подачи текучего вещества с данным устройством.

10. FR 2734341, F 17 C 7/00, 1995 г. Установка для снабжения газом под низким давлением.

11. WO 85/02244, F 17 C 5/00, 1985 г. Способ и устройство заполнения контейнера газом.

12. WO 92/20956, F 17 C 13/04, G 05 D 16/06, B 01 D 53/22, 1992 г. Система газоснабжения.

13. US 4961325, F 17 C 7/04, 1990 г. Система подачи газа высокого давления.

14. ЕР 0416630 В2, F 17 C 7/04, F 17 C 9/02. 1998 г. Система газоснабжения высокого давления.

15. WO 95/00800, F 17 C 5/00, G 07 F 17/06, 1995 г. Аппарат для заполнения баллонов дозированным количеством газа.

16. ЕР 0124405 В1, F 17 C 7/00, F 17 C 13/04, 1987 г. Устройство для подачи в трубопровод текучего вещества под определенным давлением из двух баллонов.

17. ЕР 0099037 А1, F 17 C 9/02, F 17 C 7/04, 1983 г. Способ и устройство для снабжения сжатым газом.

18. RU 2116584 С1, 6 F 25 B 1/00, F 17 D 1/07, F 25 B 30/00. Система охлаждения сжатого газа на компрессорной станции магистрального газопровода.

Способ заправки гелием бортовых баллонов ракет-носителей и космических аппаратов заключается в том, что осуществляют охлаждение газообразного гелия в криостате до температуры вымораживания вредных примесей. Затем гелий фильтруют, после чего нагревают до допустимой температуры для работоспособности уплотнительных элементов бортовых систем. При этом осуществляют контроль давления на входе и выходе из криостата. Далее осуществляют троекратное заполнение полученным гелием бортовых баллонов и их дренирование, после чего заполняют бортовые баллоны до рабочего давления. В случае перепада давления на входе и выходе из криостата более 1 МПа криостат отключают и подключают второй криостат. Указанный способ осуществляется системой заправки гелием бортовых баллонов, которая состоит из гелиевого ресивера, соединенного посредством магистрали с электронагревателем, трубопровода, резервуара, азотного и дополнительного гелиевого ресивера, а также не менее чем из двух криостатов, соединенных с электронагревателем. Каждый из гелиевых ресиверов соединен с одним из криостатов и посредством трубопроводов с установленной на них запорной арматурой с резервуаром. Электронагреватель, выполненный не менее чем с тремя змеевиками, связан посредством коллектора с установленной на нем запорно-регулировочной арматурой с бортовыми баллонами. Один змеевик электронагревателя сообщает азотный ресивер с каждым из криостатов. Каждый из оставшихся змеевиков расположен между соответствующим криостатом и коллектором. Каждый коллектор снабжен обратным клапаном, причем коллекторы объединены в общий коллектор выдачи с установленной на нем запорной арматурой. Запорно-регулировочная арматура коллекторов выполнена в виде электропневмоклапанов, один из которых нормально открыт, а другой нормально закрыт. Между коллекторами и общим коллектором выдачи установлены обратные клапаны. Изобретение позволяет исключить применение дорогостоящих морозостойких материалов для изготовления стыковочных приспособлений с бортом ракет-носителей, упростить их конструкцию, а также исключить применение изоляционных материалов для предотвращения теплопотерь в коллекторах. 2 н.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ заправки гелием бортовых баллонов ракет-носителей и космических аппаратов, заключающийся в нагреве и заполнении полученным гелием бортовых баллонов, отличающийся тем, что осуществляют охлаждение газообразного гелия в криостате до температуры вымораживания вредных примесей, фильтрацию и последующий нагрев его до допустимой температуры для работоспособности уплотнительных элементов бортовых систем, при этом контролируют давление на входе и выходе из криостата, далее осуществляют троекратное заполнение полученным гелием бортовых баллонов и их дренирование, после чего заполняют бортовые баллоны до рабочего давления, а в случае перепада давления на входе и выходе из криостата более 1 МПа криостат отключают и подключают второй криостат.2. Система заправки гелием бортовых баллонов ракет-носителей и космических аппаратов, состоящая из гелиевого ресивера, соединенного посредством магистрали с электронагревателем, связанным посредством коллектора с установленной на нем запорно-регулировочной арматурой с бортовыми баллонами, трубопровода с установленной на нем запорной арматурой и резервуара, отличающаяся тем, что она снабжена азотным и дополнительным гелиевым ресиверами, не менее чем двумя криостатами, соединенными с электронагревателем, выполненным не менее чем с тремя змеевиками, и посредством трубопроводов с установленной на них запорной арматурой с резервуаром, при этом каждый из гелиевых ресиверов соединен с одним из криостатов, один змеевик электронагревателя сообщает азотный ресивер с каждым из криостатов, а каждый из оставшихся змеевиков расположен между соответствующими криостатом и коллектором, снабженным обратным клапаном, причем коллекторы объединены в общий коллектор выдачи с установленной на нем запорной арматурой, а запорно-регулировочная арматура коллекторов выполнена в виде электропневмоклапанов, один из которых нормально открыт, а другой нормально закрыт, и между ними и общим коллектором выдачи установлены обратные клапаны.