СПОСОБ ЗАПРАВКИ ДВИГАТЕЛЬНЫХ УСТАНОВОК КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА КСЕНОНОМ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ Российский патент 2006 года по МПК B64G1/40 B64G5/00 B64D37/30 

Предлагаемое изобретение относится к области машиностроения, преимущественно к области средств перекачки и заправки газами большой плотности емкостей, и предназначено для заправки баков двигательных установок космических аппаратов ксеноном.

Известен способ заправки газом емкостей методом «перетекания» из заправочной емкости в заправляемую за счет разности давлений в заправочной и заправляемой емкостях.

Известны способ и устройство для заправки ксеноном баков ДУ КА с использованием компрессора, система заправки ксеноном 14Г121 заправочной станции 11Г12 космодрома «Байконура».

Известен способ заправки криогенным топливом летательного аппарата, который заключается в том, что в заправляемом баке поддерживают рабочее давление, при котором происходит перетекание жидкого криогенного топлива из заправочной емкости в заправляемый бак, а дозаправку производят с помощью насоса по а.с. 1805618, МПК В 64 D 37/30, который выбран в качестве прототипа способа.

Известны системы заправки криогенными компонентами топлива, которые содержат устройства, обеспечивающие весь технологический процесс заправки. Указанная система описана в книге "Космодром" (Военное издательство Министерства обороны СССР, Москва, 1977 г., стр.158). Ha рис.5.2 изображена принципиальная схема заправки РКС криогенными компонентами топлива, которая выбрана в качестве прототипа устройства.

Известные способы заправки и устройства для их реализации имеют следующие основные недостатки:

- применение компрессора (насоса) повышает опасность ухудшения качества ксенона из-за возможности попадания продуктов смазки элементов компрессора (насоса);

- устройства, основанные на методе «перетекания», не обеспечивают полное извлечение ксенона из заправочной емкости, где остается до 30% первоначально содержащегося ксенона, что недопустимо при работе с редкими дорогостоящими газами.

Целью предлагаемого изобретения является повышение качества заправки и экономии ксенона.

Поставленная цель достигается тем, что заправку производят при температуре ниже температуры конденсации компонента до выравнивания давления в заправочном и заправляемом баках до давления насыщенного пара ксенона, после чего дозаправку продолжают в режиме перекачивания ксенона из заправочного бака в заправляемый.

Поставленная цель достигается новым устройством, а именно тем, что на заправочной магистрали последовательно установлены два обратных клапана, между которыми расположена емкость (аккумулятор давления), выполненная в виде двух полостей, разделенных между собой мембраной, одна полость подключена к заправочной магистрали между обратными клапанами, другая полость подключена к источнику давления, а между обратным клапаном и заправляемым баком установлен теплообменник, снабженный холодильным агрегатом. Кроме того, на участке заправочной магистрали между заправочным баком и аккумулятором давления установлен дроссель, а на магистрали, связывающей полость аккумулятора давления с источником давления, установлен электропневмоклапан, связанный с сигнализатором давления и сигнализатором спада давления. Заправляемый бак установлен на весах в термостатируемом контейнере, который связан через дроссель с источником давления. На заправочной магистрали дополнительно установлены две пары обратных клапанов, одна из которых установлена параллельно двум однонаправленным обратным клапанам по п.1, а другая пара клапанов установлена параллельно друг другу между заправляемым баком и теплообменником.

Суть предлагаемого изобретения поясняется чертежом, где изображена общая схема предлагаемого устройства.

Позиционно эта схема представляет собой следующее содержание: 1 - заправляемый бак, 2 - заправочная магистраль, 3 - насос вакуумный, 4, 5, 6, 7, 8 - вентили, 9 - вентиль заправляемого бака, 10 - вентиль, 11, 12, 13 - регистраторы давления, 14 - дроссель, 15 - электропневмоклапан, 16, 26 - полости аккумулятора давления, 17 - аккумулятор давления (емкость), 18 - заправочный бак, 19, 20, 21 - обратные клапаны, 22 - вентиль, 23 - теплообменник, 24 - холодильный агрегат, 25 - фильтр, 27 - мембрана, 28 - весы для установки контейнера, 29 - сигнализатор давления, 30 - дроссель, 31 - термостатируемый контейнер для заправляемого бака, 32, 33, 34 - обратные клапаны, 35 - фильтр, 36 - сигнализатор спада давления.

Суть способа заключается в том, что заправка бака производится газом с промежуточным переводом заправляемого ксенона в жидкую фазу, обеспечивая достижение большей плотности, что увеличивает энерговооруженность космического аппарата.

В предлагаемом устройстве на заправочной магистрали 2 между заправочным баком 18 и заправляемым баком 1 установлены последовательно два обратных клапана 19 и 20, образующих контур однонаправленного движения ксенона от емкости выдачи ксенона 18 к заправляемому баку 1, а между ними подключен аккумулятор давления 17, выполненный в виде емкости, разделенной мембраной 27 на две полости 16 и 26, одна из которых 26 подключена к заправочной магистрали 2 ксенона между обратными клапанами 19 и 20, а другая полость 16 подключена к источнику избыточного давления воздуха, создающему давление, обеспечивающее выдачу ксенона из полости 26 аккумулятора давления 17 в заправляемый бак 1. То есть давление ксенона, создаваемое источником избыточного давления воздуха в полости 26, при очередном цикле выдачи дозы ксенона должно быть больше установившегося давления ксенона в заправляемом баке 1 после предыдущей выдачи дозы ксенона в заправляемый бак 1.

Кроме того, с целью улучшения эксплуатационных свойств за счет плавного изменения давления и обеспечения постоянного расхода ксенона при очередном наполнении полости 26 аккумулятора давления 17 из заправочного бака 18, устройство дополнительно снабжено дросселем 30, установленным между заправочным баком 18 и обратным клапаном 19.

С целью упрощения устройства за счет снижения давления заправки, связанного с понижением температуры заправляемого газа и перевода ксенона в жидкую фазу, оно снабжено теплообменником 23 с подключенным к нему холодильным агрегатом 24. Теплообменник 23 включен в заправочную магистраль 2 между обратным клапаном 20 и заправляемым баком 1.

С целью снижения давления заправки в устройство дополнительно введен термостатируемый контейнер 31, в который устанавливают заправляемый бак 1.

С целью упрощения устройства охлаждение заправляемого бака 1 в контейнере 31 осуществляется за счет дросселирования воздуха через дроссель 14 от источника избыточного давления воздуха.

Необходимость экономить дорогостоящий ксенон ставит цель использовать его повторно, то есть необходимо перекачать ксенон из заправляемого бака 1 в заправочный бак 18, как, например, это бывает в случае несостоявшегося запуска космического аппарата. Для этой цели предусмотрено введение двух пар обратных клапанов 32, 33 и 21, 34. Первая пара обратных клапанов 32 и 33 установлена последовательно и образует контур однонаправленного движения газа от заправляемого бака 1 к емкости выдачи ксенона 18. Эта пара обратных клапанов 32 и 34 установлена параллельно обратным клапанам 19 и 20. Вторая пара обратных клапанов 21 и 34 установлена между обратными клапанами 20, 33 и заправляемым баком 1, причем эти обратные клапаны 21, 34 противоположного действия смонтированы параллельно друг другу.

Чтобы сохранить чистоту газа как заправляемого в бак 1, так и удаляемого из бака 1, в устройство дополнительно введены фильтры 25, 35, причем они установлены по потоку перед каждым из обратных клапанов 21, 34.

На приведенном чертеже изображена схема предлагаемого устройства, для удобства показанного состыкованным с заправочным баком 18 и заправляемым баком 1.

Работа по заправке бака 1 осуществляется в следующей последовательности.

Вначале вакуумируют заправляемый бак 1 и заправочную магистраль 2 с использованием вакуумного насоса 3 до требуемого остаточного давления при открытых вентилях 4, 5, 6, 7, 8, 22, при закрытом вентиле 9 заправочного бака 19 и закрытым вентиле 10 дренажной магистрали. По окончании вакуумирования осуществляют контроль по регистраторам давления 11, 12 и 13, а дальше перекрывают вентили 6, 7 и 8. От источника избыточного давления подают воздух через дроссель 14 для захолаживания заправляемого бака 1, после чего подают команду электропневмоклапану 15 для сообщения воздушной полости 16 аккумулятора давления 17 с дренажом (атмосферой). Открыв вентиль 9, сообщают заправочный бак 18 через обратные клапаны 19, 20 и 21, открытые вентили 4, 5, 22 с заправляемым баком 1. Газ проходит через теплообменник 23, сообщенный с холодильным агрегатом 24, где переходит в жидкую фазу.

Заправляемый ксенон через фильтр 25, обратные клапаны 19, 20 и 21, вентиль 22 перетекает в заправляемый бак 1 за счет разности давлений в заправочном баке 18 и заправляемом баке 1. Ксенон заполняет полость 26 аккумулятора давления 17 и герметичная мембрана 27 аккумулятора давления 17 перемещается в «нижнее» положение за счет разности давлений в полостях 26 и 16 аккумулятора давления 17. Приращение массы ксенона в заправляемом баке 1 контролируют по весам 28, на которых установлен заправляемый бак 1, находящийся в термостатируемом контейнере 31.

При выравнивании давлений в заправочном и заправляемом баках происходит прекращение прироста массы ксенона, электропневмоклапану подается команда на закрытие дренажа и подачу воздуха в полость 16 аккумулятора давления 17.

При достижении давления воздуха, обеспечивающего выдачу ксенона из полости 26 аккумулятора давления 17 через вентиль 5 и обратный клапан 20 в заправляемый бак 1, герметичная мембрана 27 перемещается в «верхнее» положение, сигнализатор давления 29 дает команду электропневмоклапану 15 на закрытие магистрали подачи воздуха в воздушную полость 16 аккумулятора давления 17 и открытие магистрали дренажа воздуха из воздушной полости 16 аккумулятора давления 17.

При достижении атмосферного давления воздуха в воздушной полости 16 аккумулятора давления 17 сигнализатор спада давления 36 дает команду электропневмоклапану 15 на закрытие дренажа и подачу воздуха в воздушную полость 16 аккумулятора давления 17.

Цикл работы аккумулятора давления 17 повторяется до заполнения заправляемого бака 1 необходимым количеством ксенона, после чего закрывают вентиль 22. Для перевода ксенона из жидкого состояния в газообразное производят нагрев заправляемого бака и в таком состоянии поставляют в космический аппарат.

Из известных авторам источников патентных и информационных материалов не известна совокупность признаков заявляемых объектов, поэтому заявитель склонен считать техническое решение, отвечающее признакам новизны.

Настоящее техническое решение опробовано на предприятии и предполагается его использование при заправке ближайшего штатного изделия.

Изобретение относится к средствам заправки газами большой плотности, преимущественно емкостей двигательных установок космических аппаратов. Предлагаемый способ состоит в поддержании в заправляемом баке давления, при котором происходит перетекание ксенона из заправочного бака в заправляемый. После выравнивания давлений в заправочном и заправляемом баках производят дозаправку при температуре ниже критической, в режиме перекачивания и с контролем дозы заправки. Перед установкой заправляемого бака на космический аппарат сжиженный ксенон путем нагрева переводят в газообразное состояние. В предлагаемом устройстве на заправочной магистрали последовательно установлены два обратных клапана, между которыми расположен аккумулятор давления. Последний выполнен в виде емкости, разделенной на две полости мембраной. Одна из полостей связана с источником давления, а другая - с заправочной магистралью между указанными обратными клапанами. Технический результат изобретения состоит в повышении качества заправки за счет более плотного заполнения заправляемого бака, в возможности сохранения топлива в случае отмены запуска космического аппарата, что приводит в результате к снижению стоимости запуска. 2 н. и 5 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ заправки двигательных установок космического аппарата ксеноном, заключающийся в поддержании в заправляемом баке давления, при котором происходит перетекание ксенона из заправочного бака в заправляемый бак, и последующей дозаправке, отличающийся тем, что после выравнивания давлений в заправочном и заправляемом баках производят дозаправку при температуре ниже критической, в режиме перекачивания с контролем дозы заправки, а перед установкой заправляемого бака на космический аппарат сжиженный ксенон путем нагрева переводят в газообразное состояние.2. Устройство для заправки двигательных установок космического аппарата ксеноном, содержащее заправочный бак, соединенный заправочной магистралью с заправляемым баком, отличающееся тем, что на заправочной магистрали установлены последовательно два однонаправленных обратных клапана, между которыми расположен аккумулятор давления, выполненный в виде емкости, состоящей из двух полостей, разделенных между собой мембраной, одна из которых связана с источником давления, а другая - с заправочной магистралью между указанными обратными клапанами.3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что на заправочной магистрали между обратным клапаном и заправляемым баком установлен теплообменник, снабженный холодильным агрегатом.4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что в магистраль, соединяющую полость аккумулятора давления с источником давления, установлен электропневмоклапан, связанный с сигнализатором давления и сигнализатором спада давления.5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что в магистраль, соединяющую заправочный бак и аккумулятор давления, установлен дроссель.6. Устройство по п.5, отличающееся тем, что заправляемый бак установлен на весах в термостатируемом контейнере, который связан через дроссель с источником давления.7. Устройство по п.6, отличающееся тем, что в состав заправочной магистрали дополнительно введены две пары обратных клапанов, одна из которых установлена параллельно, но с противоположным действием двум указанным однонаправленным обратным клапанам, а обратные клапаны другой пары установлены параллельно и с противоположным действием друг другу между заправляемым баком и теплообменником.