СПОСОБ ГАЗИФИКАЦИИ НЕВЫРАБАТЫВАЕМЫХ ОСТАТКОВ ЖИДКОГО КИСЛОРОДА И КЕРОСИНА В БАКАХ СТУПЕНИ РАКЕТЫ-НОСИТЕЛЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ Российский патент 2019 года по МПК B64D37/28 

Изобретение относится к ракетно-космической технике и может быть использовано для обеспечения взрывобезопасности отработавших ступеней (ОС) ракет-носителей (РН) с остатками жидких компонентов ракетного топлива (КРТ) в топливных баках после выключения маршевого жидкостного ракетного двигателя (ЖРД), а также для использования извлечённых энергетических ресурсов, находящихся в остатках КРТ, например, для реализации манёвра перевода верхних ОС на орбиты утилизации или управляемого спуска нижних ОС при их движении на траектории спуска в выбранную точку района падения.

Известен ряд технических решений по обеспечению взрывобезопасности ОС с ЖРД на основе газификации жидких остатков КРТ, т.е. превращением их в газовую фазу и их выброс через дренажные клапаны и дренажные магистрали, например, патент RU 2359876, МПК B64D37/28 «Способ очистки отделяющейся части ракеты от жидких токсичных остатков КРТ и устройство для его осуществления».

Прототипом предлагаемого способа является техническое решение по патенту РФ №2654235 МПК B64D 37/28 «Cпособ газификации невырабатываемых остатков жидкого кислорода и керосина в баках ступени РН», основанном на подаче теплоты в баки с остатками КРТ в жидкой и газообразной фазах, газа наддува, и утилизацию продуктов газификации, в бак окислителя (О) подают газ пропан из автономной ёмкости и осуществляют зажигание пропано-кислородной смеси, при этом количество пропана определяют из условия получения необходимого количества теплоты для полного испарения жидких остатков кислорода и, при достижении заданного давления в баке О, определяемого из условия обеспечения перетока необходимого количества продуктов газификации из бака О в бак горючего (Г), осуществляют совместную подачу смеси продуктов газификации из бака О и пропана из автономной ёмкости в бак Г, осуществляют зажигание этой смеси в баке Г, при этом количество смеси определяют из условия получения необходимого количества теплоты для полного испарения жидких остатков керосина, а оставшиеся продукты газификации в баке О утилизируют путём подачи в газореактивные сопла, и, по достижению заданного давления в баке Г, определяемого условиями прочности бака Г, утилизируют путём подачи в газореактивные сопла.

К основному недостатку этого технического решения относится следующее: при смешивании газа пропана с парогазовой смесью (ПГС) из бака О, которая имеет температуру ~ минус 180⁰С, возникают технические проблемы по нагреву получившейся смеси до температуры её зажигания, которая составляет ~ минус 40⁰С, что требует использования теплообменника со значительной мощностью, соответственно, габаритами, массой и стоимостью.

Целью предлагаемого технического решения является исключение указанных недостатков и повышение эффективности процесса газификации остатков КРТ (кислород и керосин), что достигается за счёт того, что в способе газификации невырабатываемых остатков жидкого кислорода и керосина в баках ОС РН после выключения маршевого ЖРД, основанном на подаче источника тепловой энергии из отдельной ёмкости в баки с остатками КРТ жидкой и газообразной фазах, газа наддува, и утилизацию продуктов газификации, определении необходимого количества тепловой энергии для испарения жидких остатков КРТ в каждом баке, вводят дополнительные действия:

– в качестве источника тепловой энергии выбирают перекись водорода (ПВ) и осуществляют разложение ПВ на каталитическом устройстве непосредственно в каждом баке, минимизируя нагрев стенок баков от струй продуктов разложения ПВ;

– осуществляют подмешивание парогазовой смеси с продуктами разложения ПВ, предусматривая возможность сжигания в баке Г паров керосина с кислородом, входящим в состав продуктов разложения ПВ.

Реализация способа

Сущность предлагаемого способа и устройства, их реализующих поясняются чертежами, где на фиг.1 приведена общая схема системы газификации остатков КРТ в баках О и Г; на фиг.2 приведены элементы системы газификации – инжекторный насос и система электрического зажигания.

Система газификации остатков КРТ в баках О и Г включает: 1 – маршевый ЖРД; 2 – бак О; 3 – бак Г; 4 – жидкие остатки керосина в состоянии газо-капельной смеси; 5 – жидкие остатки кислорода в состоянии газо-капельной смеси; 6, 7 –управляемые клапаны на магистралях 16, 17 подачи ПВ в баки О, Г; 8 – ёмкость с ПВ с мембранной системой подачи; 9, 10 – каталитические системы разложения ПВ в баках О, Г; 11 – инжекторный насос, обеспечивающий подачу ПГС из бака Г продуктов для их зажигания с помощью системы электрического зажигания 18 и горения в горелке 19, последующего догорания в факеле 20 бака Г; 12, 13 – газореактивные сопла сброса ПГС из баков О, Г, в дальнейшем будут использованы для стабилизации ОС в канале тангажа (рыскания); 14, 15 – управляемые клапаны сброса ПГС из баков О, Г в газореактивную систему стабилизации.

Система газификации работает следующим образом: после выключения ЖРД 1, в баках О 2, Г 3 жидкие остатки КРТ 4, 5 могут занимать случайные положения, в том числе и приведённые на фиг. 1. Открываются клапаны 6, 7 для подачи ПВ из ёмкости 8 через магистрали 16, 17 на каталитические системы разложения 9, 10, расположенные непосредственно в баках и ориентированные на подачу высокотемпературных продуктов разложения ПВ в объёмы баков О, Г, исключая нагрев стенок баков О, Г до максимально допустимых температур (~ 250⁰C) [кн. 1 Каргин Н.Т., Волоцуев В.В. Конструкция и проектирование изделий ракетно-космической техники. Часть 1. Конструирование изделий ракетно-космической техники. Электронное учебное пособие. — Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королева. — Самара, 2012. — 163 с.]. Система подачи ПГС с помощью инжекторного насоса 11 и системы электрического зажигания 18, горелки 19 в баке Г предусмотрена для возможности воспламенения и горения паров керосина по достижению соответствующей концентрации паров (свыше 8%) в присутствии открытого пламени [стр. 21 кн. Е.А. Коняев, М.Л. Немчиков, М.Г. Голубева Химмотология реактивных топлив. Учебное пособие. М.: МГТУ. ГА,2009. – 66 с.].

По достижению давления в баках О, Г, соответствующих расчётным для сброса ПГС, открываются регулируемые клапаны 14, 15 для сброса ПГС в газореактивные сопла 12, 13.

Необходимая масса ПВ для полного испарения жидких остатков кислорода , определяется из условия получения необходимого количества теплоты на испарение КРТ, т.к. нагрев остатков кислорода до температуры кипения не требуется (в баке О на момент выключения ЖРД кислород практически всегда находится в состоянии кипения) и необходимая масса ПВ определится из уравнения:

, (1)

где: – массовый секундный расход ПВ для бака О;

– текущее время подачи ПВ в бак О, 0<<_ox;

– удельная теплота парообразования кислорода [kJ/kg];

– удельная теплота разложения ПВ [kJ/kg].

При оценке затрат ПВ на испарение кислорода, необходимо также учитывать затраты теплоты на нагрев газа наддува гелия, находящегося в баке О.

Для получения верхней оценки необходимой массы ПВ для испарения керосина рассматривается вариант отсутствия процесса сжигания ПГС_г, при котором выделяет дополнительное количество теплоты. При оценке затрат ПВ на испарение керосина, необходимо учитывать также затраты теплоты на нагрев газа наддува гелия, находящегося в баке Г. Сжигание ПГС_г рассматривается для повышения эффективности процесса испарения, снижения запасов ПВ.

Для инженерных оценок примем независимость теплотехнических характеристик керосина и кислорода от давления и температуры.

Массы ПВ, необходимые для получения количества теплоты, необходимой для нагрева до температуры кипения и испарения жидких остатков керосина , определяются из уравнения:

, (2)

где: – массовый секундный расход ПВ для бака Г;

– текущее время подачи ПВ в бак Г, 0<< _ker;

– удельная теплота парообразования керосина, теплоёмкость, разница температур кипения и испарения керосина;

– удельная теплота продуктов разложения ПВ [kJ/kg].

Устройство для реализации способа

В качестве прототипа используется устройство, реализующее способ прототипа по патенту РФ №2654235, содержащее баки горючего и окислителя, соединительные магистрали низкого давления между баками O и Г, шар-баллон, соединённый магистралями с баками О и Г с управляющими клапанами и системой ввода и зажигания в баках О и Г.

В известное устройство для реализации способа, содержащее баки горючего и окислителя, шар-баллон с мембранной системой подачи, соединённый магистралями с баками О и Г с управляющими клапанами и системой ввода, согласно заявляемому техническому решению дополнительно введены системы каталитического разложения ПВ, которые расположенны на концах магистралей подачи ПВ внутри баков, и в баке Г установлен инжекторный насос и система электрического зажигания (на основе электрической искры).

Реализация устройства

На фиг.1, 2 представлена схема и элементы предлагаемого устройства: системы каталитического разложения 9,10 в баках О и Г. В баке Г система электрического зажигания 18 типа кухонной электрической зажигалки, горелка 19. Догорание ПГС осуществляется в факеле 20.

Составляющие устройства в настоящее время широко используются в ракетно-космической технике, шар-баллоны с мембранами, управляемые клапана, технология работ с ПВ являются отработанными и высоконадёжными, например, в РН семейства «Союз» ПВ с системой каталитического разложения используется для вращения турбонасосных агрегатов подачи КРТ в ЖРД.

Применение предлагаемого способа и устройства позволит обеспечить извлечение практически полностью неиспользуемые остатки КРТ в баках ОС и использовать их для:

а) обеспечения пожаровзывобезопасности ОС за счёт испарения жидких остатков КРТ и сброса ПГС из баков, тем самым позволяя снизить техногенное воздействие пусков РН на окружающую среду как на орбитах, так и в районах падения;

б) создания условий для повышения тактико-технических характеристик РН на основе использования извлечённой энергетики для манёвра ОС с использованием автономной бортовой системы увода на траектории спуска в заданную точку прицеливания.

В таблицах №1, 2 приведены пример реализации системы испарения на примере топливного бака отработавшего ускорителя первой ступени РН типа «Союз-2.1.в». Оценки массы конструкции системы испарения для исходных данных, приведённые в таблицах, показывают, что масса системы испарения вместе с ПВ не превышает 1,3% от массы «сухой» ОС.

Таблица №1 Исходные данные и результаты оценки

№
п/п Наименование параметра Бак О Бак Г 1 Масса невырабатываемых остатков, кг 717 404 2 Температуры жидких остатков КРТ, К 148 323 3 Масса остатков КРТ в газовой фазе, кг 72 2 4 Масса газа гелия в баке, кг 58 15 5 Температура газа наддува гелия, К 148 323 6 «Сухая» масса конструкции баков ОС, кг 6500 3520 7 Давление в баке, атм 2,7 2,4 8 Допустимое давление в баке Р_доп, атм 4.0 4.0 9 Давление, при котором закрывается клапан сброса, атм 1.5 1.5 10 Общая «сухая» масса ОС, кг 11200

Таблица № 2 Параметры системы испарения

№
п/п Наименование параметра, размерность Величина 1 Необходимое количество теплоты для нагрева гелия и остатков КРТ в баках О/Г, МДж 155/100 2 Массовый расход подачи ПВ в баки О/Г, кг/с 0,137/0,089 3 Масса перекиси водорода для баков О/Г, кг 68/44 4 Время функционирования системы испарения в баках О/Г, сек 500 5 Объем сферического бака для ПВ, (для R=0,28 м), м³ 0,09 6 Масса конструкции бака ПВ из АМГ-6 с выжимной мембранной, кг 6,7 7 Длина, диаметр и толщина трубопроводов, мм 1000/50/2 8 Масса управляющих клапанов, кг 3 9 Общая масса системы испарения кг 122,3 10 Относительная масса системы испарения в баках О, Г в сравнении с массой конструкции «сухой» ОС, % 1,3

Данное техническое решение создано в рамках выполнения научно-исследовательских работ по Госзаданию Минобрнауки от 31.05.2017 №9.1023.2017/ПЧ.

Изобретение относится к ракетно-космической технике. Способ газификации невырабатываемых остатков жидкого кислорода и керосина предусматривает подачу источника тепловой энергии из отдельной ёмкости (8) в баки (2, 3) с остатками компонентов топлива в жидкой (4, 5) и газообразной фазах, газа наддува, и утилизацию продуктов газификации, определение необходимого количества тепловой энергии для испарения жидких (4, 5) остатков КРТ в каждом баке (2, 3). В качестве источника тепловой энергии выбрана перекись водорода (ПВ) и её разложение осуществляют на каталитическом устройстве (10) непосредственно в каждом баке (2, 3). В способе также осуществляют подмешивание парогазовой смеси с продуктами разложения ПВ. Изобретение повышает эффективность процесса газификации остатков компонентов ракетного топлива. 2 н.п. ф-лы, 2 ил., 2 табл.

1. Способ газификации невырабатываемых остатков жидкого кислорода и керосина в баках ступени ракеты-носителя после выключения маршевого жидкостного ракетного двигателя, основанный на подаче источника тепловой энергии из отдельной ёмкости в баки с остатками компонентов топлива в жидкой и газообразной фазах, газа наддува, и утилизации продуктов газификации, определении необходимого количества тепловой энергии для испарения жидких остатков КРТ в каждом баке, отличающийся тем, что в качестве источника тепловой энергии выбирают перекись водорода (ПВ) и осуществляют разложение ПВ на каталитическом устройстве непосредственно в каждом баке, минимизируя нагрев стенок баков от струй продуктов разложения ПВ, предусматривая возможность сжигания в баке горючего паров керосина с кислородом, входящим в состав продуктов разложения ПВ, осуществляя подмешивание парогазовой смеси с продуктами разложения ПВ.

2. Устройство для реализации способа по п. 1, содержащее баки горючего (Г) и окислителя (О), шар-баллон с мембранной системой подачи, соединённый магистралями с баками О и Г с управляющими клапанами и системой ввода, отличающееся тем, что системы каталитического разложения ПВ установлены на концах магистралей подачи ПВ внутри баков, а в баке Г установлен инжекторный насос и система электрического зажигания.