СПОСОБ ЗАПРАВКИ ЖИДКИМ КИСЛОРОДОМ БАКОВ ОКИСЛИТЕЛЯ РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ (ВАРИАНТЫ)
METHOD OF FILLING SPACE ROCKET SYSTEM OXIDISER TANKS WITH LIQUID OXYGEN

жк
Изобретение относится к области ракетно-космической техники и может быть использовано на стартовом комплексе ракетно-космической системы (РКС), включающей многоступенчатую ракету-носитель (РН) и космический разгонный блок (РБ), при заправке криогенными компонентами ракетного топлива кипящим кислородом и переохлажденным кислородом баков окислителя двигательных установок РН и РБ соответственно. Переохлажденным кислородом является кислород, охлажденный до температуры на десять и более градусов ниже, чем температура кипения кислорода при атмосферном давлении (Т<<90 K).
При заправке ракетно-космической системы (РКС) на стартовом комплексе, имеющем башню обслуживания и кабель-заправочную мачту, заправка топливных баков РН и РБ проводится с помощью этих устройств и не требует дополнительного заправочного оборудования (см. «Ракетно-космический комплекс. Космодром», под ред. проф. А.П.Вольского, изд. МО СССР, 1977, с.93, 124, 127 рис.4.24).
При отсутствии на стартовом комплексе башни обслуживания и кабель-заправочной мачты заправка баков РН и РБ осуществляется по отдельным заправочно-сливным магистралям (ЗСМ), проложенным по борту РКС и входящим в ее состав (см. А.А.Козлов, В.Н.Новиков, Е.В.Васильев «Системы питания и управления жидкостных ракетных двигательных установок», М., Машиностроение, 1988, с.305, рис.4.26).
Использование двух заправочно-сливных магистралей с теплоизоляцией особенно актуально в случае, когда в РКС используется жидкий кислород на различном температурном уровне: баки окислителя РН заправляются кипящим кислородом, а бак окислителя РБ - переохлажденным.
Наличие в составе РКС этих двух теплоизолированных ЗСМ, имеющих значительную протяженность и соответствующие массовые характеристики, снижает массу выводимого полезного груза и усложняет конструкцию ракетно-космической системы.
Задачей, решаемой изобретением, является увеличение массы полезного груза ракетно-космической системы, а также снижение потерь жидкого кислорода при заправке и упрощение конструкции за счет обеспечения возможности использования одной и той же магистрали для заправки верхней ступени ракеты-носителя кипящим кислородом и РБ переохлажденным.
Эта задача решается тем, что в «Способе заправки жидким кислородом баков окислителя ракетно-космической системы (варианты)», по первому варианту, включающем заполнение кипящим кислородом баков окислителя ракеты-носителя и заполнение переохлажденным кислородом бака окислителя космического разгонного блока, с использованием бортовых заправочно-сливных магистралей, заправку бака окислителя разгонного блока переохлажденным кислородом с получением минимальной его температуры на момент старта ракеты-носителя и заправку бака окислителя верхней ступени ракеты-носителя кипящим кислородом проводят по единой бортовой заправочно-сливной магистрали, при любом порядке подачи кипящего - в ракету-носитель, а охлажденного - в разгонный блок, причем если вначале проводят заправку кипящим кислородом баков окислителя ракеты-носителя, при заполнении бака окислителя верхней ступени которой до первого заданного промежуточного уровня начинают подачу в заправочно-сливную магистраль переохлажденного кислорода, который вытесняет в бак окислителя верхней ступени ракеты-носителя до срабатывания второго заданного промежуточного уровня весь объем кипящего кислорода, находящегося в заправочно-сливной магистрали, при этом объем между промежуточными уровнями в баке ракеты-носителя равен объему магистрали между клапаном подачи охлажденного кислорода в заправочно-сливной магистрали и баком, после чего этот бак герметизируют и проводят подачу переохлажденного кислорода в бак окислителя разгонного блока до достижения минимального заданного уровня его заправки, после этого начинают подачу в заправочно-сливную магистраль кипящего кислорода, а при достижении в баке окислителя разгонного блока номинального заданного уровня заправки переохлажденного кислорода, при этом объем между уровнями (минимальным и номинальным) равен объему магистрали между клапаном подачи кипящего кислорода в заправочно-сливной магистрали и баком разгонного блока, бак окислителя разгонного блока герметизируют и далее проводят дозаправку бака окислителя верхней ступени ракеты-носителя кипящим кислородом до его номинального уровня заправки.
Эта задача решается также в способе по второму варианту, включающем заполнение кипящим кислородом баков окислителя ракеты-носителя и заполнение переохлажденным кислородом бака окислителя космического разгонного блока, с использованием бортовых заправочно-сливных магистралей, заправку бака окислителя разгонного блока переохлажденным кислородом с получением необходимой его температуры на момент старта ракеты-носителя и заправку бака окислителя верхней ступени ракеты-носителя кипящим кислородом проводят по единой бортовой заправочно-сливной магистрали, при любом порядке подачи кипящего - в ракету-носитель, а охлажденного - в разгонный блок, причем если в начале проводят заправку разгонного блока переохлажденным кислородом, то при окончании заправки и получении номинального уровня в баке окислителя разгонного блока проводится дренирование переохлажденного кислорода из всей магистрали от клапана заправки разгонного блока до клапана врезки кипящего, что обеспечивает непопадание охлажденного кислорода в бак окислителя второй ступени при последующей заправке верхней ступени ракеты-носителя кипящим кислородом при использовании единой бортовой заправочно-сливной магистрали подачей кипящего через клапан врезки наземной системы кипящего кислорода в единую магистраль заправки-слива с заполнением бака окислителя ракеты-носителя до номинального уровня, с последующей подпиткой бака окислителя для компенсации испаряющегося кислорода из бака.
При невозможности парирования наземными средствами суммарного прогрева переохлажденного кислорода в баке окислителя РБ, накапливаемого в процессе стоянки заправленного бака окислителя РБ при предстартовой подготовке РН и в процессе выполнения программы полета разгонного блока в космических условиях, вначале проводят заправку кипящим кислородом баков окислителя ракеты-носителя, при заполнении бака окислителя верхней ступени которой до первого заданного промежуточного уровня включают подачу в заправочно-сливную магистраль переохлажденного кислорода, а при достижении в баке окислителя верхней ступени ракеты-носителя второго заданного промежуточного уровня кипящего кислорода этот бак герметизируют и производят подачу переохлажденного кислорода в бак окислителя разгонного блока до достижения минимального заданного уровня его заправки, при этом объем между минимальным и номинальным уровнями должен соответствовать объему трубопроводов заправки от места врезки переохлажденного кислорода до входа в бак, после чего включают подачу в заправочно-сливную магистраль кипящего кислорода, а при достижении в баке окислителя разгонного блока номинального (заданного) уровня переохлажденного кислорода этот бак герметизируют и производят дозаправку бака окислителя верхней ступени ракеты-носителя кипящим кислородом до номинального уровня заправки. При этой дозаправке компенсируются потери от испарения кипящего кислорода в РН во время заправки РБ.
При менее теплонапряженных орбитах полета бака окислителя разгонного блока в космических условиях или возможности парирования прогрева переохлажденного жидкого кислорода наземными средствами (понижением температуры заправляемого кислорода) вначале проводят заправку переохлажденным кислородом бака окислителя разгонного блока до номинального уровня с обеспечением необходимой температуры на момент старта, после чего проводится дренирование переохлажденного кислорода из всей магистрали от клапана заправки разгонного блока до клапана врезки кипящего, что обеспечивает непопадание охлажденного кислорода в бак окислителя второй ступени при последующей заправке верхней ступени РН кипящим кислородом при использовании единой бортовой заправочно-сливной магистрали подачей кипящего кислорода через клапан врезки наземной системы кипящего кислорода в единую магистраль заправки - слива с заполнением бака окислителя второй ступени ракеты-носителя до номинального уровня, и последующей подпиткой бака окислителя для компенсации испарения кислорода из бака.
Совместная заправка РН и РБ с попеременной подачей в общую заправочно-сливную магистраль переохлажденного кислорода и кипящего кислорода с обеспечением необходимой температуры кислорода непосредственно перед заправочным клапаном бака, при достижении в каждом из заправляемых баков разгонного блока и ракеты-носителя заданного уровня заполнения, позволяет провести заправку этих баков РКС по единой магистрали без потерь и нарушения кондиции заправляемых криогенных компонентов ракетного топлива. Это дает возможность отказаться от использования в конструкции РКС двух заправочно-сливных магистралей: магистрали кипящего кислорода для заправки бака окислителя верхней ступени РН и магистрали переохлажденного кислорода для заправки РБ и за счет этого увеличить массу выводимого РКС полезного груза. Кроме того, использование единой ЗСМ для заправки двух баков РКС различными по теплофизическим свойствам криогенными компонентами ракетного топлива при указанном способе позволяет уменьшить потери этих компонентов за счет снижения потерь «холода», затрачиваемого на охлаждение двух трубопроводов в процессе заправки, и в то же время обеспечить необходимый температурный режим кислорода разгонного блока, а также температурный режим кислорода на входе в двигатель последней ступени РН в случае подачи кислорода в нижнюю часть бака (в район заборника расходной трубы двигателя). Упрощается также конструкция всей РКС. Вышеизложенный способ совместного проведения заправки РН и РБ по единой бортовой заправочно-сливной магистрали особенно актуален при необходимости обеспечения минимальной температуры переохлажденного кислорода в РБ перед стартом РКС за счет уменьшения времени стоянки заправленного РБ.
В случае, когда наземными средствами возможно парирование прогрева переохлажденного кислорода, реализуемого не только во время выполнения программы полета в космических условиях, но и во время стоянки заправленного бака окислителя РБ при проведении заправки баков окислителя РН, заправку РБ переохлажденным кислородом и заправку РН кипящим кислородом по единой бортовой заправочно-сливной магистрали можно осуществлять в другой последовательности, сперва заправить РБ, потом РН.
Сущность первого варианта предлагаемого способа заправки жидким кислородом баков окислителя ракетно-космической системы по единой бортовой заправочно-сливной магистрали с первоначальной подачей кислорода в РН, а затем в РБ (случай, когда невозможно парировать наземными средствами прогрев переохлажденного кислорода в баке окислителя в процессе выполнения программы полета разгонного блока в космических условиях), поясняется на фигуре.
Ракетно-космическая система (РКС) включает ракету-носитель (РН) с ракетными блоками первой и второй ступеней, соответственно, 1 и 2 и головную космическую часть, содержащую разгонный блок 3 и космический аппарат (полезный груз) 4. Блоки первой 1 и второй 2 ступеней РН содержат баки окислителя - жидкого кипящего кислорода, соответственно 5 и 6, а разгонный блок 3 содержит бак окислителя - жидкого переохлажденного кислорода 7. По борту РКС закреплена теплоизолированная заправочно-сливная магистраль (ЗСМ) протяженностью до разгонного блока 3, состоящая из нескольких участков: нижний участок ЗСМ 8 соединен с клапаном заправки бака 6 второй ступени РН, а верхний участок 9 через заправочно-сливной клапан 10 подключен к баку окислителя 7 разгонного блока. Нижняя часть участка 8 бортовой заправочно-сливной магистрали баков 6 и 7 через автостык 11, концевой участок наземной заправочно-сливной магистрали 12 и блоки клапанов 13 и 14, соответственно, подключена к системе подачи переохлажденного кислорода 15 и к системе подачи кипящего кислорода 16. Верхняя часть участка 8 ЗСМ через заправочно-сливной клапан 17 соединена с баком кипящего кислорода второй ступени РН 6. На входе в баки окислителя 7 и 6 и на входе в нижнюю часть ЗСМ установлены датчики температуры жидкого кислорода, соответственно 18, 19 и 20, а в баках окислителя 6 и 7 установлены датчики уровня жидкого кислорода (уровнемеры), соответственно 21 и 22.
При проведении предстартовой подготовки РКС вначале производится заполнение компонентами ракетного топлива - окислителем (кипящим кислородом) и горючим (керосином) топливных баков ракеты-носителя. При достижении в баке 6 второй ступени РН «Первого заданного промежуточного уровня жидкого кислорода» прекращают подачу в заправочно-сливную магистраль кипящего кислорода закрытием блока клапанов 14 и открывают по заданному алгоритму клапан (клапаны) из блока клапанов 13 подачи в ЗСМ переохлажденного кислорода. Поступающий в ЗСМ переохлажденный кислород вытесняет оставшийся в нижнем участке 8 магистрали кипящий кислород в бак окислителя 6 ракеты-носителя, при этом количество оставшегося в участке 8 магистрали кислорода является вполне определенным (расчетным), обеспечивая дозаправку бака 6 до второго заданного промежуточного уровня, при достижении которого (контроль по уровнемеру 21) закрывают заправочно-сливной клапан 17 бака 6 и открывают заправочно-сливной клапан 10 бака 7 разгонного блока, обеспечивая поступление в него переохлажденного кислорода, находящегося по всей высоте заправочно-сливной магистрали до ответвления на бак РБ. При достижении в баке 7 разгонного блока заданного минимального уровня его заправки (контроль по уровнемеру 22) закрывают клапан (клапаны) 13 подачи в ЗСМ переохлажденного кислорода и открывают клапан (клапаны) 14 подачи в ЗСМ кипящего кислорода. Поступающий снизу кипящий кислород вытесняет оставшийся в бортовой ЗСМ и в концевом участке 12 наземной ЗСМ переохлажденный кислород через открытый клапан 10 в бак 7 разгонного блока 3, причем количество вытесняемого переохлажденного кислорода является вполне определенной (расчетной) величиной, обеспечивающей дозаправку бака 7 РБ до номинального заданного уровня заправки, после чего закрывают клапан 10 бака 7, открывают клапан 17 и производят дозаправку бака окислителя 6 второй ступени РН кипящим кислородом до номинального заданного уровня его заправки.
По второму варианту, в случае, когда наземными средствами возможно парирование прогрева переохлажденного кислорода, реализуемого не только во время выполнения программы полета в космических условиях, но и во время проведения предстартовой подготовки баков окислителя РН, последовательность заправки - сначала РБ, а затем РН, при этом в начале заправки открывают клапан (клапаны) блока клапанов 13 по алгоритму подачи в ЗСМ переохлажденного кислорода через заправочно-сливной клапан 10, охлажденный кислород подается в бак 7. Заправка начинается подачей в ЗСМ малого расхода заправки, обеспечивающего охлаждение конструкции ЗСМ и конструкции бака 7 за счет снятия избыточного тепла испаренным в ЗСМ кислородом и периодического удаления из бака при открытиях дренажного клапана 23 прогретого газообразного кислорода. После заполнения ЗСМ заправка продолжается большим расходом до получения номинального заданного уровня, после чего закрывается заправочно-сливной клапан 10 и через клапан (клапаны) блока клапанов 13 проводится слив из ЗСМ переохлажденного кислорода в наземную систему. После дренирования переохлажденного кислорода из ЗСМ начинается заправка баков РН кипящим кислородом, в том числе по той же, что и заправка РБ заправочно-сливной магистрали, открытием клапана (клапанов) блока клапанов 14 и клапана 17 бака окислителя 6 до номинального уровня с последующей стоянкой на подпитке.
Таким образом, предложенное техническое решение позволяет на стартовом комплексе РКС, не содержащем башни обслуживания и кабель-заправочной мачты, провести заправку переохлажденным кислородом бака окислителя разгонного блока и заправку кипящим кислородом бака окислителя верхней ступени ракеты-носителя по единой бортовой заправочно-сливной магистрали с обеспечением минимального прогрева и тепловой стратификации жидкого переохлажденного кислорода в баке РБ, а также минимального локального охлаждения компонента в баке окислителя верхней ступени РН, что позволяет отказаться от необходимости использования отдельных заправочно-сливных магистралей для заправки бака окислителя верхней ступени РН кипящим кислородом, а РБ - охлажденным. Использование одной и той же магистрали для заправки верхней ступени РН кипящим кислородом и РБ охлажденным, учитывая довольно большую протяженность и соответствующие массовые характеристики упомянутых магистралей, позволяет, соответственно, увеличить массу полезного груза, выводимого РКС на космическую орбиту. При этом снижаются потери жидкого кислорода при заправке вышеуказанных баков окислителя на охлаждение трубопроводов заправочно-сливных магистралей и несколько упрощается конструкция ракетно-космической системы.