СПОСОБ ГАЗИФИКАЦИИ НЕВЫРАБАТЫВАЕМЫХ ОСТАТКОВ ЖИДКОГО КИСЛОРОДА И КЕРОСИНА В БАКАХ СТУПЕНИ РАКЕТЫ-НОСИТЕЛЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ
METHOD FOR GASIFICATION OF NON-TREATED RESIDUES OF LIQUID OXYGEN AND KEROSENE IN TANKS OF CARRIER ROCKET STAGE AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

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.
0
0
К основному недостатку этого технического решения относится следующее: при смешивании газа пропана с парогазовой смесью (ПГС) из бака О, которая имеет температуру ~ минус 180С, возникают технические проблемы по нагреву получившейся смеси до температуры её зажигания, которая составляет ~ минус 40С, 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.
0
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 (~ 250C) [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;
ox
– текущее время подачи ПВ в бак О, 0<<;
– 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.
г
г
Для получения верхней оценки необходимой массы ПВ для испарения керосина рассматривается вариант отсутствия процесса сжигания ПГС, 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 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;
ker
– текущее время подачи ПВ в бак Г, 0<< ;
– 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<sub>доп</sub>, 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), м<sup>3</sup>
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.