СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЗАПРАВКИ ГЕЛИЕМ БОРТОВЫХ БАЛЛОНОВ РАКЕТОНОСИТЕЛЕЙ
METHOD AND DEVICE FOR FILLING ONBOARD CYLINDERS OF MISSILE CARRIERS WITH HELIUM

Изобретение относится к ракетно-космической технике, в частности к наземным средствам заправки гелием бортовых баллонов ракетоносителей при подготовке их к пуску на стартовых комплексах.
Известны способы и устройства для сжатия газообразного гелия и подаче его потребителям - см., например, описания к патентам: ЕР 0436084 А1, МПК F17C 13/02; Е25В 9/00, 41/04; ЕР 0976969 А1, МПК F17C 9/02, 5/06 и технология сжатия и подачи: М., Воениздат, «Космодром», 1977, с.192, рис.516.
Общим недостатком известных способов и устройств подачи гелия является то, что при их использовании не обеспечивается заправка бортовых баллонов ракетоносителей с параметрами, необходимыми для решения технической задачи, заключающейся в охлаждении гелия до температуры вымораживания вредных примесей (минус 150°С), фильтрации вымороженных частиц, последующем нагреве до требуемой положительной температуры и подачи его в бортовые баллоны для многократного заполнения их до промежуточного давления с последующим дренированием с целью очистки внутренних поверхностей бортовых баллонов до требуемой степени чистоты и последующим заполнениям до рабочего давления.
Известны также способ и устройство для охлаждения и очистки газообразного гелия - см. патент РФ №2282116, МПК F25B 3/00, 2006.
В известном способе газообразный гелий охлаждают до температуры минус 150°С в криостате, состоящем из двух теплообменников. В первом трехполостном теплообменнике теплый гелий охлаждают при теплообмене с потоком гелия, предварительно охлажденном во втором теплообменнике с жидким азотом.
Охлажденный во втором теплообменнике гелий подают фильтр для фильтрации вымороженных вредных примесей, а затем подают в первый теплообменник и далее в электронагреватель, где нагревают до требуемой потребителем температуры.
Устройство для охлаждения и очистки гелия состоит из двух криостатов: один - рабочий, второй - резервный, который включается при насыщении вредными примесями фильтра первого криостата. Регенерацию загрязненного фильтра производят нагретым газообразным азотом.
Недостатком этой технологии и устройства является отсутствие средств для хранения запасов газообразного гелия и азота, а также арматуры для регулирования давления и расхода гелия, выдаваемого потребителю.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявленной группе изобретений является технология и система заправки гелием бортовых ракетоносителей и космических аппаратов по патенту РФ №2267023, МПК F02K 9/44, 2005, принятые заявителем за прототип.
Технология по упомянутому патенту заключается в том, что газообразный гелий, хранящийся в ресиверах, подают в криостат для охлаждения до температуры вымораживания вредных примесей (минус 150°С), фильтруют от вымороженных частиц и затем нагревают до требуемой температуры. Для очистки внутренних поверхностей бортовых баллонов производят их трехкратное заполнение чистым гелием до промежуточного давления (4 МПа) с последующим дренированием до давления 1 МПа в окружающую среду, после чего заполняют бортовые баллоны до требуемого рабочего давления (22 МПа). График изменения давления гелия в бортовых баллонах в зависимости от времени проведения операций приведен на фиг.1.
Система заправки гелием по патенту РФ №2267023 содержит два гелиевых и один азотный ресиверы. Гелиевые ресиверы соединены через криостаты, электронагреватели, электропневмоклапаны, и обратные клапаны с трубопроводом подачи гелия в бортовые баллоны, а азотный ресивер через электронагреватель соединен с криостатами и далее с окружающей средой.
Однако в процессе эксплуатации системы заправки гелием бортовых баллонов, выполненной в соответствии с техническим решением, описанной в прототипе, на стартовом комплексе ракетоносителя «Союз-2» выявлены следующие недостатки.
1. Дренирование гелия из бортовых баллонов до конечного давления 1 МПа при трехкратном их заполнении до промежуточного давления 2 МПа, а в случае несостоявшегося пуска ракетоносителя из бортовых баллонов, заполненных до рабочего давления 22 МПа, до атмосферного давления производится в окружающую среду, при этом теряется дорогостоящий гелий.
Например, если в бортовые баллоны необходимо заправить 80 кг гелия при рабочем давлении 22 МПа, то вес гелия в бортовых баллонах при давлении 4 и 1 МПа определяется из системы уравнений:
р
б
p
б
РV=GRТ;
пр
б
пр
б
РV=GRТ;
к
б
к
б
РV=GRТ,
б
где Т - температура гелия в баллонах, К;
б
3
V - объем баллонов, м;
р
пр
к
Р, Р, Р - рабочее, промежуточное и конечное давление гелия в баллонах, МПа;
р
пр
к
G, G, G - вес гелия в баллонах при рабочем, промежуточном и конечном давлении, кг;
R - газовая постоянная гелия, кг-м/кг-град.
пр
к
Вес гелия при промежуточном давлении составляет: G=14,5 кг, а вес гелия при конечном давлении составляет: G=3,6 кг.
Таким образом, потеря гелия за цикл его дренирования из бортовых баллонов от давления 4 МПа до давления 1 МПа составит:
потери
пр
к
G =G-G=10,9 кг
Поэтому при штатном пуске ракетоносителя теряется три порции гелия:
10,9×3=32,7 кг, а в случае несостоявшегося пуска: 32,7+80=112,7 кг
2. Использование одного ресивера с начальным давлением 40 МПа для трехкратного заполнения бортовых баллонов до промежуточного давления 4 МПа с последующим дренажем до давления 1 МПа и конечного заполнения бортовых баллонов до рабочего давления 33 МПа приводит к увеличению стоимости заправки по сравнению с использованием двух ресиверов: одного с начальным давлением 15 МПа и конечным 1 МПа для трехкратного заполнения бортовых баллонов до промежуточного давления 4 МПа, а другого с начальным давлением 40 МПа только для заполнения бортовых баллонов до конечного давления 22 МПа, т.к. стоимость баллонов с начальным давлением 15 МПа в 2,3 раза ниже стоимости баллонов с начальным давлением 40 МПа.
В рассмотренном выше примере за один цикл работы системы необходимо выдать в бортовые баллоны 14,5+10,9+80=116,3 кг гелия.
На фиг.2 приведен график зависимости веса гелия в баллоне объемом 400 л от давления, из которого следует, что при проведении всех операций по заправке бортовых баллонов из одного ресивера из каждого баллона при снижении давления с 40 до 24 МПа можно выдать разность («дельта») в 7,7 кг гелия, поэтому ресивер должен состоять из 116,3:7,7=15 баллонов.
Если заполнение баллонов до давления 4 МПа производить из ресивера, состоящего из баллонов с начальным давлением 15 МПа, то из каждого баллона в соответствии с графиком на фиг.2 можно выдать разность («дельта») в 8,4 кг гелия, поэтому для трехкратного заполнения бортовых баллонов до 4 МПа с последующим дренированием до 1 МПа потребуется 36,3:8,4 - 4 баллона, а для заполнения бортовых баллонов до 22 МПа из другого ресивера с баллонами при начальном давлении 40 МПа потребуется (80-3,6):7,7=10 баллонов, т.е. потребное количество баллонов с начальным давлением баллонов 40 МПа на 5 шт. меньше.
3. При подаче гелия из одного ресивера увеличивается также количество гелия для первоначального заполнения. Так для заполнения 15 баллонов до давления 40 МПа в соответствии с графиком на фиг.2 необходимо 22×15=330 кг гелия, а 10 баллонов до давления 40 МПа и 4 баллона до давления 15 МПа необходимо 22×10+9×4=256 кг гелия, т.е. на 74 кг (на 22%) меньше.
Задачей заявленного изобретения является устранение указанных недостатков, уменьшение стоимости создания системы, повышение экономичности эксплуатации системы как при штатном пуске, так и при несостоявшемся (отложенном) пуске ракетоносителя, за счет уменьшения потребного количества гелия.
Решение поставленной задачи в заявленном способе заправки, заключающемся в охлаждении газообразного гелия в криостате до температуры вымораживания вредных примесей, фильтрации вымороженных частиц, последующем нагреве до требуемой температуры, трехкратном заполнении бортовых баллонов до промежуточного давления с последующим дренировании для очистки внутренних поверхностей баллонов и конечном заполнении до рабочего давления, обеспечивается тем, что трехкратное заполнение бортовых баллонов до промежуточного давления и заполнение их до рабочего давления производят из разных ресиверов, предварительно заполненных до разных начальных давлений, а дренирование гелия из бортовых баллонов производят в секции третьего дополнительного ресивера путем выравнивания давления в бортовых баллонах и секциях третьего ресивера, из которых после пуска ракетоносителя гелий подают в компрессор для сжатия и последующего заполнения гелиевых ресиверов.
Заявленное устройство для заправки гелием бортовых баллонов ракетоносителей, в котором реализуется описанная выше заявленная технология, содержит два гелиевых ресивера с арматурой, связанных через криостаты, электронагреватели, электропневмоклапаны и обратные клапаны с трубопроводом подачи гелия в бортовые баллоны, азотного ресивера и резервуара с жидким азотом, связанных с криостатами, устройство снабжено дополнительным третьим гелиевым ресивером, состоящим не менее чем из трех секций с объемом каждой секции, равным или большим объема бортовых баллонов, соединенных, с одной стороны, через электропневмоклапан и запорные вентили с трубопроводом подачи гелия в бортовые баллоны после обратных клапанов, а с другой стороны, через запорные вентили с компрессором, связанным через запорные вентили с двумя гелиевыми ресиверами, при этом трубопроводы выдачи гелия из них соединены между собой через запорный вентиль.
Сравнительный анализ признаков известных технических решений, содержащихся в рассмотренных аналогах, прототипе и предложенных в материалах заявки способе и устройстве для заправки гелием бортовых баллонов ракетоносителя показал, что заявленная совокупность признаков в каждом из предложенных объектов группы изобретений, объединенных единым изобретательским замыслом, соответствует критерию изобретения «изобретательский уровень».
Сущность устройства в предложенной группе изобретений поясняется схемой на фиг.3. Устройство для заправки гелием бортовых баллонов 1 ракетоносителя 2, установленного на пусковом устройстве 3, содержит источник снабжения гелием в виде двух ресиверов 4 и 5, соединенных через запорные вентили 6 и 7, редукторы 8 и дроссели 9 с криостатами 10, связанными через электронагреватели 11, электропневмоклапаны 12 и обратные клапаны 13 с трубопроводом 14 подачи гелия в бортовые баллоны 1, который также через электропневмоклапан 15 и запорные вентили 16 соединен с тремя секциями гелиевого ресивера 17. Каждая секция ресивера 17 через запорные вентили 18 связана с компрессором 19, который через запорные вентили 20 соединен с гелиевыми ресиверами 4 и 5, а через запорный вентиль 21 с ресивером газообразного азота 22, который через запорный вентиль 23, редуктор 24, дроссель 25, электронагреватель 26 и запорные вентили 27 соединен с криостатами 10. Трубопровод подачи гелия в компрессор 19 через запорный вентиль 28 связан с заправочной колонкой 29, а трубопроводы подачи гелия из ресиверов 4 и 5 соединены между собой после дросселей 9 через запорный вентиль 30. Кроме того, устройство содержит емкость с жидким азотом 31, соединенную через вентили 32 с криостатами 10.
Устройство приводят в готовность для начала работы следующим образом:
- к заправочной колонке 29 присоединяют передвижную установку с гелиевыми баллонами, открывают запорный вентиль 28, включают компрессор 19, открывают запорные вентили 20 и заполняют ресивер 4 до давления 15 МПа, а ресивер 5 до давления 40 МПа;
- отсоединяют передвижную установку с гелиевыми баллонами от заправочной колонки 29 и соединяют ее с трубопроводом подачи газообразного азота от системы азотоснабжения стартового комплекса, открывают запорные вентили 28 и 21, включают компрессор 19 и заполняют ресивер 22 до давления 40 МПа;
- заполняют емкость 31 жидким азотом от системы азотоснабжения, затем открывают запорные вентили 32 и заполняют самотеком криостаты 10 жидким азотом до требуемого уровня.
После получения команды о начале работ по заправке гелием бортовых баллонов 1 ракетоносителя 2 открывают запорный вентиль 6 ресивера 4 и через редуктор 8, настроенный на давление 4 МПа, дроссель 9, настроенный на требуемый расход гелия, и запорный вентиль 7 подают гелий в криостат 10, в котором гелий охлаждается до температуры вымораживания частиц, фильтруется и подается в электронагреватель 11, где нагревается до требуемой температуры и через электропневмоклапан 12 и обратный клапан 13 по трубопроводу 14 поступает в бортовые баллоны 1.
После заполнения бортовых баллонов до давления 4 МПа закрывают электропневмоклапан 12, открывают электропневмоклапан 15 и запорный вентиль 16 секции 1 ресивера 17, при этом давление в бортовых баллонах и в секции 1 выравнивается и становится равным 1 МПа.
Затем закрывают электропневмоклапан 15, запорный вентиль 16 секции 1 и открывают электропневмоклапан 12, для второго заполнения бортовых баллонов 1 до давления 4 МПа, после чего закрывают электропневмоклапан 12, открывают электропневмоклапан 15 и запорный вентиль 16 секции 2 ресивера 17 для выравнивания давления в бортовых баллонах и в секции 2 до 1 МПа.
Закрывают электропневмоклапан 15 и запорный вентиль 16 секции 2 и открывают электропневмоклапан 12 для третьего заполнения бортовых баллонов 1 до давления 4 МПа, после чего опять закрывают электропневмоклапан 12, открывают электропневмоклапан 15 и запорный вентиль 16 секции 3 ресивера 17 для выравнивания давления в бортовых баллонах и в секции 3 до 1 МПа.
Закрывают электропневмоклапан 15, запорный вентиль 16 секции 3 ресивера 17 и запорный вентиль 6 ресивера 4. Открывают запорный вентиль 6 ресивера 5, запорный вентиль 30 и через редуктор 8, настроенный на давление 22 МПа, дроссель 9, настроенный на требуемый расход гелия, подают последний через запорный вентиль 7, криостат 10, электронагреватель 11, где гелий нагревают до требуемой температуры, электропневмоклапан 12 и обратный клапан 13 по трубопроводу 14 в бортовые баллоны 1, заполняя их до рабочего давления 22 МПа, после чего закрывают электропневмоклапан 12.
После пуска ракетоносителя 2 система приводится в исходное состояние. При этом открывают запорные вентили 18 секций 1,2,3 ресовера 17, включают компрессор 19 и через открытый запорный вентиль 20 заполняют ресивер 4 до начального давления 15 МПа.
В случае несостоявшегося пуска ракетоносителя 2 закрывают электропневмоклапан 12 и открывают запорные вентили 16 и 18 секций 1, 2, 3 ресивера 17, включают компрессор 19 и через открытый запорный вентиль 20 заполняют ресивер 5 до начального давления 40 МПа, выключают компрессор 19 и отстыковывают трубопровод 14 от пневмоколодки ракетоносителя 2.
Устройство содержит 2 криостата: рабочий и резервный. Резервный криостат включают, когда газодинамическое сопротивление рабочего криостата повышается больше 0,5 МПа из-за засорения фильтрующих элементов фильтра криостата вымороженными частицами вредных примесей. При этом закрывают запорный вентиль 7 работавшего криостата и открывают запорный вентиль 7 резервного криостата.
Регенерацию криостата производят путем подачи в него газообразного азота их ресивера 22 через запорный вентиль 23, редуктор 24, настроенный на требуемое давление, дроссель 25, настроенный на требуемый расход, электронагреватель 26, в котором температуру азота доводят до 100°С и запорный вентиль 27.
Таким образом, совокупность существенных признаков в вышеизложенных способе и устройстве для заправки гелием бортовых баллонов ракетоносителя обеспечивают требуемые процедуры и режимы очистки и заправки бортовых баллонов до рабочего давления, при отсутствии потерь гелия при дренаже из бортовых баллонов, что в целом ведет к снижению затрат как на создание системы заправки, так и на эксплуатационные расходы при снижении расхода гелия и его потерь при дренаже из бортовых баллонов.
Изложенные способ и устройство планируется использовать при разработке конструктивных и технологических систем заправки гелием бортовых баллонов, в частности, на стартовых комплексах для ракетоносителей класса «Союз-2».