КРИОГЕННЫЙ БАК РАКЕТЫ С ЖИДКОСТНЫМ РАКЕТНЫМ ДВИГАТЕЛЕМ

Полезная модель относится к ракетно-космической технике и может быть использована для теплозащиты топливных баков ракет-носителей и разгонных блоков, применяющих жидкостной ракетный двигатель (ЖРД), работающих на криогенном (преимущественно на кислородно-водородном или кислородно-метановом) топливе.
ЖРД, работающие на кислородно-водородном топливе, по удельному импульсу примерно на 30% превосходят кислородно-керосиновые. Применение водорода в качестве горючего ракет-носителей и разгонных блоков позволяет при равной стартовой массе ракеты выводить в космос гораздо большую массу полезной нагрузки по сравнению с другими видами топлива [https://epizodsspace.airbase.ru/bibl/stati/vodor-clab.html].
Однако применение водородного топлива ограничено рядом недостатков:
- низкая температура кипения (-253°С): баки с жидким водородом требуют усиленной теплоизоляции. Теплоизоляция утяжеляет конструкцию кислородно-водородных ступеней;
- очень малая плотность (в 14 раз легче воды) приводит к увеличенному объему баков. Соотношение компонентов кислородно-водородных двигателей окислителя и горючего 5:1. Несмотря на то, что масса водорода в баках в пять раз меньше массы кислорода, емкость водородных баков примерно в 2,5 раза больше емкости кислородных баков. Т.е. площадь поверхности теплообмена будет примерно в два раза больше, что усугубляет проблему теплозащиты баков.
С учетом этих выше приведенных факторов, водородные баки имеют большой объем и массу.
Еще одним недостатком (которым в большей степени обладают водородные баки с внешней теплоизоляцией), являются жесткие требования к надежности теплоизоляции. Несоблюдение требования к надежности теплоизоляции приводит к тяжелым последствиям. Так, например, в ракете-носителе Atlas-Centaur С-1 через 49 сек после взлета разорвалась часть одной из четырех теплоизоляционных панелей, покрывающих бак жидкого водорода. Бак быстро перегрелся, давление в нем превысило расчетные пределы - и он лопнул. "Centaur" фактически разорвался пополам, что привело к разрушению всего носителя на 55-й секунде после старта.
Известен водородный бак на второй ступени (центральном блоке Ц) ракеты-носителя «Энергия», [Б.И. Губанов. Триумф и трагедия «Энергии» Размышления главного конструктора. Том 3: «Энергия» - «Буран» Нижний Новгород, издательство НИЭР, 1998], где теплоизоляция наносилась на наружную поверхность обечайки.
Известны водородные баки ступени ракеты-носителя Сатурн S-2 и разгонного блока «Центавр» ракеты «Атлас-Центавр», где теплоизоляция также наносилась на наружную поверхность обечайки [Военно-технический сборник «Невский бастион» 15.11.2020, http://nevskii-bastion.ru/atlas-v/].
Недостатком указанных аналогов является значительная толщина теплоизоляции (свыше 40 мм) и, следовательно, большая масса, а также значительные потери криогенного компонента на захолаживание бака при заправке. Большая масса теплоизоляции приводит к снижению массы полезной нагрузки.
В качестве прототипа выбран водородный бак ступени S-IVB ракеты-носителя Сатурн фирмы McDonnell Douglas Astronaut (США).
Водородный бак ступени S-IVB ракеты-носителя «Сатурн» имеет стандартную конструкцию со сферическими днищами и цилиндрической обечайкой диаметром 6,6 м с вафельным подкреплением. Изнутри бак покрыт теплоизоляцией сотовой конструкции из стеклопластика с полиуретановым наполнителем. Слоистая оболочка из нейлона, пропитанного фенольной смолой, предохраняет пенопластовую изоляцию от действия высокой температуры, достигающей 185°С на наружной поверхности бака. Теплоизоляция покрыта герметизирующей майларовой (тадларовой) пленкой. [ВИНИТИ. Итоги науки и техники. Серия Ракетостроение. Пилотируемые полеты на Луну, конструкция и характеристики Saturn V Apollo. РАКЕТОСТРОЕНИЕ. Том 3. Пилотируемые полеты на Луну Шунейко И.И. Теплоизоляция водородного бака второй ступени], [https://naukatehnika.com/ sistema-saturn-5-apollon.html naukatehnika.com]. Недостатком прототипа также является значительная толщина изоляции.
Целью заявленного технического решения является уменьшение влияния толщины изоляции на массово-габаритные характеристики ракет-носителей и разгонных блоков.
Технический результат полезной модели состоит в увеличении массы выводимого полезного груза.
Указанный результат достигается тем, что на внутренней поверхности обечайки бака, имеющего верхнее и нижнее днища, размещены магистрали с определенным шагом с надежным тепловым контактом с этой поверхностью. Магистрали одновременно выполняют функцию стрингеров. На внутреннюю поверхность обечайки с магистралями (стрингерами) нанесено теплоизолирующее покрытие, препятствующее передаче внешнего тепла от стенок бака и магистралей криогенный компонент топлива. Магистрали гидравлически связаны с входным и выходным коллекторами, размещенными у торцов обечайки и выполняющими функцию верхнего и нижнего шпангоута. Входной коллектор связан с топливным насосом ЖРД, а выходной коллектор - с камерой сгорания ЖРД.
На фиг. 1 схематически изображен принцип функционирования криогенного бака 1 с гидравлическими магистралями - трубопроводами, выполняющими роль стрингеров 2 и шпангоутов 3 и 4, который работает следующим образом. Часть криогенного компонента от насоса 5 поступает в тройник 6, который разделяет поток компонента на две части. Основная часть поступает в камеру двигателя 7. А незначительная часть - около 11% (см. ниже) поступает во входной коллектор 8. Из входного коллектора компонент по магистралям поступает в выходной коллектор 9, поглощая при этом внешний тепловой поток, поступающий к обечайке. Для того, чтобы исключить поступление тепла от обечайки непосредственно к компоненту топлива в баке, на магистрали 10 и внутреннюю поверхность обечайки нанесен слой теплоизоляции 11. Ее назначение - препятствовать поступлению внешнего теплопритока в компонент - «собрать» тепло от обечайки в магистраль. Толщина этого слоя невелика т.к. перепад температур мал. Из выходного коллектора компонент подается в камеру двигателя. Таким образом, внешний тепловой поток, воздействующий на бак, в конечном итоге поступает в камеру сгорания двигателя. На фиг. 1 магистралями высокого давления являются входной коллектор 8 и трубопроводы 12, низкого давления - трубопровод 13.
Как показали приближенные расчеты в результате использования заявленного технического решения, масса теплоизоляции уменьшается не менее чем в три - четыре раза.
Далее приводится приближенная оценка возможности реализации и полезного эффекта предполагаемой полезной модели.
В расчетах приняты исходные данные по аналогичным объектам, опубликованные в открытой печати. В частности, теплотехнические характеристики теплоизоляции и тепловые нагрузки приняты как у прототипа - водородного бака ступени S-IVB ракеты-носителя «Сатурн». Оценка полезного эффекта проводилась на основе характеристик разгонного блока (РБ) «Центавр». По состоянию на 2009 год «Центавр» имеет наибольшее соотношение массы топлива к общей массе среди современных разгонных блоков, что позволяет выводить большую полезную нагрузку [Военно-технический сборник «Невский бастион» 15.11.2020, http://nevskii-bastion.ru/atlas-v/].
Основные характеристики Центавр»:
Диаметр - 3,05 м, высота - 12,68 м, сухая масса - 2243 кг. Топливные баки вмещают до 20 830 кг топлива. На РБ «Центавр» устанавливался один или два жидкостных ракетных двигателя RL-10А-4-2 разработки компании Rocketdyne. Тяга одного двигателя в вакууме составляет 99,2 кН (10,1 тс), удельный импульс - 451 с.
«Центавр» является первым разгонным блоком, который использует криогенные компоненты топлива - жидкий кислород и жидкий водород (LH2/LOX). Стабилизация содержимого баков обеспечивается давлением [Описание РН Атлас-5 § Вторая ступень].
Исходные данные по расчету теплоизоляции приняты как для водородного бака ступени S-IVB ракеты носителя «Сатурн». [ВИНИТИ. Итоги науки и техники. Серия Ракетостроение. Пилотируемые полеты на Луну, конструкция и характеристики Saturn V Apollo. РАКЕТОСТРОЕНИЕ. Том 3. Пилотируемые полеты на Луну Шунейко И.И. Теплоизоляция водородного бака второй ступени], [https://naukatehnika.com/sistema-saturn-5-apollon.html naukatehnika.com].
Плотность теплового потока от внешней среды через теплоизоляцию:
внешн
из
из
из
2
q=λ⋅ΔТ/δ [Вт/м]. Здесь λ - коэффициент теплопроводности теплоизоляции, [Вт/(м⋅К)]; ΔT - разница температуры между внешней средой и теплоизоляцией, К; δ - толщина теплоизоляции, м. Среднее значение для теплоизоляции λ=0,06 Вт/(м⋅К)), ΔT ≈ 400 К, δ=0,04 м.
внешн
из
2
Тогда q=λ⋅ΔТ/δ=0,06⋅400/0,04=600 Вт/м.
обеч
Определение площади обечайки F водородного бака (для РБ «Центавр»).
2
2
обеч
Параметры РБ: диаметр - 3,05 м, высота - 12,68 м. Площадь боковой поверхности РБ S=2⋅π⋅r⋅L=2⋅3,14⋅1,5⋅12,68 ≈ 119 м. Поскольку объем водородного бака в 2,5 раз больше кислородного, тогда площадь обечайки водородного бака определится из выражения F =119⋅2,5/(1+2,5)=85 м.
Общий тепловой поток через поверхность водородного бака
внеш
внешн
обеч
Q=q⋅ F ≈ 600⋅85=51 кВт.
в
Теплоемкость жидкого водорода при минус 256°С: с=8,07 кДж/(кг⋅К).
в
в
в
внеш
в
в
При нагреве водорода при прохождении магистралей на ΔТ=10К расход m определяется из выражения m=Q/(с-ΔТ) [кг/с].
Расход водорода через магистрали теплозащиты:
в
внеш
в
в
m=Q/(с-ΔТ)=51/(8,07⋅10) ≈ 0,63 кг/с (1,9 л/с).
Тепловой поток через теплоизоляцию в топливо:
из
из
из
из
обеч
из
из
из
из
Q=λ⋅ΔТ/δ⋅F, λ=0,06 Вт/(м⋅К), где ΔТ - перепад температур на теплоизоляции. Приближенная оценка показала, что ΔТ≤10 К, δ=0,01 м - толщина теплоизоляции.
из
внеш
При этих данных Q=0,06⋅10/0,01⋅85 ≈ 5100 Вт. Таким образом тепловой поток внутрь бака составляет 10% от Q - Этот поток поглощается испаряющимся в баке водородом. Теплота испарения водорода 454 кДж/кг. При этом испаряется 5,1 кВт/454 кДж/кг ≈ 0,011 кг/с или 674 г в минуту. Этого расхода не хватит даже на наддув бака водорода.
Косвенным путем определяем расход водорода через ЖРД. Тяга одного двигателя в вакууме составляет 99,2 кН, удельный импульс - 451 с=4420 м/с.
уд
уд
Выражение для тяги Р=m Р, отсюда m - Р/Р=99,2 кН/4420 м/с=22 кг/с, из них на водород приходится 1/6 т.е. 3,7 кг/с.Таким образом, на тепловую защиту бака расходуется 11% расхода водорода.
Требуется оценить, какое должно быть расстояние между магистралями системы теплозащиты, для обеспечения достаточно равномерного распределения температуры обечайки.
Поскольку коэффициент теплопроводности теплоизоляции в 300 раз меньше коэффициента теплопроводности алюминиевого сплава, из которого изготовлена обечайка, то очевидно, что направление теплового потока на обечайке будет практически параллельно ее поверхности. Это позволяет для грубой оценки распределения температуры по поверхности обечайки применить уравнение теплопроводности в ребре постоянного поперечного сечения.
из
Был проведен приближенный расчет (коэффициент конвективного теплообмена альфа был заменен на отношение λ/δ). Решение получено в виде
где ch(x) гиперболический косинус аргумента х - расстояния от оси магистрали [Теория тепломассообмена под ред. Леонтьева, М - Высшая школа, 1979 г. 495 с].
L
0
Обозначим расстояние между магистралями как 2L. Оценка показала, что температура T при x=L (в середине шага) незначительно отличается от температуры магистрали Т. Из расчета шаг между магистралями 2L=0,5 м.
Оценка массы теплоизоляции
Вместо слоя изоляции толщиной 4 см, применяется слой толщиной 1 см.
2 "5
2
3
При площади изоляции 119 м и плотности 75 кг/м, масса теплоизоляции уменьшается на (119×0,03×75)=268 кг. Это составляет 12% от сухой массы РБ (2243 кг). С учетом исключения потерь на испарение жидкого водорода выигрыш в массе будет еще больше.
Что касается массы самого бака, то применение магистралей в качестве стрингеров позволит уменьшить толщину стенок обечайки. В целом бак с подкреплением в виде стрингеров и шпангоутов может оказаться легче бака вафельной конструкции. Как отмечается в [И.Л. КАЦ. К истории создания конструкции, метода расчета и примеров реализации вафельных обечаек баков ракет] при изготовлении бака стрингерной конструкции применяются нагартованные листы сплава АМг6Н, которые позволят обеспечить большую прочность, чем баки вафельной конструкции. Расчет диаметра магистралей.
Ранее было определено, что расход водорода через магистрали теплозащиты равен 8 л/с.
3
2
Как показал опыт эксплуатации подобных конструкций скорость течения газов (включая водород) по подобным каналам может изменяться в пределах от 0,5 до 7 м/с. В связи с этим примем скорость течения водорода в указанных магистралях 3 м/с=30 дм/с. Для обеспечения расхода 8 л/с (дм/с) при такой скорости суммарная площадь сечения магистралей составит 8/30 ≈ 0,27 дм.
2
2
Длина окружности обечайки бака при диаметре - 3,05 м составляет 9,6 м. При шаге магистралей 0,5 м их количество составит 9,6/0,5 ≈ 19 шт. Площадь проходного поперечного сечения одной магистрали 0,27/19 ≈ 0,014 дм=1,4 см, а диаметр 1,34 см. Таким образом, для обеспечения требуемого расхода компонента (водорода) потребуется 19 продольных магистралей-стрингеров диаметром 1,34 см.
Напряжение в материале стенки трубы σ
2
2
σ=p⋅d/(2⋅δ)=1,5⋅13,4/(2⋅1)=10,05 кг/мм<17 кг/мм (для АМг6Н), где р - давление (около 150 кг/кв.см), d=13,4 мм - диаметр магистрали, δ -толщина стенки (примем 1 мм).
Другим положительным эффектом предлагаемой полезной модели является улучшение технологии заправки баков водородом, сокращение времени заправки и потерь водорода при заправке. Наличие магистралей на обечайке бака позволяет использовать для охлаждения гелиевый рефрижератор, работающий по замкнутому циклу и не выбрасывать дорогостоящий газ в атмосферу [О.А. Юранев. Исследования различных способов захолаживания криогенных топливных баков изделий ракетно-космической техники. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Машиностроение. 2018. №3, 50…57]. Газообразный гелий при температуре ниже температуры кипения водорода (20 К) подается во входной коллектор и после охлаждения бака и части элементов ПГС ЖРД снова поступает в гелиевый рефрижератор.