КРИОГЕННАЯ ЗАПРАВОЧНАЯ СИСТЕМА КОСМИЧЕСКОГО ОБЪЕКТА
SPACECRAFT CRYOGENIC REFUELING SYSTEM

Изобретение относится к криогенной заправочной системе стартового комплекса, в частности к агрегату-заправщику системы оксидом, например жидким кислородом, и может быть использовано для накопления, хранения, переохлаждения и заправки криогенным продуктом бака разгонного блока ракеты-носителя и космического корабля с заданными параметрами.
Известна криогенная заправочная система жидким кислородом разгонного блока. Система заправки обеспечивает переохлаждение жидкого кислорода в баке разгонного блока (система 11Г725). Магистрали заправки выполнены из трубопроводов алюминиевого сплава АМцС и снабжены вакуумно-порошковой изоляцией и состоят из отдельных секций длиной 6-8 м, которые соединяются между собой специальными штыковыми соединениями (стык Джонсона). Кислородный заправщик 11Г724 системы 11Г725 предназначен для охлаждения жидкого кислорода до температуры 77К, заправки и последующего термостатирования переохлажденного жидкого кислорода в баке разгонного блока. В состав заправщика 11Г724 входят две емкости с вакуумно-порошковой изоляцией для жидкого кислорода и жидкого азота, насос ЦН-24, коммуникации, ручная и дистанционная арматура управления, которые смонтированы на восьмиосной железнодорожной платформе. Емкость для жидкого азота снабжена теплообменником, установленным в сосуде и сообщенным трубопроводом через насос ЦН-24 с полостью сосуда для жидкого кислорода, а на выходе потока переохлажденного жидкого кислорода из теплообменника с заправочной магистралью системы. К настоящему времени промышленностью не выпускается эффективный низкотеплопроводный криогенный насос, а применение серийного насоса ЦН-24 или его модификации ВК110/65 делает приведенную схему заправки малоэффективной вследствие прогрева жидкого кислорода при подаче насосом. Теплоподвод к жидкому кислороду из-за гидравлических потерь на сопротивление потоку в насосе и переход их в тепловую энергию и непосредственный теплоприток к насосу составляют до 20000 ккал/час (Тепловой расчет системы 11Г725 и 11Г738. Расчет 11Г738-23).
Кроме этого, охлаждение за счет температурного перепада между кипящим жидким кислородом от температуры 90К до температуры кипящего жидкого азота 77К позволяет получить переохлаждение жидкого кислорода в пределах 13 градусов, что удлиняет время подготовки ракеты к пуску из-за малой величины переохлаждения жидкого кислорода. Так, время термостатирования жидкого кислорода в баке разгонного блока до выхода на требуемый предполетный режим составляет 24 часа непрерывной работы, что может привести за это время к техническим неполадкам, ведущим к срыву пуска ракеты.
Приведенное следует отнести к недостатку системы заправки 11Г725 (Ракетно-космический комплекс. Под общей редакцией А.П.Вольского. М.: Воениздат, 1977, с.309).
В качестве ближайшего аналога принята криогенная заправочная система космического объекта, содержащая коммуникации заправки и слива, блок арматурный, блок клапанов, блок откачки и агрегат-заправщик.
Емкость агрегата-заправщика выполнена с тремя полостями - полостью сосуда, полостью рубашки для хладагента и полостью теплоизоляции, и оборудована технологическими коммуникациями.
Сосуд выполнен из капиллярно-пористого материала - титана и установлен с образованием дополнительной полости, окружающей сосуд.
Испарившийся от теплопритоков холодный газ через поры в стенках сосуда скапливается в дополнительной полости, уменьшая теплопритоки к криогенной жидкости. Полость теплоизоляции размещена между наружной и внутренней стенками емкости. Заправочный трубопровод сообщен с внутренней полостью сосуда, а дренажный трубопровод сообщен с дополнительно образованной полостью. Трубопроводы оборудованы запорно-регулирующими клапанами (патент RU 2236636, МПК 7 F17С 3/04).
К недостатку приведенной криогенной заправочной системы следует отнести ограничение верхнего значения величины избыточного давления, необходимого для вытеснения при заправке переохлажденного жидкого кислорода в коммуникации, определяемого прочностью сосуда. Условие универсального использования системы заправки оксидом ракет различных типов с разной высотной отметкой расположения бака разгонного блока требует наличия системы с агрегатом-заправщиком с более широким диапазоном допустимых рабочих давлений для вытеснения продукта из сосуда. Это позволяет компенсировать увеличение потребного давления на преодоление гидравлического столба жидкости и дополнительных гидравлических потерь давления при большей высотной отметке расположения бака разгонного блока.
Кроме этого, в процессе заправки может произойти забивка фильтрующего элемента частицами более 20 микрон, например кристаллами углекислого газа. В этом случае давление на входе в коммуникации разгонного блока уменьшится, и расчетное время готовности нарушится. Следовательно, необходимо иметь возможность для регулирования давления вытеснения в части его увеличения.
Задачей, решаемой изобретением, является разработка криогенной заправочной системы космического объекта, позволяющей производить заправку оксида - переохлажденного жидкого кислорода ракет разных типов с разной высотной отметкой расположения бака разгонного блока.
Это достигается тем, что в криогенной заправочной системе, содержащей коммуникации заправки и слива, блок арматурный, блок клапанов, блок откачки и агрегат-заправщик, емкость которого выполнена с тремя полостями - полостью сосуда, полостью рубашки для хладагента и полостью теплоизоляции, и оборудована технологическими коммуникациями, полость теплоизоляции размещена между рубашкой и оболочкой, а газовые полости сосуда и рубашки сообщены между собой трубопроводом через регулирующий клапан давления, поддерживающий перепад давления между сосудом и рубашкой не выше расчетного давления сосуда.
Сущность заявленного устройства поясняется чертежами, где:
на фиг.1 показана схема общего вида криогенной заправочной системы;
на фиг.2 показана схема емкости агрегата-заправщика.
Криогенная заправочная система жидким кислородом предназначена для приема, кратковременного хранения, охлаждения жидкого кислорода, заправки жидким кислородом бака разгонного блока, а также, при необходимости, приема сливаемого жидкого кислорода и повторной заправки разгонного блока в случае отмены или переноса пуска.
В состав криогенной заправочной системы 716.600.000 входят агрегат-заправщик 1, коммуникации заправки и слива 2, дренажная 3, предназначенная для отвода испарившейся части криогенной жидкости в атмосферу при захолаживании системы заправки перед пуском, блок арматурный 4, блок клапанов 5 и блок откачки 6. Агрегат-заправщик состоит из емкости, системы коммуникаций жидкого кислорода и жидкого азота, пневмоуправления и газоснабжения, аппаратуры контрольно-измерительных приборов. Емкость устроена по принципу «сосуд в сосуде» и состоит из сосуда 7 в рубашке 8 и оболочки 9, сваренных из обечаек и днищ. Емкость имеет три полости - полость сосуда 7 для жидкого кислорода, полость рубашки 8 для хладагента, полость между рубашкой 8 и оболочкой 9. Полость сосуда 7 вмещает 44 тонны жидкого кислорода, полость хладагента - 22,5 тонны жидкого азота, полость между рубашкой и оболочкой является теплоизоляционной, заполнена порошком аэрогелем и отвакуумирована. Для осушки теплоизоляционного пространства в карманы на рубашке помещен адсорбент - силикагель. В верхней части оболочки 9 имеется люк с крышкой, мембранный предохранитель 10 и горловины для установки индикаторов уровня тензометров 11 и 12 для жидкого кислорода и жидкого азота соответственно. Индикаторы уровня тензометры ИУ1 и ИУ2 предназначены для дистанционного измерения уровня и температуры жидкого кислорода в сосуде и уровня и температуры жидкого азота в полости хладагента. Люк обеспечивает доступ к сосуду 7 в рубашке 8, а мембранный предохранитель 10 предохраняет оболочку 9 и сосуд в рубашке 8 от разрушения при повышении давления в теплоизолирующем пространстве. Из сосуда 7 в рубашке 8 выведены трубопроводы:
- из полости сосуда: жидкостной 13 и газовый 14;
- из полости хладагента: жидкостной 15 и газовый 16.
К приборам - верх 17 и низ 18. Система коммуникаций представляет собой систему трубопроводов, оборудованных запорной и предохранительной арматурой. Система коммуникаций, подключенная к трубопроводу 13, обеспечивает наполнение сосуда жидким кислородом и выдачу. Система коммуникаций, подключенная к трубопроводу 14, обеспечивает сброс избыточного давления из сосуда 7 через клапан газосброса 19, подачу газообразного гелия по трубопроводу 20 для создания давления вытеснения переохлажденного жидкого кислорода при заправке бака разгонного блока. Система коммуникаций, подключенная к трубопроводу 15, обеспечивает наполнение полости хладагента жидким азотом. Система коммуникаций, подключенная к трубопроводу 16, обеспечивает сброс избыточного давления из рубашки через предохранительный клапан 21 и подачу газообразного гелия по трубопроводу 22 для наддува полости рубашки и создания в ней необходимого значения величины противодавления. Трубопровод 23 предназначен для подключения к блоку откачки 6 газообразного азота из полости рубашки методом эжектирования для переохлаждения жидкого кислорода в сосуде.
Существенное отличие заключается в том, что в агрегате-заправщике 675.200.000 заявленной криогенной заправочной системы трубопровод 14 из газовой полости сосуда 7 жидкого кислорода и трубопровод 23 из газовой полости рубашки 8 для хладагента сообщены между собой трубопроводом 24 через регулирующий клапан давления 25, поддерживающий перепад давления между сосудом и рубашкой не более 1 МПа. Это позволило увеличить рабочее давление без изменения конструкции сосуда путем повышения избыточного давления в полости рубашки, то есть создания противодавления на величину уравновешивающего давления, превышающего допустимое расчетное давление в сосуде.
При работе криогенной системы заправки 716.600.000 все технологические операции, связанные с переохлаждением жидкого кислорода, захолаживанием коммуникаций, выдачей в коммуникации и заправкой бака разгонного блока, проходят автоматически без участия обслуживающего персонала. Перед началом наполнения рубашки жидким азотом в сосуде агрегата-заправщика производится замена азотной среды на гелиевую методом полоскания, и создается избыточное давление гелия от 0,03 до 0,08 МПа. Это давление поддерживается в процессе наполнения полости хладагента жидким азотом. При наполнении жидким азотом рубашки пары, образующиеся при охлаждении сосуда и рубашки, отводятся через газосброс 21. По достижении уровня жидкого азота 22,5 тонны наполнение прекращается. В процессе наполнения в сосуде жидкого кислорода поддерживается избыточное давление гелия 0,03-0,08 МПа. По достижении уровня 44 тонны подачу жидкого кислорода прекращают. Переохлаждение жидкого кислорода достигается понижением температуры жидкого азота при эжектировании полости хладагента средствами блока откачки 6. Эжектирование полости хладагента производится через трубопровод 23 откачки паров жидкого азота. Температура жидкого азота и жидкого кислорода в процессе переохлаждения контролируется по датчикам температуры. Захолаживание и заполнение коммуникаций системы 716.600.000 457ГК производится автоматически непосредственно перед началом заправки бака разгонного блока. Перед захолаживанием и заполнением коммуникаций системы жидкий кислород в сосуде охлаждается до температуры, которая будет обеспечивать в процессе заправки бака разгонного блока температуру на выходе из системы 75К. Заправка переохлажденным жидким кислородом производится вытеснением его из сосуда газообразным гелием при давлении 1,3-1,35 МПа. В полости хладагента избыточное давление поддерживается 0,22-0,3 МПа. При понижении давления в полости хладагента ниже 0,22 МПа регулирующий клапан давления 25 открывается, газообразный гелий из сосуда поступает в рубашку, и давление в полости хладагента повышается до 0,3 МПа, поддерживая допустимый перепад давления между сосудом и рубашкой не выше расчетного давления сосуда 1 МПа.
Технико-экономический эффект заключается в возможности использования криогенной заправочной системы для заправки ракет различных типов с разными высотными отметками расположения бака разгонного блока, требующими широкого диапазона допустимых рабочих давлений для вытеснения оксида - переохлажденного жидкого кислорода из сосуда агрегата-заправщика.