СПОСОБ ОЧИСТКИ ОТДЕЛЯЮЩЕЙСЯ ЧАСТИ РАКЕТЫ ОТ ЖИДКИХ ТОКСИЧНЫХ ОСТАТКОВ КОМПОНЕНТОВ РАКЕТНОГО ТОПЛИВА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD FOR CLEANING OF ROCKET SEPARATING PART FROM LIQUID TOXIC REMAINS OF ROCKET FUEL COMPONENTS AND DEVICE FOR ITS REALISATION

Изобретение относится к ракетно-космической технике, преимущественно к ракетам-носителям (РН) с жидкостными ракетными двигателями (ЖРД) на токсичных компонентах ракетного топлива (КРТ), а именно на горючем - несимметричном диметилгидразине (НДМГ) и окислителе на основе азотной кислоты (АК) - азотном тетраксиде (AT).
Известны способы нейтрализации НДМГ в отделяющихся частях (ОЧ) ракеты на пассивном участке траектории полета (ПУТ), например способ нейтрализации токсичных компонентов ракетного топлива на основе азотной кислоты и несимметричного диметилгидразина в отделяющейся части ракеты (патент РФ №2028468, МПК 6 F01N 3/10). Данный способ включает следующие операции: после останова двигателя часть жидкого НДМГ подают в магистраль окислителя низкого давления, а газообразные продукты разложения окислителя при достижении предельно допустимого давления в баке окислителя направляют в бак с остатками НДМГ и осуществляют сброс продуктов взаимодействия в окружающее пространство.
Устройство для осуществления данного способа содержит: шар-баллон с мембраной и автоматикой для подачи НДМГ, соединительную магистраль бака окислителя и бака горючего с клапанами.
Недостатком данного способа и устройства для его осуществления является повышенная температура в туннельном трубопроводе при взаимодействии самовоспламеняющихся компонентов во время подачи НДМГ из дополнительной емкости, что приводит к выделению значительного количества теплоты и большой вероятности разрушения туннельного трубопровода.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению (прототипом) является способ очистки бака отделяющейся части ракеты от несимметричного диметилгидразина и устройство для его осуществления (патент РФ №1817891, МПК B64D 37/28, F42B 15/00). Данный способ включает следующие операции: к отделившейся части ракеты прикладывают знакопеременную перегрузку, в бак горючего вводят окислитель на основе азотной кислоты с дополнительно растворенным в нем нитратом металла, каталитически активным к НДМГ, при достижении в баке предельно допустимого давления сбрасывают из бака газообразные продукты с приданием вращения отделившейся части вокруг ее продольной оси.
Устройство для осуществления данного способа содержит: вытеснительную емкость с заправочно-сливным клапаном, дренажный и предохранительный клапаны, шар-баллон, пусковые пироклапаны, дроссель, дополнительный дренажно-предохранительный клапан, пиромембрану, пороховые ракетные двигатели для придания знакопеременной перегрузки и раскрутки корпуса отделяющейся части, блок управления, датчиковую аппаратуру, дренажно-предохранительные клапаны, сигнализатор давления.
Однако практическая реализация способа-прототипа возможна при условии соблюдения высокотемпературного режима термохимического процесса очистки, что является причиной резкого снижения прочности конструкции бака горючего и возможности его разрушения в процессе очистки, а также отсутствие действий по очистке бака окислителя от жидких остатков окислителя и невозможность реализации мероприятий по очистке расходных трубопроводов окислителя и горючего.
Задачей изобретения является расширение функциональных возможностей способа и устройства для его осуществления путем обеспечения очистки не только бака горючего, но и бака окислителя и расходных трубопроводов окислителя и горючего, а также повышение надежности системы путем снижения температурного режима осуществления способа.
Поставленная задача достигается тем, что в способе очистки отделяющейся части ракеты от жидких токсичных остатков компонентов ракетного топлива на пассивном участке полета, по которому осуществляют приложение к отделившейся части ракеты знакопеременной перегрузки и придание вращения отделившейся части ракеты вокруг продольной оси, введение в бак в распыленном виде окислителя на основе азотной кислоты, в результате чего происходит взаимодействие окислителя с несимметричным диметилгидразином с образованием газообразных продуктов, которые затем сбрасывают в окружающее пространство, согласно заявляемому изобретению, после перемещения остатков окислителя к верхнему днищу бака производят вскрытие дренажного клапана, продувают магистрали горючего и окислителя и осуществляют прорыв мембран форсуночных коллекторов нейтральным газом, после чего, одновременно с подачей окислителя в бак горючего производят вскрытие пиромембран соединительных трубопроводов.
Поставленная задача достигается также тем, что устройство, содержащее вытеснительную емкость с заправочно-сливным клапаном, шар-баллон, дренажный клапан, пироклапаны, пиромембрану, пороховые ракетные двигатели для раскрутки корпуса отделяющейся части ракеты, блок управления, согласно заявляемому изобретению, дополнительно содержит соединительные трубопроводы с пиромембранами, соединяющие расходные трубопроводы низкого давления бака горючего перед главным клапаном горючего и расходный трубопровод окислителя перед главным клапаном окислителя, устанавливаемый на верхнем днище бака окислителя, редуктор, связанный с электропневмоклапаном и вытеснительной емкостью.
Дренажный клапан снабжен тарелью, перекрывающей его выходной патрубок.
На чертеже изображена принципиальная схема устройства, реализующего заявляемый способ.
Устройство содержит: баки окислителя и горючего 1,2 - соответственно, расходный трубопровод (магистраль) окислителя 3, дренажный клапан с тарелью 4, расходные трубопроводы (магистрали) горючего 5, форсуночные коллекторы 6, пироклапаны 7-10, шар-баллон с нейтральным газом (азотом) 11, вытеснительную емкость с заправочно-сливным клапаном окислителя 12, редуктор 13, электропневмоклапаны 14-17, пиромембраны 18, 19, соединительные трубопроводы 20, 21, главные (отсечные) клапаны расходных трубопроводов окислителя и горючего 22-25.
Способ осуществляется следующим образом.
После подачи главной команды на выключение ЖРД подается команда на включение пороховых ракетных двигателей (ПРД) разделения ступеней и увода. Под действием обратной перегрузки при срабатывании ПРД жидкие остатки КРТ из нижних днищ баков горючего 2 и окислителя 1, туннельного трубопровода окислителя 3 перемещаются в направлении верхних днищ баков. После перемещения остатков КРТ к верхним днищам баков, в частности к верхнему днищу бака окислителя, производят вскрытие дренажного клапана 4.
Время перемещения жидких остатков окислителя от нижнего днища к верхнему днищу бака окислителя (для случая работы ПРД в течение всего времени перемещения остатков окислителя, что практически всегда имеет место) определяется по формуле:
бо
cm
прд
где L - длина бака окислителя; М - масса ОЧ ракеты; Р - суммарная тяга ПРД разделения ступеней и увода.
1
При достижении основной массы окислителя верхнего днища бака через интервал времени Т после срабатывания ПРД осуществляют вскрытие дренажного клапана 4, установленного в верхнем днище бака окислителя 1 и снабженного тарелью. Таким образом, создается возможность выброса значительной массы окислителя в окружающее пространство без придания приращения скорости движения ОЧ.
При открытии дренажного клапана, снабженного тарелью, перекрывающей выходной патрубок, тарель приподнимается над выходным патрубком, и при истечении через клапан продукты газификации отражаются от тарели в диаметрально противоположные стороны, обеспечивая осевую компенсацию. Тарель предотвращает возникновение дополнительного возмущения при сбросе продуктов газификации, вызываемого их истечением, что, в свою очередь, не увеличивает площади районов падения ступеней ракет. Далее такой дренажный клапан предлагается называть безмоментным дренажным клапаном (БДК).
После срабатывания БДК 4, производится вскрытие пироклапанов 7-10 и продувка расходного трубопровода окислителя 3 и расходных трубопроводов горючего 5 из установленного шар-баллона 11 со сжатым нейтральным газом с целью максимального удаления остатков КРТ из расходных магистралей и предотвращения их химического взаимодействия между собой в соединительных трубопроводах 20, 21, а также снижения газодинамического и температурного воздействия на стенки трубопроводов и бака окислителя.
Время продувки определяется по формуле:
mp
mp
г
где L - длина продуваемого трубопровода от отсечных клапанов до заборного устройства бака; F - площадь проходного сечения расходного трубопровода; Q - объемный секундный расход газа продувки.
2
Через время T производится закрытие электропневмоклапанов 16, 17 и запуск ПРД закрутки, обеспечивающих закручивание ОЧ со скоростью 3-4 оборота в минуту с целью равномерного распределения остатков НДМГ по стенкам бака Г (это необходимо для обеспечения фиксированной площади взаимодействия горючего и окислителя, а также создания поглощающего тепло слоя жидкости с целью защиты стенок бака Г от перегрева и разрушения - в соответствии с действиями по прототипу).
Суммарная тяга ПРД закрутки определяется по формуле:
cm
cm
cm
прд.з
где n - частота оборотов ступени вокруг продольной оси в минуту; М - масса ОЧ ракеты; D - диаметр ОЧ ракеты; τ - время работы ПРД закрутки ОЧ ракеты.
После закручивания ОЧ вокруг продольной оси подают команды на вскрытие пиромембран 18, 19 соединительных трубопроводов 20, 21 и подачу окислителя из шар-баллона 12 через электропневмоклапан 14 и редуктор 13 в форсуночные коллекторы 6. В баке Г происходит взаимодействие капельной смеси АК (AT) с парами и газожидкостной фазой горючего, в результате чего поднимается давление и температура, необходимая для газификации всей массы горючего, находящегося в баке Г.
Продукты газификации и частичного разложения НДМГ направляются через соединительные трубопроводы 20, 21 в расходный трубопровод окислителя 3 и далее поступают в бак О 1, где происходит химическая реакция взаимодействия продуктов газификации с остатками окислителя и сброс в окружающую среду продуктов их взаимодействия через БДК 4.
Работа системы газификации будет прекращена по окончании действия химической реакции НДМГ и АК в баке Г.
Данный способ и устройство для его осуществления могут быть реализованы на любых ракетах-носителях, использующих жидкие токсичные КРТ (АК и НДМГ).
Заявляемый способ очистки отделяющейся части ракеты от жидких токсичных остатков компонентов ракетного топлива и устройство его осуществления обеспечивают:
- возможность максимального сокращения остатков токсичных самовоспламеняющихся КРТ в топливных баках РН и расходных топливных магистралях двигательной установки;
- способ позволяет сохранить прочность конструкции за счет низкотемпературного режима газификации остатков КРТ;
- снижается техногенное воздействие на окружающую среду РН на жидких токсичных КРТ.