УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЗАПРАВКИ БАКОВ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА ТОПЛИВОМ МЕТОДОМ ВЫТЕСНЕНИЯ
DEVICE FOR SPACESHIP TANK DRIVE FILLING

Изобретение относится к наземному оборудованию для космических аппаратов, в частности к устройствам для заправки баков космических аппаратов (далее КА) топливом, например гидразином методом вытеснения. Дальнейшее описание изобретения ведется применительно к частному случаю заправки топливом, а именно заправки гидразином.
Из общего уровня техники известны заправочные устройства, представляющие собой герметичный корпус цилиндрической, сферической или иной формы, разделенный на две полости - газовую и жидкостную гибким разделителем, например мембраной. В жидкостной полости находится гидразин, в газовой - газ, например азот. При повышении давления азота при подаче дополнительных его порций от источника гибкий разделитель стремится выгнуться в сторону жидкостной полости, давление гидразина в ней повышается и гидразин по трубопроводу, связывающему заправочное устройство с заправляемым баком КА, перетекает в бак КА.
Недостатком этого устройства является малая долговечность мембраны, т.е. ее ограниченная способность перемещения из одного крайнего положения в другое. Вызвано это следующими обстоятельствами. Гидразин является агрессивным веществом и в нем могут работать только ограниченное число материалов. В основном это металлы: алюминиевые сплавы и нержавеющие стали. Тем более это критично для такого напряженного элемента конструкции, как мембрана, рабочий ход которой в сотни раз превышает ее толщину, которая, в свою очередь, не может быть более нескольких десятых долей миллиметра. В противном случае мембрана теряет свою гибкость и способность перемещаться на требуемую величину. Обычно мембраны рассчитываются на один цикл перемещения, т.е. на выдавливание за один раз всего количества гидразина в заправляемый бак КА. При перерывах в заправке или при необходимости повторной заправки резко возрастает риск разгерметизации мембраны или даже ее разрушения в результате периодического изменения температуры окружающей среды, а следовательно, и температуры топлива, что вызывает уменьшение или увеличение его объема. А это влечет за собой периодические перемещения мембраны, хотя и на небольшую величину, но весьма существенно влияющую на ее прочность в сторону ослабления.
Кроме того, недостатком мембраны является сама ее тонкостенность, поскольку в материале мембраны могут быть дефекты, образующиеся или при прокате металлического листа, из которого изготавливается мембрана, или при изготовлении самой мембраны. Эти дефекты могли быть не обнаружены в процессе изготовления и испытаний мембраны и могли вскрыться лишь в процессе эксплуатации. Например, при тряске во время транспортирования.
Частично задачу предохранения мембраны от периодических перемещений в результате изменения температуры решает устройство по патенту RU 2265131, в котором в качестве амортизирующего элемента введен компенсатор объема. Он также представляет собой герметичный корпус, разделенный на газовую и жидкостную полости гибким разделителем, газовая полость которого соединена с газовой полостью устройства для заправки, а жидкостная полость - с жидкостной полостью этого устройства. В нем в качестве гибкого разделителя применен металлический сильфон, работоспособность которого в сотни раз выше, чем у мембраны (до 1000 циклов растяжения - сжатия практически на всю его длину). Жесткость сильфона в несколько раз меньше жесткости мембраны, поэтому он вбирает в себя избыточный объем топлива из заправочного устройства при повышении температуры или выдает недостающий объем топлива в заправочное устройство при понижении температуры. При этом мембрана практически не перемещается при изменении температуры и ее прочность не уменьшается.
Однако сильфон в компенсаторе не свободен от многих недостатков, присущих мембране. Например, он изготавливается из металлических листов такой же толщины и из таких же материалов, что и мембрана, и работает в такой же агрессивной среде. Преимущество его применения заключается в менее нагруженных условиях работы благодаря его большей гибкости. Вследствие этого надежность заправочного устройства повышается весьма существенно. Тем не менее, при применении устройства по патенту RU 2265131 в качестве наземного оборудования (что не запрещено патентом) не решен вопрос о безопасном для обслуживающего персонала и окружающей среды удалении из трубопроводов остающегося в них после заправки топлива.
Кардинально решает вопрос по мембранам и сильфонам устройство для заправки топливом космического аппарата по патенту RU 2155705, которое принято за прототип. В нем и мембрана и сильфон отсутствуют. Устройство - объединенный заправочный модуль - состоит из бака переноса топлива, бака с компрессионным веществом, вакуумного бака, арматуры и соединяющих их трубопроводов.
В баке с компрессионным веществом находится сжатый газ (азот или гелий), в баке переноса топлива - топливо, предназначенное для заправки бака КА, в вакуумном баке - инертный газ (азот, гелий) абсолютным давлением не более 0,5 мм ртутного столба.
Работает устройство следующим образом: из бака с компрессионным веществом сжатый азот (или гелий) поступает под давлением, под которым он находится в баке с компрессионным веществом, в бак переноса топлива и вытесняет топливо в бак КА. По окончании заполнения бака КА топливом и после отсечения от бака КА питающих его магистралей включается в работу вакуумный бак, в который всасываются оставшиеся в трубопроводах топливо и его пары. После этого топливо и его пары направляются на нейтрализацию.
Устройство по патенту RU 2155705 решает также вопрос безопасного для обслуживающего персонала и окружающей среды удаления из трубопроводов остающегося в них после заправки топлива.
Однако в этом устройстве есть ряд недостатков, исключение которых повысит его надежность и безопасность применения.
Недостатками указанного выше объединенного заправочного модуля являются следующие:
- непосредственный контакт компрессионного вещества с заправляемым в бак гидразином, который с ростом требуемого давления перед запуском КА приводит к значительному увеличению компрессионного вещества, растворенного в гидразине. А это ведет к снижению энергетического потенциала гидразина, поскольку часть активных молекул собственно гидразина замещается энергетически инертными молекулами (или атомами) компрессионного вещества;
2
- поскольку бак переноса топлива в составе объединенного заправочного модуля представляет собой емкость высокого давления с рабочим давлением 7 кгс/см и содержит сварные швы, то существует вероятность разгерметизации бака по сварным швам. А, следовательно, гидразин попадет в воздух рабочей зоны и должны быть приняты меры по защите обслуживающего персонала от его вредного воздействия.
Целью настоящего изобретения являются упрощение конструкции, повышение безопасности в части создания дополнительного барьера проникновению гидразина из бака для хранения и заправки (далее - БХЗ) в окружающую среду, устранение контакта компрессионного вещества с гидразином, повышение автономности и мобильности БХЗ.
Эта цель достигается тем, что в изобретении из состава исключен бак с компрессионным веществом и введено герметичное разделение БХЗ на газовую и жидкостную полости. Это разделение осуществляется введением в состав БХЗ поршня, герметизированного по линии контакта его цилиндрической поверхности и цилиндрической поверхности корпуса БХЗ, перемещение которого осуществляется подачей по подводящему трубопроводу сжатого азота или другого приемлемого для этой цели газа.
Вокруг корпуса БХЗ с определенным зазором установлен герметичный кожух. Полость между корпусом БХЗ и кожухом соединена с вакуумным баком и, при возможной негерметичности корпуса, гидразин и его пары, проникающие в эту полость, отсасываются в вакуумный бак. Для этой же цели служат два устанавливаемых соосно сильфона разных диаметров, так что один из них размещается внутри другого. Полости между внутренней стенкой корпуса БХЗ и большим сильфоном и между двумя сильфонами также соединены с вакуумным баком и также из этих полостей в вакуумный бак отсасываются проникающие при возможной негерметичности корпуса БХЗ и большего сильфона гидразин и его пары. Одновременно два соосно установленных сильфона будут надежно изолировать гидразин, находящийся под поршнем, от проникновения в него сжатого азота или другого приемлемого для этой цели газа.
Схематическая конструкция устройства показана на фиг.1
В состав устройства входят следующие составные: 1 - бак для хранения и заправки гидразина; 2 - вакуумный бак;
3-16 вентили; 17 - мановакуумметр.
Внутри бака 1 имеются поршень 18 и сильфоны 19 и 20. Поршень 18 имеет возможность перемещения вдоль оси бака 1 под давлением сжатого азота, поступающего через вентиль 5. Поршень герметизирован, например, подпружиненными манжетами по поверхности контакта поршня и цилиндрической поверхности бака 1.
2
Сильфоны 19 и 20 присоединены герметично к поршню 18 и крышке 21, закрывающей герметично внутреннюю полость бака 1. Через вентиль 3 подается азот давлением 1-2 кгс/см для выдувания из полости А (между цилиндрической поверхностью бака 1 и сильфоном 19) проникающих через возможную негерметичность паров гидразина. Эти пары через вентили 7, 13 попадают в вакуумный бак 2 и далее через вентиль 8 направляются в систему нейтрализации.
2
Через вентиль 4 в полость Б (между сильфонами 19 и 20) подается азот давлением 1-2 кгс/см и через вентили 6, 7, 13, вакуумный бак 2 и вентиль 8 выдувает пары гидразина на нейтрализацию.
2
Через вентиль 5 на поршень 18 подается азот давлением не более 5 кгс/см. За счет этого поршень перемещается вдоль оси бака 1 и вытесняет гидразин, который через вентиль 15 и трубопроводы поступает в баки КА. При необходимости слива гидразина из баков КА он выдавливается из этих баков снова в бак 1 через трубопроводы и вентиль 15. Из трубопроводов гидразин и его пары через вентиль 11 всасываются в вакуумный бак и остаются в нем до операции нейтрализации. Вентиль 9 и штуцер В служат для связи вакуумного бака 2 с вакуумным насосом (на фиг.1 не показан). Через вентили 12, 14 осуществляется связь вакуумной полости Г, окружающей корпус бака 1, с вакуумным баком 2, в который при возможной негерметичности корпуса из вакуумной полости Г всасываются пары гидразина и остаются в нем до момента их удаления на нейтрализацию.
Мановакуумметр 17 служит для измерения величины вакуума в вакуумном баке 2, в котором с помощью вакуумного насоса создается первоначальное абсолютное давление не выше 0,5 мм рт.ст.
Что касается применения сильфонов, которые выше были охарактеризованы как недостаточно надежные элементы. В предлагаемом изобретении применен принцип дублирования. Т.е. применен не один сильфон, а два, выполняющих одинаковые функции. Эти функции могут осуществляться как двумя сильфонами одновременно, так и каждым сильфоном в отдельности при выходе из строя другого сильфона. К тому же примененные в изобретении сильфоны имеют весьма ограниченный контакт с гидразином, в основном с его парами в слабой концентрации, поскольку все проникающие в полости сильфонов пары отсасываются в вакуумный бак.
В промышленности предлагаемое устройство для заправки баков космических аппаратов топливом, например гидразином, методом вытеснения может применяться для транспортирования и хранения гидразина и для заправки баков КА. При необходимости, устройство может применяться для приема гидразина из баков КА, его временного хранения и последующего транспортирования на предприятие, выполнявшее заполнение устройства гидразином.