Способ заправки жидким водородом топливного бака ракетно-космической системы

Способ заправки жидким водородом топливного бака ракетно-космической системы

Реферат

Изобретение относится к области ракетно-космической техники и может быть использовано при заправке жидким криогенным компонентом ракетного топлива - переохлажденным жидким водородом топливного бака двигательной установки ракетного блока ракетно-космической системы (РКС).

Известен способ заправки жидким криогенным компонентом ракетного топлива - переохлажденным жидким кислородом - топливного бака РКС, включающий заполнение бака жидким кислородом до заданного уровня заправки и последующее выравнивание температуры жидкого кислорода по высоте бака, осуществляемое путем барботирования через жидкий кислород гелия (пат. РФ №2155147, кл. B 64 G 5/00, F 17 C 6/00, 1999). Недостатком данного способа является то, что он эффективно применим только для заправки бака РКС жидким кислородом, поскольку растворимость в нем гелия незначительна и барботирование гелия через жидкий кислород не ухудшает энергетических характеристик кислорода как компонента ракетного топлива. Гелий обладает повышенной растворимостью в жидком водороде, поэтому барботирование гелия через жидкий водород приведет к насыщению водорода гелием и снижению энергетических характеристик ракетного блока РКС, так как способность гелия выделяться из криогенной жидкости при понижении давления уменьшает кавитационный запас насосов турбонасосного агрегата (ТНА), вызывает необходимость повышения давления наддува топливного бака при выработке жидкого водорода и приводит к увеличению веса бака и конечной массы ракетного блока.

Наиболее близким к предложенному является способ заправки жидким водородом топливного бака РКС, включающий заполнение бака жидким переохлажденным водородом до заданного уровня заправки и последующее выравнивание температуры жидкого водорода в баке путем подачи в бак переохлажденного водорода, вводимого в газовую подушку бака через специальный коллектор (см. Ракетно-космический комплекс. «Космодром», под ред. проф. А.П.Вольского, изд. МО СССР, М., 1977, с. 142-158, 179). Подача жидкого переохлажденного водорода сверху на зеркало жидкого водорода в баке позволяет снизить температуру верхнего прогретого слоя жидкого водорода и способствует выравниванию температуры этой криогенной жидкости по высоте бака перед стартом РКС. Недостатком данного способа заправки является то, что его использование связано с наличием больших тепловых остатков незабора жидкого водорода в топливном баке по окончании работы криогенного жидкостного ракетного двигателя (ЖРД) двигательной установки РКС. Это обусловлено тем, что наддув бака в процессе выработки из него жидкого водорода при полете РКС производится теплым газообразным водородом, поступающим от работающего ЖРД, и за счет теплообмена и конденсации газа наддува на поверхности жидкости происходит прогрев верхнего слоя жидкого водорода, приводящий к увеличению тепловых остатков незабора в баке. Наличие больших остатков незабора жидкого водорода в топливном баке РКС снижает полезный груз РКС и ухудшает технико-экономические показатели РКН. Кроме того, при колебаниях и всплесках жидкости в баке, имеющих место при старте и во время полета РКС, возникают провалы давления в увеличивающемся при выработке топлива газовом объеме бака вследствие резкого охлаждения отдельных участков теплой газовой полости бака при их контакте с брызгами жидкого водорода или холодными участками стенки бака. Провалы давления в газовой полости бака жидкого водорода значительно снижают надежность работы криогенного ЖРД и существенно ухудшают условия эксплуатации бака, снижая надежность функционирования РКС в целом.

Задачей, решаемой изобретением, является увеличение полезного груза ракетно-космической системы за счет уменьшения тепловых остатков незабора в топливном баке жидкого водорода и повышение надежности РКС.

Решение поставленной задачи обеспечивается за счет того, что при заправке жидким водородом топливного бака ракетно-космической системы, включающей заполнение бака жидким переохлажденным водородом до заданного уровня заправки и выравнивание температуры жидкого водорода в баке путем подачи жидкого переохлажденного водорода в газовую подушку бака, в соответствии с изобретением, выравнивание температуры жидкого водорода в топливном баке совмещают с предстартовым наддувом бака гелием, при этом подаваемый в газовую подушку бака жидкий переохлажденный водород диспергируют в объем газовой подушки бака, обеспечивая охлаждение ее до температуры, при которой плотность гелия в газовой подушке превысит плотность в ней паров водорода.

Подаваемый в газовую подушку топливного бака жидкий переохлажденный водород, попадая на зеркало жидкого водорода в баке, охлаждает верхний слой жидкого водорода, способствуя выравниванию температуры криогенной жидкости по высоте бака. Одновременно с этим, поскольку жидкий переохлажденный водород диспергируется в объем газовой подушки бака, происходит интенсивный теплообмен между газом подушки и струями переохлажденной криогенной жидкости. При этом содержащиеся в газовой подушке бака пары водорода частично сжижаются в струях переохлажденного водорода, а вводимый в газовую подушку теплый гелий предстартового наддува бака охлаждается струями переохлажденного водорода и плотность его увеличивается. При охлаждении газовой подушки бака ниже 40 К плотность в ней гелия превысит плотность паров водорода, равновесных зеркалу жидкости, а газовая подушка оказывается заполненной холодным гелием с незначительным содержанием в нем паров водорода. Это обеспечивает постоянное нахождение данной газовой подушки, из-за ее большой плотности, на зеркале жидкого водорода в баке при опускании его вниз в процессе выдачи жидкого водорода в ЖРД. При этом холодная газовая подушка, постоянно прикрывающая сверху зеркало жидкого водорода в баке, защищает переохлажденный водород от прямого контакта с теплым газом наддува в течение всего времени опорожнения бака, что значительно снижает прогрев жидкого водорода при опорожнении бака и уменьшает количество остатков незабора жидкого водорода в баке, а также предотвращает провалы давления в газовой полости бака. Это позволяет увеличить полезный груз ракетно-космической системы и повысить надежность ее функционирования.

Сущность предлагаемого способа заправки поясняется с помощью чертежа.

Ракетно-космическая система 1, установленная на стартовой позиции космодрома, содержит вертикально расположенный топливный бак 2 жидкого водорода, имеющий внешнюю теплоизоляцию 3. Нижняя часть топливного бака 2 бортовым трубопроводом заправки 4 с клапаном 5 через бортовое разъемное соединение 6 подключена к наземному трубопроводу 7 подачи в бак жидкого водорода, а также имеет трубопровод 8 выдачи жидкого водорода на криогенный ЖРД данной ступени (ракетного блока) РКС. В верхней части топливного бака 2 имеется полость газовой подушки 9 бака, расположенная выше заданного уровня заправки бака жидким водородом. В полости газовой подушки 9 бака 2 установлены коллектор 10, подключенный к трубопроводу 11 подачи в бак жидкого переохлажденного водорода, и коллектор наддува 12, подключенный к трубопроводу 13 подачи гелия предстартового наддува бака и трубопроводу 14 подачи водорода наддува от ЖРД данной ступени РКС. Коллектор 10 имеет по своему периметру отверстия (не показаны) для диспергирования жидкого переохлажденного водорода в объем газовой подушки 9. Для контроля температуры верхнего слоя жидкого водорода в топливном баке 2 и температуры газовой подушки 9 бака в верхней части бака установлены датчики температуры, соответственно, 15 и 16. В верхней части газовой подушки 9 бака установлен также дренажный трубопровод 17.

Перед заправкой топливного бака 2 осуществляется замена в нем воздушной среды на водородную путем последовательной продувки бака азотом и водородом, затем производится заполнение бака жидким переохлажденным водородом через бортовой трубопровод заправки 4 при отводе паров водорода через дренажный трубопровод 17 с обеспечением требуемого давления в баке 2. При достижении заданного уровня заправки бака 2 подачу в бак жидкого переохлажденного водорода через трубопровод 4 прекращают, при этом в верхней части бака над зеркалом жидкого водорода располагается газовая подушка 9, содержащая пары водорода. За заданное расчетное время до старта РКС начинают выравнивание температуры жидкого водорода в топливном баке 2, для чего включают подачу жидкого переохлажденного водорода в верхнюю часть бака через коллектор 10. Одновременно с этим включают подачу в бак 2 гелия предстартового наддува бака через коллектор наддува 12. Поступающий сверху через коллектор 10 переохлажденный водород охлаждает верхний прогретый слой жидкого водорода в баке 2, что способствует выравниванию температуры жидкого водорода по высоте бака. При этом, поскольку переохлажденный водород диспергируется через коллектор 10 в объем газовой подушки 9 бака, то есть вводится в виде множества равномерно распределенных мелких струй, интенсивно охлаждающих газовую подушку 9, в ней происходит конденсация большей части паров водорода и поступление их на зеркало жидкости в баке. Поступающий в газовую подушку 9 гелий предстартового наддува бака также интенсивно охлаждается в струях переохлажденного водорода.

Таким образом, в процессе выравнивания температуры жидкого водорода в топливном баке 2 в его газовой подушке 9 происходит конденсация значительной части паров водорода и одновременное накопление холодного газообразного гелия, плотность которого увеличивается по мере захолаживания объема газовой подушки. Контроль за изменением температуры верхнего слоя жидкого водорода в топливном баке 2 и температуры газовой подушки 9 бака ведется с помощью датчиков температуры 15 и 16. Поскольку ввод в бак 2 жидкого переохлажденного водорода через коллектор 10 сопровождается повышением уровня жидкого водорода в баке, в процессе выравнивания температуры жидкого водорода осуществляется подслив части жидкого водорода из бака по трубопроводу 4. По окончанию предстартового наддува бака 2 газовая подушка 9 его оказывается заполненной холодным гелием с небольшим содержанием в нем паров водорода. При достижении конечной температуры охлаждения газовой подушки 9 ниже 40 К плотность гелия превысит плотность паров водорода в газовой подушке, что обеспечивает в дальнейшем постоянное устойчивое нахождение данного низкотемпературного газового объема на поверхности (на зеркале) жидкого водорода при опускании ее вниз в процессе выдачи жидкого водорода из бака. Заданное расчетное время перед стартом РКС, в течение которого проводится выравнивание температуры жидкого водорода в топливном баке 2 и охлаждение газовой подушки 9 до требуемой конечной температуры ее, соответствует величине наиболее продолжительного из этих процессов и определяется по результатам предварительно проводимых расчетно-экспериментальных работ. Это время зависит от размеров топливного бака 2, величины газовой подушки 9, расхода переохлажденного водорода через коллектор 10 и качества его диспергирования, значения давления предстартового наддува и скорости подачи в бак гелия. По истечении этого времени, когда произойдет выравнивание температуры жидкого водорода в топливном баке 2 и снижение температуры газовой подушки 9 ниже 40 К при давлении предстартового наддува, отключают подачу переохлажденного жидкого водорода на коллектор 10 бака. При работе криогенного ЖРД после старта РКС осуществляют подачу жидкого водорода на ЖРД из топливного бака 2 по трубопроводу 8 и производят наддув бака 2 теплым газообразным водородом, поступающим от работающего ЖРД на коллектор наддува 12. Во время полета РКС при понижении уровня жидкого водорода в баке 2 холодная газовая подушка 9, заполненная гелием, опускается вниз вместе с зеркалом жидкости в баке, поскольку она значительно тяжелее газа наддува: плотность гелия при 40 К в 12-15 раз превышает плотность теплого водорода наддува. Постоянное наличие между жидким водородом и теплым газом наддува низкотемпературного газового объема, образованного газовой подушкой 9, значительно снижает теплоприток к жидкому водороду и позволяет существенно уменьшить количество тепловых остатков незабора жидкого водорода в топливном баке 2. Размещение низкотемпературного газового объема на зеркале жидкого водорода также предотвращает возникновение провалов давления в газовой полости топливного бака при его опорожнении, что повышает надежность работы ЖРД и улучшает условия эксплуатации бака.

Таким образом, предложенное техническое решение позволяет, за счет уменьшения тепловых остатков незабора жидкого водорода и предотвращения провалов давления в топливном баке РКС, повысить надежность ракетно-космической системы и увеличить массу выводимого полезного груза.

Способ заправки жидким водородом топливного бака ракетно-космической системы, включающий заполнение бака жидким переохлажденным водородом до заданного уровня заправки и выравнивание температуры жидкого водорода в баке путем подачи жидкого переохлажденного водорода в газовую подушку бака, отличающийся тем, что выравнивание температуры жидкого водорода в топливном баке совмещают с предстартовым наддувом бака гелием, при этом подаваемый в газовую подушку бака жидкий переохлажденный водород диспергируют в объем газовой подушки бака, обеспечивая охлаждение ее до температуры, при которой плотность гелия в газовой подушке превысит плотность в ней паров водорода.