Способ замены газовой среды в баках и топливных системах ракет, заправляемых жидким водородом

 

Изобретение относится к криогенной технике, в частности к технологиям подготовки топливных систем и оборудования под заполнение криогенными жидкостями. Задача изобретения состоит в повышении качества, уменьшении времени и затрат на подготовку ракет к старту. Способ осуществляется поэтапной подготовкой для замены газовой исходной среды в баках на водород. Первый этап проводится на техническом комплексе путем осуществления цикла операций вакуумирования баков и заполнения их неконденсирующейся нейтральной средой - гелием. При тонкостенных баках в процессе вакуумирования обеспечивают положительный перепад давления из полости баков в окружающую среду. Для изделий, испытываемых на герметичность в вакуум-камере, операции вакуумирования и заполнения гелием совмещают с таковыми для гермоиспытаний. Второй этап проводят на старте путем дренажа баков в процессе испарения жидкого водорода при захолаживании топливной системы в начальный период заправки, при этом расход захолаживания устанавливают 5 - 30% от номинального расхода заправки, а давление - в нижней части рабочего диапазона давлений в баках. При наличии ограничения на содержание гелия перед началом заправки проводят продувку баков газообразным водородом. 4 з.п. ф-лы.

Изобретение относится к криогенной технике, конкретно к технологиям подготовки топливных систем и оборудования под заполнение криогенными компонентами топлива.

Известны способы замены исходной воздушной среды в емкостях, которые состоят в продувке емкости азотом или продувке с одновременным вакуумированием до остаточной концентрации кислорода 1-2% с последующей продувкой ее газообразным водородом [1] Эти способы разработаны и используются для наземного оборудования, предназначенного под заполнение жидким водородом. Тонкостенные ракетные баки, например, не выдерживают разрежения.

Известен также ставший традиционным для отечественной авиакосмической техники способ замены газовой среды в баках и топливных системах ракет, заправляемых жидким водородом, состоящий в последовательной поэтапной замене исходной среды на водородную среду [2] Реакция этого способа требует большого объема работ, длительности (4-6 ч) и значительных материальных затрат. Кроме того, наличие тупиковых, непродуваемых полостей в топливной системе не позволяет путем продувки качественно заменить среду, а введение конструктивных элементов для продувки тупиковых полостей приводит к увеличению веса изделия и соответствующему удорожанию.

Задачей изобретения является повышение качества, снижение затрат и длительности подготовки ракет на старте.

Способ осуществляют поэтапно. Первый этап замены исходной среды проводят на техническом комплексе путем осуществления циклов операций вакуумирования баков и топливных систем и заполнения (наддува) ее неконденсирующейся нейтральной гелийсодержащей средой. Второй этап проводят на старте путем дренирования баков в процессе испарения жидкого водорода в начальный период заправки. При этом вакуумирование тонкостенных баков проводят в вакуум-камере так, чтобы постоянно сохранялся положительный или нулевой перепад давления из полости баков в вакуум-камеру (окружающую среду). Для баков и топливных систем, проверяемых на герметичность методом натеканий в вакуумную камеру гелийсодержащей среды, первый этап замены среды совмещается с операциями вакуумирования и заполнения баков и топливных систем гелийсодержащей средой гелием для гермоиспытаний или проводится непосредственно за ними в той же вакуум-камере.

Для увеличения объемного расхода испаряющегося водорода и соответствующего повышения эффективности замены среды второй этап (начальный период заправки захолаживание топливной системы) проводят на расходе 5-30% от номинального и при давлениях в нижней части рабочего диапазона для бака и топливной системы. При ограничениях на содержание гелия в баке перед заправкой для более полного удаления его второй этап проводят путем вентиляции газообразным водородом до промежуточных концентраций гелия и других примесей с последующим доведением их до необходимых конечных величин за счет испарения жидкого водорода в процессе захолаживания топливной системы.

П р и м е р. Ступень ракеты, содержащую топливную систему водорода с баком, заполненным воздухом, устанавливают в вакуум-камеру. Сбрасывают давление из бака и топливной системы до атмосферного. Вакуумируют камеру и внутренние полости бака и топливной системы. Процесс вакуумирования проводят таким образом, чтобы давление в баке постоянно было большим, чем в вакуум-камере, или равным ему. Подают в бак водорода гелийсодержащую среду (гелий) до достижения в нем давления хранения, соответствующего температуре окружающей среды. Отбирают пробу газа (гелия) из бака и анализируют ее на содержание примесей. Если содержание азота и кислорода более установленных величин, повторяют цикл операций сброса давления вакуумирования и подачи гелия.

Устанавливают ступень в составе ракеты на старт. Продувают бак и топливную систему газообразным водородом. Отбирают пробу из бака и анализируют ее на содержание примесей. Если содержание кислорода и азота менее допустимых величин, проводят заправку бака водородом. При этом начальный период заправки захолаживание топливной системы проводят на малом расходе и при минимально допустимых давлениях.

Значения параметров в примере осуществления способа: исходное давление в баке 0,7-0,8 кгс/см²изб. давление вакуумирования 0,1-0,5 мм рт.ст. содержание азота после вакуумирования и заполнения гелием не более 0,1 об. содержание кислорода не более 0,005 об. кратность обмена газовой среды в баке при продувке газообразным водородом 4-5; допустимое содержание кислорода перед началом заправки 5˙10^-4 об. допустимое содержание азота перед началом заправки 5˙10^-2 об. расход жидкого водорода в начальный период заправки 10-20 от номинального; давление в баке 0,2-0,7 кг/см² изб.

Если содержание гелия в баках перед началом заправки не ограничивается, продувка баков газообразным водородом исключается.

Использование предлагаемого способа позволяет в несколько раз сократить время, упростить технологию и оборудование заправки на старте и, соответственно, снизить материальные затраты. При этом на техническом комплексе практически не усложняется технология и оборудование, поскольку способ применяется для изделий, проверяемых на герметичность в вакуум-камере, а сама работа операционно совмещается с гермоиспытаниями.

Первый этап замены среды может быть проведен совместно с гермоиспытаниями в вакуум-камере независимо от того, где они расположены: на техническом комплексе или заводе-изготовителе ракеты. Качество замены среды улучшается вследствие того, что с помощью вакуумирования обеспечивается замена среды в тупиковых, непродуваемых полостях топливной системы.

Формула изобретения

1. СПОСОБ ЗАМЕНЫ ГАЗОВОЙ СРЕДЫ В БАКАХ И ТОПЛИВНЫХ СИСТЕМАХ РАКЕТ, ЗАПРАВЛЯЕМЫХ ЖИДКИМ ВОДОРОДОМ, заключающийся в поэтапной замене исходной среды на водородную среду, отличающийся тем, что первый этап замены исходной среды проводят на техническом комплексе путем осуществления циклов операций вакуумирования баков и топливных систем и заполнения с наддувом их гелийсодержащей средой, а второй этап проводят на старте путем дренажа баков в процессе испарения жидкого водорода в начальный период заправки.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что вакуумирование тонкостенных баков проводят в вакуумной камере технического комплекса с сохранением постоянно положительного или нулевого перепада давления из полости баков в окружающую среду.

3. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что для баков и топливных систем, проверяемых на герметичность методом натеканий в вакуум-камеру гелийсодержащей среды, первый этап замены среды совмещают с операциями вакуумирования и заполнения баков и топливных систем гелийсодержащей средой для гермоиспытаний или проводят непосредственно за ними в той же вакуум-камере.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что второй этап замены среды проводят в процессе захолаживания топливной системы при расходе заправки в период захолаживания 5-30% от номинального в нижней части рабочего диапазона давлений топливной системы.

5. Способ по пп.1 4, отличающийся тем, что для топливных систем ракет с ограничениями по содержанию гелия и других примесей в жидком водороде или в баке перед заправкой второй этап замены среды проводят путем вентиляции газообразным водородом до промежуточных концентраций гелия и других примесей с последующим доведением их до необходимых конечных величин за счет испарения жидкого водорода в процессе захолаживания топливной системы.