Способ заправки топливом космического аппарата и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к способу заправки топливом космического аппарата и к устройству для его осуществления, в частности, к загрузке топливом типа гидразина из объединенного заправочного модуля в топливный бак космического аппарата. Объединенный заправочный модуль (10) содержит бак переноса топлива (14), вакуумный бак (12) и бак с компрессионным веществом (16). Заполненный бак переноса топлива (14) транспортируется на стартовую позицию к заправочному модулю (10). Перед стартом заправочный модуль (10) присоединяется к космическому аппарату (50). Топливо перекачивается под действием компрессионного вещества в топливный бак (52) космического аппарата. Компрессионное вещество создает в топливном баке (52) полетное давление. Все оставшееся топливо удаляется из соединителя (45) и линий передачи топлива (42) при помощи вакуумного бака (12). Такой способ заправки космического аппарата и устройство для его осуществления уменьшают вероятность возникновения утечек топлива. 3 с. и 7 з.п.ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к способу заправки топливом космического аппарата и к устройству для его осуществления. В частности, настоящее изобретение относится к загрузке топливом типа гидразина из объединенного заправочного модуля в топливный бак космического аппарата.

Известен способ загрузки топлива из объединенного заправочного модуля в топливный бак космического аппарата, содержащий этап перекачки заданного количества топлива из бака переноса топлива по линии передачи топлива в топливный бак космического аппарата при помощи компрессионного вещества, причем объединенный заправочный модуль включает бак переноса топлива, содержащий заданное количество топлива, бак переноса топлива имеет вход и выход, бак с компрессионным веществом, имеющий выход, присоединенный к входу бака переноса топлива ("Наземное оборудование ракет", "Военное издательство Министерства обороны СССР", М., 1971, с. 206, 208-210).

Известен также объединенный заправочный модуль для загрузки топлива в топливный бак космического аппарата по линии передачи топлива, содержащий бак переноса топлива, приспособленный для наполнения заданным количеством топлива, причем бак переноса топлива имеет вход и выход, бак с компрессионным веществом, имеющий выход, присоединенный к входу бака переноса топлива, причем бак с компрессионным веществом предназначен для перекачки заданного количества топлива из бака переноса топлива в топливный бак космического аппарата по линии передачи топлива ("Наземное оборудование ракет", "Военное издательство Министерства обороны СССР", М. 1971, с. 206,208-210).

Краткое изложение сущности изобретения Топливо необходимо во всех космических аппаратах для их ракетных двигателей и ускорителей. Типовые двигательные системы используют гидразин (N₂H₄) и смеси гидразина. Гидразин и смеси гидразина являются опасными материалами, так как они вызывают коррозию и характеризуются едкими, взрывоопасными и токсичными свойствами. При транспортировке и при работе с такими топливами должны предприниматься специальные меры предосторожности. Специальные процедуры предписываются также и правительственными службами.

Топливо должно быть загружено на борт космического аппарата еще до старта. Гидразин, например, чаще всего достигается на стартовую позицию в стандартных металлических бочках емкостью по 250,028 дм³ (55 галлонов). В газообразном состоянии гидразин может самопроизвольно разлагаться под действием каталитических эффектов или электрических искр со скоростью, приводящей к взрыву. Гидразин токсичен и легко проходит или поглощается кожей. Национальный институт профессиональной безопасности и здоровья (NIOSH; National Institute for Occupational Safety and Health) рекомендует проявлять предельную осторожность при работе с гидразином с тем, чтобы максимально сократить риск раковых заболеваний, вызванных воздействием гидразина. Институтом NIOSH предлагаются стандарты, в соответствии с которыми состав воздуха на рабочем месте должен поддерживаться таким, чтобы служащие не подвергались воздействию концентрации более 0,04 мг/м³ (0,03 тысячной) на протяжении любого 15-минутного контрольного интервала. Дополнительные сведения о гидразине могут быть получены в документе "Изучение испарения гидразина и очистка малых утечек". Министерство торговли США, AD-A064675.

Опасные свойства гидразина требуют специальной проверки контейнеров и режимов транспортировки, равно как и специальных мер при работе с ним. Утечки (spills, подтекания, затекания) считаются опасными явлениями и вероятность возникновения утечек при работе с гидразином требует специальных мер предосторожности. При выполнении операций обслуживания, когда не исключено возникновение утечек, персонал должен надевать замкнутые изолирующие костюмы, содержащие сжатый атмосферный воздух (SCAPE, selfcontained atmospheric pressurized environment). Все посторонние лица должны быть удалены за пределы участка, на котором они потенциально могут быть подвержены действию гидразина.

Традиционные операции по заправке топливом космического аппарата выполняются с использованием заправочной тележки, железных бочек емкостью 250,028 дм³ с гидразином, баков с жидким азотом (LN₂), баков с гелием или газообразным азотом (GN²), изопропилового спирта и баков для отходов. Заправка космического аппарата осуществляется примерно шестью сотрудниками, одетыми в изолирующие костюмы типа SCAPE, на протяжении от четырех до восьми часов. Традиционные процедуры установки и заправки топливом космического аппарата являются весьма сложными и опасными.

Специалистам известно, что имеется множество недостатков и неудобств, возникающих при выполнении такой традиционной операции заправки топливом космического аппарата. К этим недостаткам относится высокая вероятность возникновения утечек, обусловленных износом изолирующих костюмов типа SCAPE при их многократном использовании. Из-за громоздкости этих костюмов все выполняемые в них действия являются малоэффективными и увеличивают вероятность того, что возникнут незамеченные утечки, вызванные, например, подпрыгивающим оборудованием (bumping equipment, ударяющим оборудованием). Кроме того, изолирующие костюмы типа SCAPE являются очень дорогими и существенно увеличивают стоимость заправочных операций.

Другой недостаток традиционных операций заправки космических аппаратов заключается в отсутствии способа удаления остаточного топлива из соединений, выполненных между космическим аппаратом и заправочной тележкой. Остаточное топливо представляет серьезную угрозу здоровью и окружающей среде. В результате капающий гидразин должен быть собран и удален.

Еще одним недостатком традиционных операций по заправке топливом космического аппарата является то, что топливо (обычно гидразин или смеси гидразина) транспортируется из хранилища в металлических бочках емкостью 250,028 дм³. Металлические бочки емкостью 250,028 дм³ являются громоздкими и неудобны в работе при повышенной вероятности утечки топлива. Металлические бочки открываются на стартовой позиции и в атмосферу попадают топливные пары. Воздействие атмосферы увеличивает опасность загрязнения топлива. Загрязненное топливо больше не может использоваться и должно быть уничтожено. Для захоронения топлива необходимо выполнить специальные процедуры, так как топливо является опасным материалом.

Другим недостатком традиционных операций по заправке космического аппарата топливом является то, что в металлической бочке емкостью 250,028 дм³ обычно содержится большее количество топлива, чем требуется для одного спутника. Для обеспечения необходимого количества топлива традиционные операции заправки космического аппарата обычно включают взвешивание топлива на стартовой позиции. На взвешивание уходит много времени и кроме того это повышает опасность неверного заполнения топливных баков спутника из-за возможной ошибки оператора. Металлические бочки емкостью 250,028 дм³ не опустошаются полностью и избыточное топливо должно быть уничтожено. Дополнительной проблемой, связанной с использованием металлических бочек емкостью 250,028 дм³, является то, что Министерство транспорта США (DOT) недавно запретило перевозку гидразина в баках емкостью 250,028 дм³.

Еще один недостаток традиционных операций по заправке космического аппарата топливом заключается в том, что типовая заправочная тележка должна оснащаться бочкой с топливом емкостью 250,028 дм³, баком для отходов, баком с изопропиловым спиртом, клапанами загрязненного пара, а также сосудами с гелием или газообразным азотом (GN₂). Также требуются многочисленные присоединения к космическому аппарату. Каждое из таких соединений создает предпосылки для утечек и выхода топлива. Кроме того, на установление каждого соединения требуется определенное время. Стартовое оборудование может иметь клапаны загрязненного пара, работающие с гидразином или обеспечивающие очистку опасного пара.

Еще одним недостатком традиционных операций по заправке космического аппарата топливом является сложность заправочной тележки, приводящая к малому среднему времени между двумя отказами (СВДО). В результате низкого СВДО используются зарезервированные элементы и необходима специальная тренировка обслуживающего персонала на заправочной позиции для ремонта заправочной тележки. Кроме того, сложность работы традиционных заправочных тележек не позволяет технику - неспециалисту выполнять операции по заправке топливом. Необходимость в специально обученном персонале значительно увеличивает стоимость традиционных операций по заправке космического аппарата топливом. Другим недостатком является то, что в обычных заправочных тележках требуется электрическая энергия для приведения в действие вакуумных насосов и систем управления. Использование электричества сильно увеличивает опасность искрения и взрывов.

Видно, что традиционные операции по заправке космического аппарата топливом являются опасными, длительными и дорогостоящими и требуют удаления значительного количества опасных отходов. В ходе традиционных операций по заправке топливом обычно топливом заправляется лишь один космический аппарат. Тем не менее при запуске с одной платформы нескольких спутников традиционные подходы к заправке являются также чрезмерно длительными и дорогостоящими. Традиционные подходы также практически малоприемлемы в том случае, если большое число спутников должно быть запущено на регулярной основе.

Таким образом, возникает необходимость в способе и устройстве безопасной, быстрой и недорогой заправки космических аппаратов, снижающей также количество опасных отходов. Также необходимы способ и устройство заправки космических аппаратов, являющиеся в целом самодостаточными и не требующие внешних приспособлений. Также необходимы способ и устройство заправки космических аппаратов, не нуждающиеся в обслуживающем персонале, одетом в изолирующие костюмы типа SCAPE. Также необходимы способ и устройство заправки космических аппаратов топливом, в которых остаточное топливо удаляется из соединений со спутником без выброса остаточного топлива в атмосферу. Также необходим способ и устройство для заправки космических аппаратов топливом, исключающие использование металлических баков емкостью 250,028 дм³, предотвращающие топливные отходы и загрязнение топлива, в результате чего отпадает необходимость в уничтожении топлива.

Также необходимы способ и устройство для заправки космических аппаратов топливом, в которых не требуется взвешивание топлива на стартовой позиции и отпадает необходимость в баке для отходов, баке для изопропилового спирта и клапанах загрязненного пара. Таким образом, необходимы также способ и устройство, сокращающие число соединений, выполняемых в процессе заправки топливом космического аппарата, и исключающие необходимость в оснащении стартового оборудования клапанами загрязненного пара или газоочистителями опасного пара, способными работать с гидразином.

Краткое описание чертежей Фиг. 1 изображает структурную схему космического аппарата и объединенного заправочного модуля, который может быть использован в предпочтительном варианте воплощения настоящего изобретения; а также фиг. 2 изображает блок-диаграмму процедуры заправки космического аппарата топливом, которая может быть использована в предпочтительном варианте воплощения настоящего изобретения.

Описание предпочтительной реализации изобретения В настоящем изобретении разработана, наряду с прочим полностью замкнутая система заправки топливом космического аппарата, которая является полностью самодостаточной и не требует внешнего оборудования. Она включает требуемое количество очищенного топлива, компрессионное вещество (pressurant), вакуумный бак и линии передачи для заправки космического аппарата перед стартом. В настоящем изобретении также разработан усовершенствованный способ загрузки топлива на космический аппарат.

Под "космическим аппаратом" понимается здесь любой созданный человеком объект или двигательное средство, предназначенные для облета Земли или выхода за пределы земной атмосферы и которым требуется топливо для поддержания орбиты или траектории полета. Термин "космический аппарат" охватывает как геостационарные, так и негеостационарные спутники и/или их комбинации, включая ИСЗ на низких околоземных орбитах.

Типовая традиционная процедура заправки космического аппарата топливом предполагает наличие заправочной тележки, бочек с гидразином емкостью 250,028 дм³, баков с жидким азотом (LN₂), компрессионного вещества типа гелия или газообразного азота (GN₂), баков для изопропилового спирта и отходов. Традиционная заправочная тележка содержит приспособления для топлива и компрессионного вещества. Линии передачи присоединяют к космическому аппарату, удаляют из них воздух и проверяют на утечку. Устанавливаются баки для изопропилового спирта и отходов и вставляются эжекторы. Бочка с гидразином устанавливается на мерную платформу и взвешивается. Блок эжекторов вставляется с бочку с гидразином, присоединяется к заправочной тележке и проверяется на утечку. Затем заправочной тележкой в бочке с гидразином при помощи компрессионного вещества создается давление около 1,0547 кг/см² (15 фунтов на кв.дюйм). В процессе выполнения этой операции весь персонал должен надеть замкнутые изолирующие костюмы, содержащие сжатый атмосферный воздух (SCAPE), в связи с опасностью подвергнуться вредному воздействию гидразина.

В обычной операции заправки заправочная тележка присоединяется к источнику переменного тока 115 В для питания вакуумных насосов и систем управления, которые контролируют температуру и давление. Охлаждаемая ловушка LN₂ заполняется таким образом, чтобы в вакуумный насос не попадали водяной пар или опасные элементы. В двигательной установке и передающих линиях при помощи размещенного на заправочной тележке вакуумного насоса создается разряжение приблизительно 133.322 Па (1 торр). Клапан эжектора гидразина и клапан управления потоком заправочной тележки открываются с тем, чтобы гидразин передавался в топливный бак космического аппарата под давлением около 1,0547 кг/см².

Затем при выполнении обычных операций заправки в топливном баке космического аппарата при помощи компрессионного вещества создается давление около 3,5155 кг/см² (50 фунтов на кв.дюйм), причем температура и давление топливного бака космического аппарата контролируются на предмет выявления любых признаков несоответствия или утечки. Клапан наполнения компрессионного вещества открывается и давление в топливном баке космического аппарата затем доводится до полетного значения давления, которое в общем случае составляет от 21,093 кг/см² (300 фунтов на кв.дюйм) до 42,186 кг/см² (600 фунтов на кв. дюйм). Затем линии передачи топлива промывают изопропиловым спиртом и очищают компрессионным веществом для удаления всего оставшегося гидразина.

При выполнении традиционных заправочных операций средства наполнения отсоединяют от космического аппарата. Для выполнения этой операции персонал также должен надеть изолирующие костюмы типа SCAPE. Температура и давление топливного бака космического аппарата непрерывно контролируются для выявления несоответствия или утечки. Бочка с гидразином отсоединяется, а баки с изопропиловым спиртом и с отходами при необходимости остаются присоединенными - для выполнения сливных (detanking) операций. В процессе сливной операции топливо из топливного бака космического аппарата сливается в бак для отходов, затем топливный бак промывается изопропиловым спиртом и очищается гелием.

В соответствии с предпочтительным вариантом воплощения настоящего изобретения для космического аппарата предусматривается объединенный заправочный модуль или в случае, когда заправляются несколько космических аппаратов, для каждого космического аппарата предусматривается по одному объединенному заправочному модулю. Оператору необходимо только повернуть соответствующие клапаны для подачи под напором топлива и создания давления в топливном баке космического аппарата после того, как количество топлива и компрессионной жидкости заранее взвешено и измерено. Простота этой операции станет ясна специалистам после изучения нижеследующего описания.

На фиг. 1 показана структурная схема космического аппарата и объединенного заправочного модуля, который может быть использован в предпочтительном варианте воплощения настоящего изобретения. Космический аппарат 50 включает, среди прочего, топливный бак космического аппарата 52 и клапан 54, подключенные к линии высокого давления 56. Объединенный заправочный модуль 10 содержит вакуумный бак 12, бак передачи топлива 14, бак с компрессионным веществом 16 и перестраиваемый регулятор давления 46. В предпочтительном варианте перестраиваемый регулятор давления 46 имеет диапазон перестройки, по крайней мере, от 7,031 кг/см² (100 фунтов на кв.дюйм) до 35,155 кг/см² (500 фунтов на кв.дюйм). Клапан 26 соединяет бак с компрессионным веществом 16 и вход регулятора давления 46. Выход регулятора давления 46 присоединен к тройнику 43, подключенному к клапанам 28 и 25. Клапан 25 присоединен ко входу бака переноса топлива 14, а клапан 28 присоединен к первому каналу четырехканального соединителя 41, как это показано на чертеже. Клапан 24 присоединяется между выходом бака передачи топлива 14 и вторым каналом четырехканального соединителя 41. Клапан 27 присоединен между вакуумным баком 12 и третьим каналом четырехканального соединителя 41.

Выходом объединенного заправочного модуля 10 является четвертый канал четырехканального соединителя 41. Линия низкого давления 32 соединяет вакуумный бак 12, а другие элементы, как это показано на чертеже, соединены линиями высокого давления 33, 34, 35, 36 и 38. Специалистам ясно, что к элементам, представленным на фиг. 1, могут потребоваться дополнительные линии, клапаны и другие компоненты.

Объединенный заправочный модуль 10 включает также легкий каркас (не показан), который является устойчивым к коррозии и совместим с топливом. Одним из материалов, который может быть использован, является алюминий. Каркас предпочтительно присоединяется к роликам или колесам, выполненным таким образом, чтобы модуль 10 мог легко перемещаться. Желательно, чтобы каркас 10 имел карманы для вилочного подъемника, подъемное кольцо для работы с краном и места крепления за днище.

Выход объединенного заправочного модуля 10 присоединен к внешней линии передачи топлива под высоким давлением 42, которая подключена к клапану 23. Клапан 23 и клапан 54 соединяются вместе соединителем перед заправкой космического аппарата топливом.

В предпочтительных вариантах воплощения бак с компрессионным веществом 16 заполняется инертным газом типа сжатого азота или сжатого гелия, находящихся предпочтительно под давлением от 84,372 кг/см² (1200 фунтов на кв.дюйм) до 140,62 кг/см² (2000 фунтов на кв.дюйм). Бак с компрессионным веществом 16 предпочтительно является резервуаром высокого давления, одобренным Министерством транспорта США, рассчитанным по крайней мере на давление 140,62 кг/см² и имеющим объем не менее 1132,68 дм³ (40 стандартных куб. футов). Компрессионное вещество предпочтительно сертифицировано в соответствии со стандартом MIL-P-27407 степень В.

Бак передачи топлива 14 предпочтительно заполняется спутниковым топливом типа гидразина (N₄H₄), однометилгидразина или смеси гидразина. Тем не менее в принципе в баке передачи топлива 14 может содержаться любое топливо или окислитель. Желательно, чтобы бак передачи топлива 14 содержал от 45,359 кг (100 фунтов) до 181,436 кг (400 фунтов) гидразина и находился под сравнительно низким давлением около 7,031 кг/см² (100 фунтов на кв.дюйм) для предотвращения загрязнения. Желательно, чтобы чистота топлива удовлетворяла стандарту MIL-P-26538. Топливо и компрессионное вещество предпочтительно выбираются так, чтобы не взаимодействовать друг с другом.

В предпочтительном варианте выполнения изобретения бак передачи топлива 14 представляет собой топливный контейнер, выполненный в соответствии со спецификацией 4В W Министерства транспорта США 178.61 за исключением пункта Е11173, с рабочим давлением не менее 35,155 кг/см² (500 фунтов на кв.дюйм) и проверенный под давлением не менее 52,7325 (750 фунтов на кв.дюйм). Бак передачи топлива 14 может быть выполнен из высокопрочной углеродистой стали, то также может быть изготовлен из нержавеющей стали для обеспечения сохранности гидразина. В предпочтительном варианте воплощения используется сталь марки 304L.

Вакуумный бак, предпочтительно, изготавливается в соответствии со стандартом 4BW Министерства транспорта США 178.61 за исключением пункта Е11173 и также может быть выполнен из нержавеющей стали для обеспечения сохранности гидразина. В предпочтительном варианте воплощения размеры вакуумного бака 12 составляют по крайней мере 36,3672 дм³ (8 галлонов) с объемом около 28,317 дм³ (1 куб.фута). В вакуумном баке 12 создается абсолютное давление около 0,01406 кг/см² (0,2 фунта на кв.дюйм).

В предпочтительном варианте реализации линии передачи, фитинги и трубопроводы выполнены из нержавеющей стали типа марки 304L или других материалов, совместимых с гидразином. Желательно, чтобы линия 42 передачи топлива под высоким давлением являлась гибким тефлоновым рукавом, имеющим охватывающую оплетку из нержавеющей стали.

В дополнение к заполнению топливного бака 52 космического аппарата топливом, в предпочтительном варианте воплощения объединенный модуль содержит линии и соединения (не показаны) для откачки топлива из топливного бака 52 космического аппарата. Специалистам понятно, как выполнить дополнительные соединения и элементы, необходимые для решения этой задачи.

На фиг. 2 показана блок-диаграмма процедуры 100 заправки космического аппарата топливом, которая может быть использована в предпочтительном варианте воплощения настоящего изобретения. Как было отмечено выше, при загрузке топлива в космический аппарат каждому космическому аппарату предоставляется объединенный заправочный модуль 10 (фиг. 1). Результатом выполнения процедуры 100 является заправка требуемым топливом и набор необходимого давления в топливном баке 52 (фиг. 1) космического аппарата перед стартом. Процедура 100 также подготавливает объединенный заправочный модуль для повторного использования.

На этапе 102 бак передачи топлива 14 (фиг. 1) заполняется топливом. В одном из вариантов воплощения настоящего изобретения бак передачи топлива 14 может быть переслан к заправщику топливом по земле или по воздуху и заправщик топливом наполняет бак передачи топлива 14 заданным количеством топлива. Заданное количество топлива примерно составляет количество, требуемое для заправки топливного бака 52 космического аппарата (фиг. 1) плюс-минус 453,6 г (1 фунт). Специалистам ясно, что конкретная процедура наполнения бака переноса топлива 14 не важна для настоящего изобретения. В данном варианте реализации бак переноса топлива 14 герметически закрывается и транспортируется от заправщика топливом на стартовую позицию, на которой размещен заправляемый спутник.

На этапе 104 бак переноса топлива 14 устанавливается в объединенный заправочный модуль 10. Желательно, чтобы все клапаны были проверены с тем, чтобы убедиться, что они закрыты и не возникнет утечек топлива. В предпочтительном варианте воплощения бак с компрессионным веществом 16 (фиг. 1) заполняется компрессионным веществом на этапе 102. В одном из вариантов реализации бак с компрессионным веществом 16 извлекается и заменяется на аналогичный бак, заполненный компрессионным веществом из местного хранилища. Затем бак с компрессионным веществом 16 на этапе 104 устанавливается в объединенный заправочный модуль 10.

В другом варианте воплощения бак с компрессионным веществом заполняется без извлечения его из модуля 10. Например, линия высокого давления 35 отсоединяется от бака с компрессионным веществом 16 и бак с компрессионным веществом 16 заполняется компрессионным веществом. Затем линия высокого давления 35 заново присоединяется к баку с компрессионным веществом 16. Давление в заполненном баке является достаточно высоким для того, чтобы довести давление в топливном баке 52 (фиг. 1) космического аппарата до полетного значения давления. Специалистам ясно, как определить величину требуемого давления.

В другом варианте воплощения настоящего изобретения этапы 102 и 104 выполняются топливным заправщиком. Например, объединенный заправочный модуль 10 (фиг. 1) переправляется к топливному заправщику, где из объединенного заправочного модуля 10 извлекаются бак переноса топлива 14 и бак с компрессионным веществом 16. Топливный заправщик наполняет бак переноса топлива 14 требуемым топливом и заполняет бак с компрессионным веществом 16 компрессионным веществом. Затем оба бака устанавливаются обратно в объединенный заправочный модуль 10 и вся сборка переправляется на стартовый комплекс.

В дополнение к задачам, выполненным на рассмотренных выше этапах 102 и 104, в вакуумном баке 12 предпочтительно создается разрежение до начального давления ниже атмосферного давления, а затем вакуумный бак устанавливается в объединенный заправочный модуль 10 до начала выполнения этапов 106-122.

На этапе 106 объединенный заправочный модуль 10 присоединяется к космическому аппарату 50. Линия передачи топлива под высоким давлением 42 присоединяется к выходу объединенного заправочного модуля 10 (т.е. к четвертому каналу четырехканального соединителя 41) и к клапану 23. Клапан 23 и клапан 54 соединяются вместе соединителем 45 (фиг. 1). В данном месте процедуры 100 топливо из бака переноса топлива 14 готово к перекачке в топливный бак 52 космического аппарата.

На этапе 108 топливо перекачивается из бака переноса топлива 14 в топливный бак космического аппарата 52. Регулятор 46 (фиг. 1) предпочтительно устанавливается в положение между 7,031 кг/см² (100 фунтами на кв.дюйм) и 10,5465 кг/см² (150 фунтами на кв.дюйм), желательно около 8,4372 кг/см² (120 фунтов на кв.дюйм). Клапан 26 открывается, высвобождая компрессионное вещество из бака с компрессионным веществом 16, которое создает необходимое давление в линиях высокого давления 34 и 36. Клапан 25 открывается вслед за отверстием клапанов 24, 23 и 54 соответственно. После открытия клапана 54 топливо из бака переноса топлива 14 поступает по гибкой линии передачи топлива под высоким давлением 42 в топливный бак 52 космического аппарата. По истечении короткого периода времени все топливо оказывается перекаченным из бака переноса топлива 14 в топливный бак космического аппарата 52. После того, как все топливо будет перекачано, компрессионное вещество из бака компрессионного вещества 16 начинает перетекать в топливный бак космического аппарата 52.

На этапе 110 компрессионное вещество из бака с компрессионным веществом 16 используется для очистки линии передачи топлива под высоким давлением 42, клапана 23, соединителя 45 и клапана 54. Очистка компрессионным веществом позволяет удалить большую часть топлива, оставшегося в линиях и соединениях. Очистка при помощи компрессионного вещества продолжается до тех пор, пока давление в системе выровняется, включая давление в топливном баке 52 космического аппарата. Давление выравнивается примерно на таком уровне, на который был установлен регулятор 46. Желательно, чтобы номинальное давление в топливном баке 52 космического аппарата составляло от 7,031 кг/см² (100 фунтов на кв.дюйм) до 10,5465 кг/см² (150 фунтов на кв.дюйм).

Что касается этапов 108 и 110, то специалистами могут быть предложены различные способы определения того, что все топливо из бака переноса топлива 14 перекачано и давление в системе выровнялось. Например, может быть использовано смотровое окно, предусмотренное в линии высокого давления 38, или в соединителе 41 может быть установлен измеритель давления, с тем чтобы величину и скорость изменения давления можно было контролировать в процессе выполнения процедуры 100. В другом варианте может измеряться давление в топливном баке космического аппарата 52.

На этапе 112 давление в топливном баке 52 космического аппарата поднимается до значения, необходимого для работы спутника. Давление в топливном баке 52 космического аппарата предпочтительно устанавливается в пределах от 28,124 кг/см² (400 фунтов на кв.дюйм) до 35,155 кг/см² (500 фунтов на кв. дюйм). Для выполнения этапа 122 клапаны 24 и 25 перекрываются и регулятор 46 устанавливается в соответствии с требуемым уровнем давления. Клапан 28 открывается и компрессионное вещество из бака с компрессионным веществом 16 перетекает по линии передачи топлива под высоким давлением 42 в топливный бак 52 космического аппарата. Специалистам понятно, что при повышении давления в топливном баке 52 космического аппарата может начаться выделение тепла. Желательно, чтобы температура компрессионного вещества в топливном баке 52 космического аппарата ограничивалась за счет управления скоростью увеличения давления в топливном баке 52 космического аппарата. В одном из вариантов реализации настоящего изобретения размеры клапана 28 ограничиваются с тем, чтобы избежать таких скоростей перетекания компрессионного вещества, которые могут привести к чрезмерной температуре в топливном баке 52 космического аппарата. В другом варианте реализации скорость перетекания компрессионного вещества ограничивается отверстием на входе тройника 43.

После того как компрессионное вещество остынет и давление в линиях и топливном баке 52 космического аппарата выровняется, клапан 28 перекрывается, а затем перекрывается и клапан 54. Клапан 26 также может быть перекрыт. В данном месте процедуры 100 наполнение и установка давления в топливном баке 52 космического аппарата завершены. Остальные этапы процедуры 100 направлены, наряду с прочим, на очистку и подготовку к повторному использованию объединенного заправочного модуля 10.

На этапе 114 клапан 27 открывается для удаления загрязненного компрессионного вещества из линии передачи топлива под высоким давлением 42, клапана 54, клапана 23 и соединителя 45 в вакуумный бак 12. Компрессионное вещество на этих участках может быть загрязнено топливом, оставшимся после процедуры перекачки топлива. Вакуум удаляет это загрязненное компрессионное вещество из этих областей, а также удаляет все оставшееся топливо. Так как эти участки были очищены компрессионным веществом на рассмотренном ранее этапе 108, то остается весьма незначительное количество топлива, но из-за вредного характера топлива на этапе 114 удаляется и все то, что осталось. После удаления загрязненного топлива клапан 23 перекрывается, а затем перекрывается и клапан 27. Все оставшееся в соединителе 45 топливо удаляется на этапе 114 и поэтому топливо не может оказать вредное воздействие на персонал или окружающую среду.

Вакуумный бак 12 исключает выброс пара в атмосферу и сокращает давление в линиях перед отсоединением линии передачи топлива под высоким давлением 42 от космического аппарата. Использование вакуумного бака 12 снимает необходимость в газоочистителях, которые обычно используются для снижения количества паров топлива, попадающих в атмосферу. Газоочистители не всегда надежны, а очищающая среда должна извлекаться и обрабатываться как опасные отходы.

На этапе 116 объединенный заправочный модуль 10 и космический аппарат 50 разъединяются в соединителе 45. При этом нет опасности загрязнения внешней среды ни жидким топливом, ни его парами, так как все топливо удалено из соединителя 45. Кроме того, в соединителе 45 создан вакуум.

В данном месте процедуры 100 топливный бак 52 космического аппарата заполнен топливом и в нем поднято давление, а объединенный заправочный модуль отсоединен. Космический аппарат готов к запуску. Этапы 118-122 могут быть выполнены в любое время: до или, желательно, после того, как космический аппарат будет запущен.

В другом варианте реализации бак переноса топлива 14 и вакуумный бак 12 извлекаются из объединенного заправочного модуля 10 и переправляются к топливному заправщику, где бак переноса топлива заново заполняется, а в вакуумном баке 12 заново создается вакуум. В другом варианте реализации объединенный заправочный модуль 10 транспортируется к заправщику топливом вместе с установленными баком переноса топлива 14 и вакуумным баком. В этом варианте воплощения этапы с 118 по 122 выполняются в заправщике топливом. На этапе 120 в вакуумном баке 12 заново создается вакуум. Загрязненное компрессионное вещество предпочтительно удаляется топливным заправщиком из вакуумного бака 12. В одном из вариантов реализации настоящего изобретения вакуумный бак 12 является достаточно большим для многократного выполнения операции заправки космического аппарата топливом без повторного создания вакуума в вакуумном баке 12.

На этапе 122 бак переноса топлива 14 заново наполняется топливом, как это было рассмотрено на этапе 102. Заправщик топливом отсылает заправленный бак переноса топлива 14 обратно на стартовый комплекс. Затем этапы 104-122 повторяются для последовательных операций заправки последовательных спутников. В другом варианте воплощения заправщик топливом отсылает назад весь объединенный заправочный модуль 10 и этапы 104-122 повторяются.

В дополнение к этапам, приведенным в процедуре 100, может возникнуть необходимость в других, не показанных, этапах подготовки объединенного заправочного модуля 10 к наполнению топливного бака космического аппарата топливом и компрессионным веществом. Эти этапы включают, среди прочего, удаление компрессионного вещества, проверки правильности функционирования клапанов и регулятора давления, а также проверки линий высокого давления на утечки. При необходимости специалистам могут быть добавлены и другие этапы.

Несмотря на то, что изобретение было описано на конкретных примерах и было раскрыто для конкретных вариантов предпочтительного воплощения, очевидно, что, основываясь на приведенном описании, специалистами могут быть предложены другие многочисленные варианты реализации, которые также включаются в объем формулы изобретения.

Как было описано выше, преимущества настоящего изобретения ясны специалистам и реализованы в виде усовершенствованных системы и способа заправки космического аппарата топливом. Одним из преимуществ настоящего изобретения является упрощение действий. Объединенный заправочный модуль присоединяется к космическому аппарату или, в случае заправки нескольких космических аппаратов, объединенный заправочный модуль присоединяется к каждому космическому аппарату. Оператор просто поворачивает соответствующие клапаны для подачи под напором топлива и создания давления в топливном баке космического аппарата после того, как количество топлива и компрессионной жидкости заранее взвешено.

Еще одно преимущество заключается в повышении безопасности пользователя за счет предотвращения выброса топлива в окружающую среду. Преимуществом является и отсутствие необходимости в расходомерах и в измерении топлива на стартовом комплексе. Другим преимуществом является то, что отпадает необходимость в изолирующих костюмах типа SCAPE, так как нет угрозы попадания топлива на персонал или в окружающую среду. Другим преимуществом является отсутствие отходов топлива из-за того, что на спутник загружается точно требуемое количество топлива. Другие преимущества заключаются в отсутствии угрозы загрязнения топлива и в устранении проблем, связанных с уничтожением загрязненного и неиспользованного топлива. Еще одно преимущество заключается в отсутствии необходимости в газоочистителях опасного газа. Эти преимущества приводят к существенному сокращению стоимости, особенно при выполнении программ, связанных с запуском большого числа спутников.

Формула изобретения

1. Способ загрузки топлива из объединенного заправочного модуля в топливный бак космического аппарата, содержащий этап перекачки заданного количества топлива из бака переноса топлива по линии передачи топлива в топливный бак космического аппарата, при помощи компрессионного вещества, причем объединенный заправочный модуль включает бак переноса топлива, содержащий заданное количество топлива, бак переноса топлива имеет вход и выход, бак с компрессионным веществом, заполненный компрессионным веществом, имеющий выход, присоединенный ко входу бака переноса топлива, отличающийся тем, что объединенный заправочный модуль включает также вакуумный бак, присоединенный к выходу бака переноса топлива, а способ содержит этап удаления остаточного количества топлива из линии передачи топлива в вакуумный бак.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что выход бака переноса топлива и вакуумный бак присоединены к выходу объединенного заправочного модуля, а способ включает этап присоединения выхода объединенного заправочного модуля к топливному баку космического аппарата посредством линии передачи топлива.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что объединенный заправочный модуль содержит клапан на выходе бака с компрессионным веществом и перестраиваемый регулятор давления, установленный между клапаном и входом бака переноса топлива, при этом способ содержит этап перекачки, включающий этапы установки перестраиваемого регулятора давления и открытия клапана, этап очистки линии передачи топлива при помощи компрессионного вещества, этап подъема давления в топливном баке космического аппарата до значения в заданном интервале при помощи компрессионного вещества, а также этап отсоединения линии передачи топлива от топливного бака космического аппарата.

4. Способ по любому из пп.1 - 3, отличающийся тем, что этап заправки включает этап заправки объединенного заправочного модуля, включающий наполнение бака переноса топлива заданным количеством топлива, заданное количество топлива составляет количество, требуемое для заправки топливного бака космического аппарата плюс-минус 453,6 г, причем топливо является гидразином, а компрессионное вещество является сжатым гелием.

5. Способ по п.4, отличающийся тем, что объединенный заправочный модуль заправляется топливным заправщиком, способ содержит этапы транспортировки объединенного заправочного модуля на стартовую позицию, транспортировки бака переноса топлива с заданным количеством топлива от топливного заправщика на стартовую позицию и установки бака переноса топлива в объединенный заправочный модуль на стартовой позиции, а топливный бак космического аппарата имеет входное соединение, при этом этап удаления включает этап удаления дополнительного остаточного количества топлива из соединителя между линией передачи топлива и входным соединением топливного бака.

6. Способ загрузки топлива на космический аппарат, содержащий этапы присоединения заправочного модуля к космическому аппарату при помощи линии передачи топлива, перекачки топлива из бака переноса топлива в топливный бак космического аппарата, отличающийся тем, что содержит этапы получения бака переноса топлива с заданным количеством топлива от топливного заправщика, установки бака переноса топлива в заправочный модуль, извлечения бака переноса топлива из объединенного заправочного модуля, а также транспортировки бака переноса топлива обратно к топливному заправщику, очистки линии передачи топлива при помощи вакуумного бака, являющегося составной частью заправочного модуля, включающей удаление остаточного количества топлива из линии передачи топлива в вакуумный бак, этап получения вакуумного бака с заданным разрежением.

7. Объединенный заправочный модуль для загрузки топлива в топливный бак космического аппарата по линии передачи топлива содержит бак переноса топлива, приспособленный для наполнения заданным количеством топлива, причем бак переноса топлива имеет вход и выход, бак с компрессионным веществом, имеющий выход, присоединенный ко входу бака переноса топлива, причем бак с компрессионным веществом предназначен для перекачки заданного количества топлива из бака переноса топлива в топливный бак космического аппарата по линии передачи топлива, отличающийся тем, что объединенный заправочный модуль также содержит вакуумный бак, присоединенный к выходу бака переноса топлива, причем вакуумный бак предназначен для удаления остаточного количества топлива из линии передачи топлива.

8. Объединенный заправочный модуль по п.7, отличающийся тем, что содержит средство для извлечения бака переноса топлива из объединенного заправочного модуля, средство для наполнения топливом бака переноса топлива топливным заправщиком, средство для получения бака переноса топлива, заполненного заданным количеством топлива, средство для установки бака переноса топлива в объединенном заправочном модуле, в котором выход бака переноса топлива и вакуумный бак присоединены к выходу объединенного заправочного модуля, и средство для присоединения выхода объединенного заправочного модуля к топливному баку космического аппарата посредством линии передачи топлива.

9. Объединенный заправочный модуль по п.8, отличающийся тем, что бак с компрессионным веществом содержит гелиевое компрессионное вещество, причем объединенный заправочный модуль содержит клапан на выходе бака с компрессионным веществом, перестраиваемый регулятор давления, установленный между клапаном и входом бака переноса топлива, а гелиевое компрессионное вещество служит для перекачки топлива в топливный бак космического аппарата при открытом клапане, средство для очистки линии передачи топлива при помощи компрессионного вещества, средство для подъема давления в топливном баке космического аппарата до значения, находящегося в заданном интервале при помощи компрессионного вещества, а также средство для отсоединения линии передачи топлива от топливного бака космического аппарата.

10. Объединенный заправочный модуль по п.9, отличающийся тем, что топливо является гидразином, заданное количество топлива составляет количество, требуемое для заправки топливного бака космического аппарата плюс-минус 453,6 г, а бак с компрессионным веществом наполняется сжатым гелием, при этом выход вакуумного бака присоединяется к выходу бака переноса топлива через клапан, который при открытии служит для удаления остаточного количества топлива из линии передачи топлива.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2