Способ заправки жидким кислородом бака окислителя ракеты- носителя воздушно-космической системы

 

Изобретение относится к авиационно-космической технике и может быть использовано при заправке ракеты-носителя, осуществляющей воздушный старт с самолета-разгонщика, а также при заправке окислителем разгонного блока. Предлагаемый способ заправки включает в себя заполнение бака ракеты жидким кислородом с температурой, соответствующей его кипению при нормальном атмосферном давлении, осуществляемое перед стартом. Последующее термостатирование кислорода производят при выведении ракеты на высоту воздушного старта, инициируя процесс раскипания кислорода поддержанием в баке необходимого давления, соответствующего изменению атмосферного давления за бортом самолета-разгонщика. При этом подают в бак кислород из дополнительной криогенной емкости, размещенной на самолете-разгонщике. Такой режим позволяет отказаться от наземного термостатирования кислорода в баке ракеты. Изобретение позволяет уменьшить время и трудоемкость заправки жидким кислородом бака окислителя ракеты-носителя и снизить затраты по заправке. 1 ил.

Изобретение относится к авиационно-космической технике и может быть использовано при заправке жидким кислородом бака окислителя ракеты-носителя космического назначения (ракетно-космической системы), осуществляющей воздушный старт с самолета-разгонщика в составе воздушно-космической системы, в частности при заправке бака окислителя космического разгонного блока.

Известен способ заправки жидким кислородом бака ракеты-носителя, включающий захолаживание бака и заполнение жидким кислородом до данного уровня заправки и последующее термостатирование жидкого кислорода в баке для обеспечения его заданной среднемассовой температуры и данной массы топлива в конце заправки, осуществляемое путем подачи переохлажденного кислорода в верхнюю (паровую) часть бака с одновременным сливом кислорода из нижней части бака (Ракетно-космический комплекс. Космодром. Под. ред. проф. А.П. Вольского, М. : МО СССР, 1977 г., с.268). Заполнение бака и термостатирование ведут жидким кислородом, подаваемым насосом из заправочной емкости и переохлаждаемым в теплообменном устройстве жидким азотом. В известном способе поддержание заданного уровня жидкости в баке при термостатировании зависит от высоты столба жидкости на линии слива, влияющей на работу насоса жидкого кислорода, что накладывает ограничения на взаимное расположение бака и заправочной емкости. В частности, в воздушно-космической системе при горизонтальном размещении ракеты-носителя на борту самолета-разгонщика имеет место низкое расположение баков окислителя первой ступени и разгонного блока, что создает определенные трудности при использовании известного способа заправки.

Наиболее близким к предложенному является способ заправки жидким кислородом бака ракеты-носителя, включающий заполнение бака жидким переохлажденным кислородом, подаваемым насосом жидкого кислорода из заправочной емкости, и последующее термостатирование жидкого кислорода в баке путем подачи переохлажденного кислорода в верхнюю часть бака и одновременного слива жидкости из бака в дополнительную емкость с жидким кислородом при отключенной заправочной емкости (патент РФ N 2090468, кл. B 64 G 5/00, F 17 C 6/00, 1994). Данный способ позволяет осуществить заправку жидким кислородом бака окислителя ракеты-носителя воздушно-космической системы, поскольку использование дополнительной емкости с жидким кислородом, установленной на всасывающем патрубке насоса жидкого кислорода, обеспечивает компенсацию влияния колебания расхода жидкости в трубопроводе слива на работу насоса. В то же время при заправке по данному способу воздушно-космической системы требуется дополнительное переохлаждение жидкого кислорода в баке ракеты-носителя, необходимое для компенсации потерь от теплопритоков к кислороду, воспринимаемых им при транспортировке ракеты-носителя самолетом-разгонщиком на высоту воздушного старта, продолжительность которой составляет не менее 2 ч. Это приводит к увеличению продолжительности и трудоемкости процесса заправки бака жидким кислородом и связано со значительными дополнительными затратами на создание необходимого технологического оборудования системы заправки.

Технической задачей, решаемой изобретением, является снижение трудоемкости и уменьшение затрат при заправке жидким кислородом бака окислителя ракеты-носителя воздушно-космической системы.

Решение поставленной задачи обеспечивается за счет того, что при заправке жидким кислородом бака окислителя ракеты-носителя воздушно-космической системы, включающей заполнение бака жидким кислородом до заданного уровня заправки и последующее термостатирование жидкого кислорода в баке с использованием дополнительной криогенной емкости с жидким кислородом, в соответствии с изобретением, заполнение бака окислителя ракеты- носителя осуществляют перед стартом воздушно-космической системы жидким кислородом с температурой, соответствующей его температуре кипения при нормальном атмосферном давлении, а термостатирование жидкого кислорода в баке окислителя ракеты-носителя производят в процессе выведения ее самолетом-разгонщиком на высоту воздушного старта путем инициирования процесса раскипания жидкого кислорода в баке ракеты-носителя поддержанием в баке необходимой величины давления за счет использования изменения атмосферного давления за бортом самолета-разгонщика, при подаче в бак ракеты-носителя жидкого кислорода из дополнительной криогенной емкости, размещенной на самолете-разгонщике, переохлаждаемого за счет сообщения внутренней газовой полости емкости с атмосферой за бортом самолета-разгонщика.

Использование для заправки бака окислителя ракеты-носителя жидкого кислорода с температурой, соответствующей его температуре кипения при нормальном атмосферном давлении, позволяет значительно упростить процесс заполнения бака криогенной жидкостью и снизить при этом затраты по сравнению с известным способом заправки, в котором заполнение бака производится переохлажденным жидким кислородом. Осуществление термостатирования жидкого кислорода в баке ракеты-носителя в процессе выведения ее на высоту воздушного старта, то есть после наземного старта воздушно-космической системы, позволяет существенно снизить затраты на наземное оборудование заправки, а также трудоемкость и продолжительность наземных работ по заправке бака. Поскольку по мере подъема самолета-разгонщика на высоту старта атмосферное давление за его бортом понижается, понижается и давление в баке ракеты-носителя и в дополнительной криогенной емкости, что вызывает раскипание в них жидкого кислорода и снижение его температуры. При этом в баке ракеты-носителя поддерживается требуемое разрежение, обеспечивающее требуемое понижение температуры в нем жидкого кислорода, тогда как переохлажденный кислород из дополнительной емкости используется для компенсации потерь кислорода в баке от испарения. При этом не требуется сложного и дорогостоящего криогенного оборудования для переохлаждения жидкого кислорода в баке ракеты-носителя, что позволяет существенно упростить аппаратурное оформление процесса термостатирования кислорода и значительно снизить затраты по сравнению с известными способами заправки.

Сущность предлагаемого способа поясняется с помощью прилагаемого чертежа, на котором приведена схема заправки жидким кислородом бака окислителя ракеты-носителя воздушно-космической системы.

Бак окислителя 1 ракеты-носителя 2, расположенной горизонтально на борту самолета-разгонщика 3, через бортовой трубопровод заправки 4 с клапаном 5 и наземный трубопровод заправки 6 с клапанами 7 и 8 и насосом жидкого кислорода 9 соединен с криогенной наземной заправочной емкостью 10, содержащей непереохлажденный жидкий кислород. Внутри самолета-разгонщика 3 установлена также дополнительная вертикальная криогенная емкость 11, подключенная к заправочной емкости 10 бортовым трубопроводом 12 с клапаном 13. Верхняя (паровая) часть бака 1 при данном горизонтальном расположении ракеты-носителя 2 патрубком 14 через узел автоматической расстыковки с отсечным клапаном 15 подключена к трубопроводу 16, сообщенному через регулировочный клапан 17 с газовой полостью дополнительной емкости 11, причем эта полость через трубопровод 18 с клапаном 19 сообщена с атмосферой за бортом самолета-разгонщика 3. Нижняя (жидкостная) часть дополнительной емкости 11 трубопроводом 20, содержащим насос жидкого кислорода 21 и клапан 22, соединена с жидкостной частью бака 1. Между заправочными трубопроводами 4 и 6 установлено разъемное соединение 23, на трубопроводе 4 установлен также стандартный узел автоматической расстыковки с отсечным клапаном 24.

Заправка топливом самолета-разгонщика 3 и топливных баков ракеты-носителя 2 производится в условиях аэродрома перед стартом (взлетом) воздушно-космической системы. Перед началом процесса заправки бака окислителя 1 ракеты-носителя производится наддув заправочной емкости 10, открываются клапаны 5, 13, 17 и 19, включается насос жидкого кислорода 9 и производится охлаждение заправочных магистралей бака 1 и дополнительной емкости 11 со сбросом испаренного кислорода в атмосферу. После этого производится заполнение бака 1 и емкости 11 жидким кипящим кислородом из емкости 10 с начальной температурой, соответствующей его температуре кипения при нормальном атмосферном давлении и составляющей 90 -91 К. Подача жидкого кислорода в бак 1 и емкость 11 производится из заправочной емкости 10 непосредственно перед взлетом воздушно-космической системы через трубопроводы соответственно 4 и 12 при открытых клапанах 5 и 13. Образующиеся в баке 1 пары кислорода отводятся по трубопроводу 16 через регулировочный клапан 17 в емкость 11, верхняя часть которой трубопроводом 18 через открытый клапан 19 сообщена с атмосферой. Заполнение криогенной жидкостью бака 1 и емкости 11 ведется до заданного условия заправки, после чего закрываются клапаны 5 и 13 на заправочных трубопроводах 4 и 12 и расстыковывается разъемное соединение 23 трубопроводов заправки 4 и 6. В процессе подъема воздушно-космической системы на высоту воздушного старта снижается давление за бортом самолета-разгонщика 3 и соответственно понижается давление в дополнительной емкости 11 и баке 1, сообщенных с атмосферой за бортом через открытый клапан 19 трубопровода 18. При этом происходит раскипание жидкого кислорода в баке 1 и в емкости 11 и снижение его температуры до величины, соответствующей температуре кипения кислорода при данном пониженном давлении в баке 1 и в емкости 11. В процессе полета воздушно-космической системы в баке 1 с помощью регулировочного клапана 17 поддерживается необходимая величина разрежения, обеспечивающая требуемую степень переохлаждения кислорода в баке за счет его раскипания. Степень переохлаждения кислорода в баке окислителя 1 зависит от того, в какую ступень ракеты-носителя 2 входит этот бак. Так, для бака окислителя первой ступени ракеты-носителя требуется меньшее переохлаждение кислорода при его термостатировании перед воздушным стартом, а для бака окислителя разгонного блока - максимальное. Переохлажденный кислород из емкости 11 насосом 21 по трубопроводам 20 и 4 через открытые клапаны 22 и 5 подается в бак 1 ракеты-носителя 2 для дозаправки бака и компенсации потерь от испарения кислорода, при этом пары кислорода отводятся из бака 1 в емкость 11 через патрубок 14 по трубопроводу 16. С увеличением высоты подъема системы увеличивается степень снижения давления в емкости 11, что ведет к увеличению степени переохлаждения жидкого кислорода в данной емкости. При этом на высоте воздушного старта, составляющей 10 -11 км, температура жидкого кислорода снижается, за счет его раскипания, до 80 -83 К. Подача этого кислорода из дополнительной емкости в бак 1 ракеты-носителя позволяет с учетом поддержания заданного давления в баке за счет работы клапана 17 получить в нем заданную среднемассовую температуру жидкого кислорода в диапазоне 80÷90К, что соответствует заданной среднемассовой температуре кислорода в баке ракеты-носителя при его термостатировании в наземных условиях известным способом с использованием для переохлаждения кислорода жидкого азота.

Таким образом, предложенный способ заправки жидким кислородом бака окислителя обеспечивает снижение трудоемкости и значительное уменьшение затрат при подготовке воздушного старта ракеты-носителя космического назначения.

Формула изобретения

Способ заправки жидким кислородом бака окислителя ракеты-носителя воздушно-космической системы, включающий заполнение бака жидким кислородом до заданного уровня заправки и последующее термостатирование жидкого кислорода в баке с использованием дополнительной криогенной емкости с жидким кислородом, отличающийся тем, что заполнение бака окислителя ракеты-носителя осуществляют перед стартом воздушно-космической системы жидким кислородом с температурой, соответствующей его температуре кипения при нормальном атмосферном давлении, а термостатирование жидкого кислорода в баке окислителя ракеты-носителя производят в процессе выведения ее самолетом-разгонщиком на высоту воздушного старта путем инициирования процесса раскипания жидкого кислорода в баке ракеты-носителя поддержанием в баке необходимой величины давления за счет использования изменения атмосферного давления за бортом самолета-разгонщика при подаче в бак ракеты-носителя из дополнительной криогенной емкости, размещенной на самолете-разгонщике, жидкого кислорода, переохлаждаемого за счет сообщения внутренней газовой полости данной емкости с атмосферой за бортом самолета-разгонщика.

РИСУНКИ

Рисунок 1