Переохлажденный кислород, страница 3

Комбинированный способ подготовки баков впервые был разработан для блока Р и проверен на его стендовом варианте в 1970-1974 г.г. при «холодных» и огневых испытаниях в НИИхиммаш.

Заправка и тепловой режим криогенного топлива

В основном применяют следующие схемы заправки топливных баков РН и РБ криогенными компонентами: подача жидкости в нижнюю часть бака, в верхнюю и одновременная заправка снизу и сверху.

Заправка снизу применяется при использовании кипящего криогенного компонента. В этом случае, по мере заполнения бака, залитая часть конструкции охлаждается за счет испарения части топлива, из-за чего появляется необходимость сброса пара для обеспечения заданного уровня давления в баке. Если при заполнении бака кипящим компонентом и последующей и последующей его стоянке не требуется поддерживать в баке избыточное давление, заправка осуществляется с открытыми дренажными магистралями. Так заправляются баки в РН «Энергия» (блоки А), «Восток», «Союз», ОК «Буран».

Заправка с открытыми дренажами может проводиться и при использовании «переохлажденных» компонентов топлива для более экономичного «переохлаждения» криогенной жидкости в баках изделия непосредственно после их заполнения. В этом случае для исключения подсоса воздуха из окружающей среды и возможной деформации бака при снижении в нем давления ниже атмосферного (за счет охлаждения и конденсации пара из газовой подушки при плескании жидкости из-за ветровых колебаний) создается прогретый верхний слой жидкости. Такой слой обеспечивается подачей в бак в начале заправки заданной порции топлива с температурой насыщения при атмосферном давлении (или выше).

После этого начинается заправка компонентов топлива, имеющих температуру, значительно меньшую, чем температуру их кипения при атмосферном давлении. Такая технология применялась в РН «Энергия» при заполнении баков центрального блока жидким водородом и кислородом, «переохлажденными» соответственно до температур 15…17 и 78…80 К.

При заправке кипящими компонентами топлива среднемассовая температура жидкости в баке на момент окончания заправки и в процессе последующей стоянки с открытым дренажным клапаном зависит от давления в баке. Поэтому выбираются такие гидравлические характеристики дренажной магистрали, которые могут обеспечивать минимальные значения среднемассовых температур и максимальную заправку бака топливом.

Зачастую при использовании не несущих тонкостенных конструкций баков требуется постоянное поддержание в них избыточного давления. В этом случае давление обеспечивается за счет периодического сброса газа открытием и последующим закрытием дренажного клапана, а также подбора расходов на заправку, проходного сечения и гидравлического сопротивления линии дренажа.

Выбор способа поддержания давления при заправке определяется конструктивными особенностями изделия и наземной системы заправки, особенностями подготовки изделия. Часто используются оба способа одновременно, что обеспечивает более надежное поддержание давления в баке при заправке как кипящих, так и «переохлажденных» криогенных жидкостей.

При заправке через верхнюю часть бака жидкость по коллектору (или системе коллекторов) поступает на стенку и в газовый объем бака, что обеспечивает более равномерное охлаждение баков. Это важно для изделий с горизонтально расположенным цилиндрическим или коническим баком, так как снижаются температурная деформация и напряжения, которые на длинных баках при заправке снизу могут быть весьма значительны.

Подача жидкости в верхнюю часть бака позволяет получить равномерные по высоте температурные поля в жидком и газовом наполнении бака уже к окончанию заправки и применяется, в основном, при использовании «переохлажденной» криогенной жидкости. В этом случае все тепло от охлаждения конструкции, внешний теплоприток и жидкости, а также избыточное тепло от газа системы поддержания избыточного давления идут на среднемассовый прогрев жидкости. Однако существенно уменьшается количество газа, удаляемого через дренаж, так как испаряемый на поверхностях конструкции бака компонент конденсируется на струях жидкости. Уменьшается количество срабатываний арматуры в линии дренажа. Заправка с подачей «переохлажденной» криогенной жидкости в верхнюю часть бака применялась на разгонном блоке Д, а также для частичного заполнения баков окислителя ракеты-носителя Н-1 с целью предотвращения деформации баков вследствие неуправляемого охлаждения и конденсации газа подушки бака при колебаниях РН под воздействием ветровых нагрузок, а также для получения выравненного температурного поля на момент окончания заправки.

Скорость, режим и время заправки определяются тактико-техническими требованиями и графиком подготовки изделия к пуску, а также конструктивными особенностями бака. Так, например, наличие длинного тоннельного трубопровода с присоединенными расходными трубопроводами и турбонасосным агрегатом двигателей может при определенных условиях привести к возникновению «гейзерного эффекта», вызывающего гидроудар и разрушение тоннельного трубопровода. На РН «Энергия», заправка бака окислителя центрального блока которой осуществляется через длинный вертикальный тоннельный трубопровод (соотношение длины трубопровода к диаметру L/D=77), для избежания этих явлений подача жидкого кислорода начинается при предварительном расходе топлива, что обеспечивает относительно медленное заполнение и надежное поддержание уровня жидкости в нижней части генерального трубопровода в течение всего времени охлаждения расходных трубопроводов, ТНА и других заливаемых элементов двигателей. Благодаря этому обеспечивается беспрепятственный отвод примерно 2000 м³ пара. Предварительное захолаживание двигателей исключает поступление в тоннельный трубопровод при его последующем наполнении больших количеств пара и перегретой жидкости, а значит, уменьшается вероятность возникновения «гейзерного эффекта». С этой же целью во время заполнения тоннельного трубопровода и нижнего днища бака увеличивается расход заправки, а в тоннельный трубопровод и трубы циркуляции подается газообразный гелий.

Термостатирование криогенного топлива в баках, стоянка

заправленного изделия

Заправка «переохлажденной» жидкостью и термостатирование при стоянке заправленного изделия обеспечивается «переохлаждение» топлива в баке РН и РБ. Целью термостатирования является снижение среднемассовой температуры жидкости в баке и поддержание ее в заданном диапазоне температур во время стоянки заправленных баков.

На разработанных и разрабатываемых изделиях применяются две схемы термостатирования. Первая из них предусматривает подачу холодной криогенной жидкости в верхнюю часть бака и слив более теплой из нижней его части. В этом случае на режиме, близком к стационарному, в жидкости устанавливается практически одинаковая температура, соответствующая среднемассовой, и с этой же температурой жидкость сливается из бака. Схема термостатирования с подачей жидкости в верхнюю часть баков окислителя была разработана и впервые применена на первой, второй и третьей ступенях ракеты-носителя Н-1 и космических блоках Г и Д комплекса Н-1-Л-3. В последующем она применялась также для термостатирования кислорода и водорода в баках центральной ступени РН «Энергия». Среднемассовая температура кислорода на первых ракетах Н-1 составляла около 82 К в баках окислителя блоков А, Б и В и примерно 78,5 К в баках блока Д.

В РН «Энергия» в конце термостатирования на изделии №6СЛ были обеспечены: среднемассовая температура кислорода – около 85 К, водорода – примерно 18,5 К, на изделии №1Л – приблизительно 83 и 18 К соответственно. Понижение температуры компонентов топлива по сравнению с проектными (около 85 и 19 К) улучшило энергетические характеристики первого летного изделия в пересчете на массу полезного груза примерно на 1300 кг.

Эта схема термостатирования применялась и для понижения температуры в кислородном баке объединенной двигательной установки ОК «Буран», так как для дополнительной очистки бакаот примесей заправка проводится кипящим кислородом. В верхней части отсека КЗУ в конце заправки остается значительный объем, заполненный паром кислорода. Подача холодной криогенной жидкости в верхнюю часть основного отсека способствует конденсации оставшегося в замкнутом объеме отсека КЗУ пара и заполнению этого объема жидким «переохлажденным» кислородом с равномерной среднемассовой температурой, которая, однако, отличается от температуры кислорода в основном отсеке.

Согласно второй схеме термостатирования, холодная криогенная жидкость подается в нижнюю часть и более теплой сливается из верхней части бака. В этой схеме при установившемся стационарном режиме термостатирования температура жидкости на выходе из бака при подаче ее в нижнюю часть та же, что и в первой схеме. Однако здесь жидкость расслоена (в нижней части она холоднее), и это позволяет получить более низкую среднемассовую температуру. Такой способ энергетически выгодней, особенно при небольшом времени термостатирования, когда температура в баке не достигает стационарного значения. В первой схеме термостатирования тепло, накопленное верхним слоем при заправке, распространяется по всему объему жидкости, а во второй оно выводится из бака, так как температура сливаемой из верхних слоев жидкости выше среднемассовой.

Вторая схема термостатирования особенно эффективна, когда холодопроизводительность наземной части термостатирования незначительно превышает величину тепловых потоков к баку, а также если в технологическом графике отведено непродолжительное время для обеспечения заданной температуры компонентов топлива. Однако этот способ не обеспечивает равномерной температуры компонентов по всему объему бака, из-за чего требуется либо введение специальной операции по их перемешиванию, либо расширение рабочего диапазона температуры компонентов на входе в двигатель.

Для термостатирования по первой схеме используется специальный коллектор (один или несколько), обеспечивающий равномерную подачу топлива по сечению бака. При этом слив производится по заправочной линии для поддержания уровня компонента в баке в заданном диапазоне. Коллектор можно применять и для забора сливаемой жидкости, используемой при второй схеме термостатирования, хотя наиболее оптимальными являются воронкообразные заборные устройства. Заборные устройства должны находится под поверхностью жидкости для исключения провала давления в баках за счет сброса газа через сливное устройство.

Коллекторы подачи могут находится как под, так и над поверхностью жидкости и газовом объеме бака. Заправка и последующее термостатирование через расположенный в газовом объеме коллектор обеспечивают охлаждение газа в баке, равномерную температуру жидкости на момент окончания заправки и при термостатировании. Но такая технология работы с криогенными компонентом требует предварительного (перед заправкой) наддува бака неконденсируемым газом (гелием), при этом увеличивается количество растворенного в жидкости гелия. Такой способ заправки и термостатирования применялся для космических блоков Г и Д ракеты-носителя Н-1.

Чтобы улучшить энергетические характеристики блока Ц ракеты-носителя «Энергия», был использован комбинированный способ термостатирования водородного бака (реверсивное термостатирование), который применялся в изделии 5С. При этом заправка переохлажденного водорода проводилась через нижнюю часть бака, но предварительно был создан кипящий прикрывающий слой жидкого водорода. После заправки начиналось термостатирование по второму способу: холодный водород подавался по линии заправки, а теплый сливался через коллектор, находящийся под жидкостью. Непосредственно перед пуском, примерно за 25 мин. До команды «Контакт подъема», начиналось термостатирование с подачей водорода через верхний и средний коллекторы, расположенные соответственно в газовой подушке бака и середине теплого, прикрывающего от конденсации, слоя жидкости. Такое переключение потоков подаваемой и сливаемой жидкости необходимо было для охлаждения верхнего ее слоя и создания холодного, более тяжелого, чем газ рабочего наддува, водородно-гелиевого слоя газа, который опускается за зеркалом жидкости во время выработки водорода и предотвращает конденсацию при однокомпонентном наддуве. Перед изменением направления потока жидкости на термостатирование питание системы поддержания избыточного давления в баке переводилось с газообразного водорода на гелий.

Применение такого способа термостатирования позволило получить выравненное температурное поле в жидком водороде, где неприемлем способ барботирования жидкости гелием, и снизить среднемассовую температуру жидкости в баке временно до 17,5 К. Это улучшило энергетические и массовые характеристики изделия (в пересчете на массу полезного груза – 700 кг) по сравнению с первым летным изделием и снизило материальные затраты на предстартовую подготовку изделия за счет уменьшения времени работы с жидким водородом не менее, чем на один час.

Термостатирование в баке окислителя блока Ц проводилось с помощью кислорода, подаваемого в верхнюю часть бака. Холодопроизводительность наземной части системы термостатирования для обеспечения среднемассовой температуры (около 81 К) соизмерима с внешним теплопритоком к жидкому кислороду в баке окислителя. Наиболее экономичным способом обеспечения указанной температуры было понижение температуры при большом расходе заправки топлива до 79,5±0,5 К вместо штатной 83±1 К. В данном случае в функции системы термостатирования входило только поддержание заданной температуры.

После заправки или термостатирования компонентов топлива изделие какое-то время стоит на пусковом устройстве для набора готовности систем. Баки с кипящим криогенным топливом стоят с открытыми дренажными клапанами. Испаряемый из них кислород удаляется в атмосферу, а водород по дренажному трубопроводу наземной системы – на дожигатели. Для компенсации потерь компонентов топлива, вызванным испарением, баки постоянно или периодически подпитываются. Постоянная подпитка может иметь большой и малый расходы. Малый расход должен быть меньше величины испарения компонентов при минимально возможных тепловых потоках к баку, большой – больше максимально возможного испарения. Минимальный расход подпитки подается в бак постоянно, но из-за превышения испарения уровень жидкости в баке понижается. После достижения допустимого значения уровня жидкости в баке (обычно это минимальный уровень) начинается подача большого расхода на подпитку до тех пор, пока не установится номинальный уровень. После окончания стоянки уровень жидкости в баке корректируется до получения объема (или массы) жидкости, необходимого для старта изделия. При кипящем компоненте у стенок бака и в объеме жидкости находятся всплывающие пузыри пара, которые уменьшают объем жидкого наполнения, а следовательно, и массу топлива в баке. Для увеличения заправляемой массы корректировку уровня можно проводить с закрытым дренажом и надутым баком. В этом случае происходят конденсация паровых включений и расширение объема бака, что позволяет увеличить дозаправляемую дозу. Впервые эта технология применялась в изделии 8К75, в настоящее время используется на РН «Энергия».

При стоянке баков с закрытыми дренажами жидкость прогревается за счет внешнего теплопритока. Этот процесс сопровождается температурным расслоением жидкости по высоте, что связано с выносом тепла вдоль стенок бака пограничным слоем жидкости и теплоподводом от купольной несмоченной части бака. Это может существенно повлиять на массовые характеристики изделия, так как вызывает необходимость увеличить давление в баке и «тепловые» остатки топлива. Основными способами борьбы с температурным расслоением являются:

1. барботирование жидкого кислорода гелием. При этой операции температура всей жидкости выравнивается за счет выноса газовыми пузырями холодной жидкости в верхнюю часть бака и создании циркуляционного движения кислорода. Впервые барботирование было использовано в ракете-носителе Н-1. На РН «Энергия» оно было совмещено с операцией «газлифт», которая проводится за десять минут до старта для активизации циркуляции жидкости в расходных трубопроводах, что, в свою очередь, поддерживает температурный режим топлива при запуске двигателя. Гелий подается в линию циркуляции системы захолаживания кислородного тракта двигателей, которая входит в нижнюю часть бака. Барботирование жидкого водорода гелием нецелесообразно из-за малой эффективности и значительного растворения в нем гелия;

2. использование специальных внутрибаковых устройств для перемешивания жидкости. Обычно это горизонтальные или наклонные кольцевые перегородки, которые изменяют движение поднимающегося вдоль стенок пограничного слоя жидкости в сторону оси бака. Как правило, эти перегородки являются демпфирующими, ограничивающими колебания жидкости на старте и в полете.

Длительное хранение жидких криогенных компонентов