CC BY
58УДК 629.764
обеспечение и отработка тепловых режимов криогенных компонентов топлива в баках ракет-носителей и разгонных блоков
В.И. Федоров, Э.А. Лукьянова
ОАО РКК «Энергия» г. Королев, Московская область, Россия, 141070 тел. 8 (495) 513-68-28; факс (495) 513-61-38; e-mail : post2@rsce.ru
В статье изложены особенности заправки баков ракет-носителей и разгонных блоков криогенными компонентами топлива, в том числе, охлажденными ниже температуры кипения при атмосферном давлении, методы обеспечения необходимого для запуска и работы двигателей температурного режима
криогенных жидкостей в процессе подготовки изделия к пуску. Настоящая статья не охватывает полностью все вопросы, связанные с отработкой тепловых режимов криогенных компонентов топлива, но она показывает большой объем выполненных работ и основные результаты отработки.
The article describes the features of the tank load of launch vehicles and boost rocket blocks with cryogenic propellant, including the propellant cooled below the boiling temperature at the atmospheric pressure, as well as approaches for providing the thermal mode of the cryogenic liquids required for firing and burning of engines during the item preparation to start. This article does not cover fully a wide range of questions relative to development of thermal mode of the cryogenic propellant, but it shows the big volume of the performed work and the basic results of the development.
Федоров В.И. - ведущий научный сотрудник РКК «Энергия», кандидат технических наук, специалист в области криогенных систем двигательных установок ракет-носителей и разгонных блоков.
Лукьянова Э.А. - ведущий инженер РКК «Энергия», специалист в области криогенных систем двигательных установок ракет-носителей и разгонных блоков.
Некоторые особенности обеспечения и отработки температурного режима криогенных топлив
В настоящей статье из общего большого числа вопросов работы с компонентами топлива в процессе предстартовой подготовки коротко изложен накопленный опыт и основные особенности технологии подготовки изделий с криогенными компонентами топлива к пуску с учетом обеспечения требуемых температурных режимов криогенных жидкостей, методы решения вопросов организации внутрибаковых процессов при заправке, стоянке и термостатировании заправленных баков, проведении заключительных операций подготовки к пуску.
Применение в больших количествах криогенных топлив, в первую очередь, жидкого кислорода, началось в РКК «Энергия» (тогда ОКБ-1) в 1946 г. на ракете Р1. Трудности, связанные с освоением криогенных компонентов топлива, были обусловлены низкими значениями их температуры относительно температу-
ры окружающей среды. Низкие значения температур поверхности баков и других элементов конструкции вызывают интенсивный тепломассообмен с окружающей средой и приводят в объеме баков и в залитых трубопроводах к температурному расслоению топлива и возникновению локального или объемного кипения с образованием иногда значительного количества паровой фазы.
Нанесение теплоизоляции на криогенные поверхности значительно снижает тепловые потоки, зачастую позволяет улучшить энергомассовые характеристики изделия, особенно, при использовании компонентов, охлажденных до температуры ниже температуры их кипения при атмосферном давлении (далее «переохлажденные» криогенные компоненты топлива).
Целесообразность нанесения теплоизоляции на криогенные поверхности при использовании кипящего жидкого кислорода определяется по результатам оптимизации массовых характеристик ракетного блока и требований к температурным режимам приборов,
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology №3 (59) 2008 Pi ( c
© Scientific Technical Centre «TATA»,2008 M P
элементов конструкции и среды в отсеках. Однако, при применении «переохлажденного» кислорода и жидкого водорода теплоизоляция криогенных поверхностей необходима.
В этом случае за счет уменьшения внешних тепло-притоков снижается интенсивность внутрибаковых процессов, повышается надежность проведения технологических операций подготовки изделия к пуску и при сливе в случае несостоявшейся работы, а также в нештатных ситуациях. Однако наличие местных перегревов жидкости с фазовыми переходами, температурное расслоение топлива, сопровождающееся ростом давления в баках, возможность появления «гейзерного эффекта» с последующим гидроударом в магистралях изделия требуют решения ряда технологических задач, которые не возникают при использовании высококипя-щих компонентов топлива.
Отсутствие готовых решений и методик расчета процессов, протекающих в баках и элементах пневмо-гидравлических средств подачи топлива в двигатель, необходимость обеспечения требуемых температур криогенных компонентов потребовали поиска и проверки предлагаемых решений, экспериментальной отработки, нахождения оптимальных вариантов.
Отработка криогенных систем, температурного режима криогенных компонентов топлива в них и возникающих при этом вопросов проводилась вначале в основном на натурной материальной части или на экспериментальных установках, изготовленных из материальной части, близкой к натурной конструкции, что было дорого. Одновременно осуществлялось научное обеспечение работ академическими и отраслевыми институтами. К решению возникающих вопросов привлекались смежные организации. В свое время большой вклад в экспериментальную отработку и научное обеспечение создания криогенных систем изделий РКК «Энергия» внесли организации: НИИХМ, ЦНИИМАШ, ИЦ Келдыша, РНЦ «Прикладная химия», Криогенмаш, ФТИНТ.
В дальнейшем большое развитие получило исследование процессов тепломассообмена и отработка параметров криогенных систем на маломасштабных экспериментальных установках. Были созданы методики моделирования процессов и параметров систем и уникальные экспериментальные установки. Так, например, для решения вопросов обеспечения наддува криогенных баков в полете уже на стадии создания Р7 и Р9 и далее ракеты-носителя (РН) Н1 и РН «Энергия» были созданы экспериментальные установки на качающемся стенде, позволяющие моделировать тепломассообмен-ные процессы, происходящие в газовом объеме бака и в жидкости при выработке топлива как в линейной, так и в нелинейной областях колебаний поверхности жидкости. Одновременно на установках шло исследование процессов тепломассообмена в газовой и жидкостной областях бака, что позволило создать методики расчета
параметров газа и жидкости в процессе выработки криогенного топлива. Нужно отметить, что по результатам большого объема расчетно-экспериментальных работ было получено, что для баков с жидким кислородом оптимальным является наддув газообразным гелием из погруженных в криогенный компонент баллонов, с подогревом гелия в двигателе. Для баков с водородом - наддув газообразным водородом.
В целом подход к отработке параметров систем, температурного режима криогенных топлив и созданию методик расчетов с использованием модельных маломасштабных установок с последующим подтверждением принятых решений при стендовых и огневых испытаниях блоков изделия оказался очень плодотворным и оправдал себя.
Подготовка баков к заправке
При применении на борту изделия жидкого водорода, а также для уменьшения количества частиц отверж-денных газов в кислородных баках разгонных блоков (РБ) (при использовании в этих баках сетчатых капиллярных устройств, фильтров и других внутрибаковых устройств) осуществляется подготовка бака к заправке путем смены газовой среды в нем на среду с необходимыми при заправке свойствами. Так, в водородном баке перед заправкой проводится последовательная смена газовой среды с воздушной на азотную и с азотной на водородную.
Применительно к бакам РН и РБ разработан комбинированный способ смены среды (это вентиляция и последующая за ней вентиляция с наддувами бака до заданного давления с выдержкой в наддутом состоянии и последующим сбросом газа), позволяющий обеспечивать необходимую степень очистки полостей баков в условиях наличия внутрибаковых и сетчатых устройств. Комбинированный способ подготовки баков впервые был разработан для кислородно-водородного блока Р и экспериментально проверен на его стендовом варианте в 1970-1974 гг. в НИИХМ.
Наиболее детально технология подготовки водородного бака была разработана для бака горючего блока Ц изделия «Энергия», что было обусловлено большим количеством заправляемого водорода ~1500 м3, наличием разнообразных внутрибаковых устройств, ограничениями по количеству отвержденного кислорода и сумме примесей газов (в основном азота) на момент окончания заправки, диктуемыми требованиями безопасности проведения предстартовых работ и обеспечения работы двигателя.
Здесь так же, как и на блоке Р, использовались совместно способ вентиляции и способ вентиляции с выдержкой. Подача газообразного азота, с концентрацией в нем кислорода не более 1,0 % об, проводилась по заправочному трубопроводу в нижнюю часть бака. Сброс осуществляется из верхней части бака через дренажную линию с последующим досбросом газа
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 3 (59) 2008 © Научно-технический центр «TATA», 2008
через коллектор линии термостатирования. Газообразный водород подавался в верхнюю часть бака через коллектор термостатирования, сбрасывался в нижней части по линии заправки. Концентрация кислорода в подаваемом водороде была менее 110-6 % об, азота менее 110-4 % об.
Во время вентиляции осуществлялась импульсная продувка подходящих к баку трубопроводов техническим гелием.
Промежуток времени между окончанием азотной и началом водородной подготовки был не менее 1 часа, что обеспечивало диффузионное перемешивание кислорода, оставшегося в плохо продуваемых элементах конструкции, с газообразным азотом в баке. Очистка бака проводилась до концентрации кислорода < 210-4 % об, азота < 210-2 % об с замером количества примесей на выходе из бака на последнем цикле вентиляции с выдержкой.
Комбинированный способ очистки применяется также в случае наличия значительных замкнутых не-продуваемых объемов в баке, таких, как отсек капиллярных заборных устройств (КЗУ) в кислородном баке ОДУ изделия «Буран». Тщательность очистки отсека КЗУ от гелия необходима была для полного заполнения отсека кислородом. Недостаточная очистка отсека от неконденсируемого гелия могла привести к неполному заполнению этого отсека.
Заправка и тепловой режим криогенного топлива
Необходимый температурный режим криогенных топлив в баках обеспечивается за счет технологии заправки, а также, в случае использования «переохлажденной» криогенной жидкости, последующего после заправки термостатирования топлива во время стоянки заправленного изделия.
Имеющийся опыт заправки и обеспечения требуемого теплового режима криогенного топлива позволяет говорить в основном о следующих схемах заполнения топливных баков РН и РБ криогенными компонентами: заправка путем подачи жидкости в нижнюю часть бака, в верхнюю: и комбинированный способ, включающий обе эти схемы заправки.
Способ подачи компонентов топлива в бак в процессе заправки в значительной мере зависит от температуры компонентов топлива и требований к временному графику подготовки изделия.
Заправка снизу применяется в основном при использовании кипящего криогенного компонента. В этом случае по мере заполнения бака происходит охлаждение залитой части конструкции за счет испарения части топлива, из-за чего появляется необходимость сброса пара с обеспечением заданного уровня давления в баке. Если при заполнении бака кипящим компонентом и последующей его стоянке не требуется поддержание в баке избыточного давления, то заправка осуществля-
ется с открытыми дренажами. Это классическая схема заправки. Такая заправка была принята на ракетах Р1, Р2, Р5, Р7, на РН «Энергия» (блок А), «Союз».
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 гидравлические характеристики дренажной магистрали, обеспечивающие минимально возможные значения среднемассовых температур криогенных топлив и максимальную заправку топливом при располагаемом объеме бака.
Заправка с открытыми дренажами может проводиться при использовании «переохлажденных» компонентов топлива для более экономичного получения «переохлажденной» жидкости в баках изделия, непосредственно на момент окончательной заправки даже в условиях ветровых колебаний изделия. В этом случае в баке предварительно создается прогретый верхний слой кипящей при атмосферном давлении криогенной жидкости для исключения подсоса воздуха из окружающей среды и возможного смятия бака при снижении давления в баке ниже атмосферного из-за выплескивания «переохлажденной» жидкости в свободный объем бака.
После создания в баке прикрывающего слоя начинается заправка с температурой, значительно меньшей, чем температура кипения при атмосферном давлении. Такая технология применена на РН «Энергия» при заполнении баков центрального блока «переохлажденными» до температур 15-17 К и 78-80 К жидких водорода и кислорода. Она позволяет существенно снизить на момент окончания заправки прогрев жидкости от тепла конструкции за счет съема тепла со стенок бака путем испарения жидкости на глубине прогретого прикрывающего слоя.
В конце 50-х годов при создании Р9 - ракеты с высокой боеготовностью - возникла необходимость скоростной заправки. Для уменьшения диаметра дренажей и уменьшения паровой фазы впервые был применен кислород, охлажденный до -190-192 оС. Понижение температуры кислорода позволило с минимальным испарением кислорода заправить бак в заданное время. К концу заправки кипение в объеме жидкости практически отсутствовало, что обеспечивало необходимую точность заправляемой массы кислорода. В условиях заправки с открытым дренажным клапаном прикрывающий теплый слой кислорода не создавался, подсос воздуха в бак был исключен за счет высокой скорости заправки и выбора соответствующего проходного сечения дренажного клапана бака.
Однако, как правило, заправка «переохлажденным» кислородом, особенно, в баки сферической формы, осуществляется с закрытым дренажным клапаном и с обеспечением избыточного давления в баке за счет наддува его газообразным гелием и периодического
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 3 (59) 2008
© Scientific Technical Centre «TATA», 2008
сброса газа открытием и последующим закрытием дренажного клапана при достижении соответствующих настроек сигнализаторов давления. При этом жидкость во время заправки может подаваться как в верхнюю, так и нижнюю часть бака.
При заправке с подачей «переохлажденной» криогенной жидкости в верхнюю часть бака жидкость через коллектор (или систему коллекторов) поступает на стенку и в газовый объем бака, что обеспечивает более равномерное охлаждение конструкции баков. Такой способ подачи жидкости позволяет получить равномерные по высоте температурные поля в жидком и газовом наполнении бака уже к моменту окончания заправки. В этом случае большая доля тепла от охлаждения конструкции, внешний теплоприток к жидкости, избыточное тепло от газа системы поддержания избыточного давления в баке идут в среднемассовый прогрев жидкости. Однако существенно уменьшается количество пара, удаляемого через дренаж, т.к. 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 применена на семействе разгонных блоков типа ДМ, где после окончания заправки в условиях последующей длительной стоянки заправленного бака осуществляется термостатирование жидкости путем подачи холодной жидкости в верхнюю часть бака и слива прогретой жидкости из нижней части бака.
При отсутствии длительной стоянки заправленного бака для получения минимальных прогревов «переохлажденного» криогенного топлива на момент окончания заправки заправку осуществляют подачей жидкости на нижнее днище бака. В этом случае сформировавшийся в начале заправки прогретый верхний слой жидкости охлаждает стенку бака в основном за счет испарения жидкости, что позволяет вывести из бака в виде пара значительную долю тепла охлаждаемой конструкции. По окончании заправки проводится барботирование жидкости газообразным гелием для осреднения полученного неравномерного поля температуры по высоте бака. Аналогичный способ заправки используется на РБ ДМ-SL в составе РКН «Зенит-3SL» на комплексе «Морской старт».
Скорость, режимы и время проведения заправки определяются тактико-техническими требованиями и графиком подготовки изделия к пуску, а также конструктивными особенностями бака. Так, например, наличие длинного тоннельного трубопровода с присоединенными массами расходных трубопроводов и ТНА двигателей может при определенных условиях привести к возникновению «гейзерного» эффекта с последующим гидроударом и разрушением тоннельного трубопровода. Впервые «гейзерный» эффект был получен при создании Р7, где было верхнее располо-
жение баков окислителя. Там же впервые была введена линия циркуляции для отвода пара из двигателя в бак. В дальнейшем система циркуляции нашла применение в качестве средства обеспечения требуемой температуры компонентов топлива на входе в двигатели РН перед их запуском практически на всех криогенных ракетах, а также как средство недопущения «гейзерного» эффекта.
Термостатирование топлива в баках, стоянка заправленного изделия
«Переохлаждение» топлива в баках РН и РБ обеспечивается как за счет заправки «переохлажденной» жидкостью, так и за счет термостатирования при стоянке заправленного изделия. Целью термостатирования является снижение среднемассовой температуры жидкости в баке и поддержание ее в заданном диапазоне в процессе стоянки заправленных баков.
В основном применяются две схемы термостати-рования:
1) Подача холодной криогенной жидкости в верхнюю часть и слив более теплой из нижней части бака. В этом случае на режиме близком к стационарному, в объеме 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 впервые разработана и применена на первой, второй и третьей ступенях РН 11А52 и космических блоках Г и Д комплекса Н1-Л3. В последующем она также была применена для термоста-тирования кислорода и водорода в баках центральной ступени РН «Энергия». Эта схема термостатирования применялась и для понижения температуры в кислородном баке изделия «Буран».
2) Подача холодной криогенной жидкости в нижнюю часть и слив более теплой из верхней части бака. В данной схеме при прочих равных условиях с предыдущей схемой термостатирования на установившемся стационарном режиме термостатирования температура жидкости на выходе из бака при подаче ее в нижнюю часть соответствует среднемассовой температуре в первой схеме. Однако, в этом случае жидкость расслоена на высоте, в нижней части она холоднее, что позволяет получить среднемассовую температуру ниже, чем в предыдущей схеме. Такой способ энергетически выгоднее, особенно, при небольших временах термостатирования, когда температура в баке не достигает стационарного состояния. В первой схеме термостатирования тепло, накопленное верхним слоем при заправке, размешивается во всем объеме жидкости, а во второй - оно выводится из бака, т.к. температура сливаемой жидкости из верхних слоев выше среднемассовой. Способ термостатирования со сливом из верхней части бака особенно эффективен в случае, когда холодопроизводительность наземной час-
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 3 (59) 2008 © Научно-технический центр «TATA», 2008
ти средств термостатирования незначительно превышает величину тепловых потоков к баку (бакам), и при небольшом времени, отведенном в технологическом графике для обеспечения заданной температуры компонентов топлива. Однако второй способ термостатирования не обеспечивает равномерной температуры по всему объему бака, из-за чего требуется либо введение специальной операции по перемешиванию компонента, либо расширение рабочего диапазона температуры на входе в двигатель при его работе.
Для улучшения энергомассовых характеристик водородного бака блока Ц РН «Энергия» с изделия 5С был применен комбинированный способ термостатирования («реверсивное ТСТ»). При этом заправка «переохлажденного» водорода проводилась в нижнюю часть бака, с предварительным в начале заправки созданием кипящего прикрывающего слоя. По окончании заправки начиналось термостатирование по второму способу подачей более холодного водорода по линии заправки и сливом теплого через коллектор, заглубленный под уровень жидкости. Перед пуском, за ~25 мин до КП, начиналось термостатирование с подачей водорода в верхнюю часть бака. Применение такого способа термостатирования позволило получить выровненное температурное поле в жидком водороде, где не применим способ барботи-рования жидкости гелием, снизить среднемассовую температуру жидкости в баке на 0,5 К.
По окончании заправки или термостатирования компонентов топлива изделие какое-то время стоит на пусковом устройстве для набора готовности систем. Баки изделий на кипящих криогенных топливах стоят при предстартовой подготовке с открытыми дренажными клапанами. Испаренный в баке кислород удаляется в атмосферу, а водород по дренажному трубопроводу наземной системы - на дожигатели. Для компенсации потерь на испарение баки постоянно или периодически подпитываются. При постоянной подпитке применяются два расхода подпитки: большой и малый. Величина малого расхода выбирается меньше расхода испарения при минимально возможных тепловых потоках к компоненту, величина большого расхода больше максимально возможного испарения. Минимальный расход подпитки подается в бак постоянно, но из-за превышения расхода испарения уровень жидкости в баке понижается. При достижении допустимого значения уровня в баке (обычно это «минимальный» уровень) включается большой расход подпитки, который подается до достижения «номинального» уровня.
По окончании стоянки производится корректировка уровня, заключающаяся в получении необходимого объема (или массы) жидкости в баке перед стартом изделия. При кипящем компоненте у стенок бака и в объеме жидкости находятся всплывающие паровые пузыри, которые уменьшают объем жидкого наполнения, а следовательно, и массу топлива в баке. Для увеличения заправляемой массы корректировку уровня можно проводить с закрытым дренажем и наддутым баком. В этом случае происходит конденсация паровых включений, расширение объема бака, что позволяет увеличить дозаправляемую дозу. Впервые эта технология была применена на Р9 и использовалась на блоках А РН «Энергия».
При стоянке баков с закрытыми дренажами за счет внешнего теплопритока идет прогрев жидкости, сопровождающийся температурным расслоением по высоте, связанный с выносом тепла пограничным слоем вдоль стенок бака и теплоподводом от купольной несмоченной части бака. Наличие этого фактора может существенно повлиять на массовые характеристики изделия, т.к. приводит к необходимости увеличения давления в баке и не забираемых двигателем остатков топлива. Наиболее распространенным способом борьбы с температурным расслоением является барботирование жидкого кислорода гелием, подаваемым в нижнюю часть бака. При барботировании за счет выноса газовыми пузырями холодной жидкости в верхнюю часть бака происходит выравнивание температуры во всем объеме жидкости.
Заключение
В РКК «Энергия» накоплен более чем шестидесятилетний опыт создания РН и РБ на криогенных компонентах топлива и обеспечения требуемого температурного режима топлив, а также опыт экспериментальной отработки криогенных систем двигательных установок. На базе полученного опыта созданы методики и программы расчетов сложных процессов, протекающих в баках и в элементах ПГС в процессе подготовки криогенных изделий к работе и во время работы двигательной установки. Все это позволяет с минимальными материальными и временными затратами решать вопросы проектирования, отработки и надежного функционирования криогенных систем вновь создаваемых изделий.
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 3 (59) 2008
© Scientific Technical Centre «TATA», 2008
