CC BY
10
УДК 629.7.08
Жабаева В.А. студент магистратуры 1 курса Аэрокосмический институт Оренбургский государственный университет научный руководитель: Русяев А.С., к.техн. н.
доцент Россия, г. Оренбург ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА АВТОМАТИЗАЦИИ ПРОЦЕССА ЗАПРАВКИ РАКЕТЫ-НОСИТЕЛЯ ОКИСЛИТЕЛЕМ Аннотация: в данной статье описана ракетно-космическая отрасль. Проведен анализ различных видов ракетного топлива. Описано функционирование системы заправки ракеты-носителя окислителем, определенны контролируемые параметры данной системы.
Ключевые слова: ракетно-космическая промышленность, ракета-носитель, ракетное топливо, система заправки ракеты-носителя, автоматизация заправки ракеты-носителя.
Zhabaeva V.A. graduate student 1 course, Aerospace Institute Orenburg State University Russia, Orenburg Scientific adviser: Rusyaev A .S.
Candidate of Technical Sciences, Associate Professor TECHNICAL MEANS OF THE AUTOMATION OF THE PROCESS
OF FILLING THE ROCKET-CARRIER OXIDIZER Annotation: this article describes the rocket and space industry. The analysis of various types of rocket fuel. The operation of the system for filling the booster with an oxidizing agent is described, and the controlled parameters of this system are determined.
Key words: rocket and space industry, launch vehicle, rocket fuel, launch vehicle refueling system, launch vehicle refueling automation.
Ракетно-космическая промышленность - это приоритетная отрасль машиностроения России и мира. Представляет собой совокупность предприятий, научно-исследовательских учреждений и проектно-конструкторских организаций по разработке, производству, ремонту и модернизации боевых ракетных комплексов и ракетных комплексов космического назначения, наземного оборудования космических систем и образцов космической техники гражданского и военного назначения. Ракетно-космическая отрасль играет ведущую роль в обеспечении военно-экономической безопасности, оказывая существенное влияние на уровень военного, экономического, научного потенциалов страны.
Ракетно-космическая отрасль условно подразделяется на военную и гражданскую. Гражданская занимается изучением Земли, планет и космического пространства с помощью космических аппаратов. Средствами доставки космических аппаратов на орбиту служат ракеты -носители. Ракета-носитель - это ракета, предназначенная для выведения полезной нагрузки в космическое пространство. В настоящее время Россия располагает целым рядом современных ракет-носителей нескольких классов, способных выводить на разные орбиты различную полезную нагрузку.
Но несмотря на такое разнообразие, все ракеты-носители имеют много общего в своем устройстве (рисунок 1).
Космический —"" корабль Приборный "" отсек Бак с — окислителем
Бак ^ с горюыим
Насосы
Камера с topaним
Сопло
Рисунок 1 - Устройство ракеты-носителя
Поэтому последовательность и содержание операций по подготовке к пуску производится по определенному алгоритму. Неотъемлемым пунктом такого алгоритма является заправка ракеты-носителя топливом, которое делится на горючее и окислитель. Классификация химического топлива для ракетных двигателей представлена на рисунке.2.
Рисунок 2 - Классификация химического топлива для ракетных двигателей
Для заправки ракет-носителей используется преимущественно жидкое и твердое топливо. Применяемое топливо на 90% определяет характеристики ракетных двигателей, а значит и эксплуатационные характеристики ракеты-носителя. При использовании жидкого ракетного топлива существует возможность контролировать поток топлива в двигатель и регулировать производимую тягу, жидкостный ракетный двигатель можно включить или выключить по мере необходимости. После же воспламенения твердого ракетного топлива тягу регулировать невозможно. Система с твердым топливом более простая, безопасная и дешевая, но менее эффективная. Питаемый жидким ракетным топливом реактивный двигатель, имеет колоссальную мощность и скорость.
Топливо тем лучше, чем больше энергии оно запасает. Поэтому вещества для ракетного топлива чрезвычайно химически активны, окислители либо взрывоопасны, либо ядовиты, либо нестойки. Жидкий кислород - единственное исключение.
Россия долгие годы занимала лидирующее место по количеству космических пусков. Однако, после рекордных показателей в 2014 году, число удачных запусков начало сильно снижаться (рисунок 3). Неудачные запуски ракет-носителей приводят к большим финансовым и временным затратам, а также отражаются на репутации ракетно-промышленной отрасли страны.
2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017
Рисунок 3 - Число удачных запусков в разных странах по годам
Для удачного запуска ракеты-носителя необходимы точность и согласованность работы систем ракеты-носителя, стартового и технического комплексов, а также высокий уровень качества их составных частей и компонентов. Таким образом, любые неточности в работе систем стартового комплекса могут привести к неудачному запуску ракеты -носителя. Не является исключением и система заправки ракеты-носителя окислителем, что говорит о необходимости модернизации и автоматизации этой системы с целью повышения точности ее работы.
Схема автоматизируемой системы заправки представлена на рисунке 4. Задачей, автоматизируемой системы заправки, является повышение технологичности процесса переохлаждения кислорода перед заправкой бака окислителя ракеты-носителя за счет снижения погрешности получения требуемой температуры кислорода, снижения энергозатрат системы и повышения точности заправки в бак окислителя заданной массы кислорода и улучшение эксплуатационных характеристик ракеты-носителя.
Рисунок 4 - Схема автоматизируемой системы заправки
Система заправки функционирует следующим образом.
За заданное расчетное время до начала заправки бака окислителя ракеты-носителя блока 5 через запорный клапан 32 осуществляется подача жидкого криогенного хладагента, например, жидкого азота, по трубопроводу заправки хладагента 10 в теплообменник-охладитель 6 и производится заполнение герметичной полости с жидким криогенным хладагентом 9, например, жидким азотом, до требуемого расчетного уровня заправки хладагента, фиксируемого по уровнемеру в полости хладагента 33. Одновременно при этом происходит захолаживание внутреннего сосуда 8 теплообменника-охладителя 6, заполненного гелием. После захолаживания внутреннего сосуда 8 производится заполнение его жидким кислородом, подаваемым из криогенной заправочной емкости с жидким кислородом 1 при открытых 14, 15 и 25 запорных клапанах с помощью насоса жидкого кислорода 3, при закрытом запорном клапане 26. Заполнение внутреннего сосуда 8 ведут до заданного уровня, фиксируемого по уровнемеру во внутреннем сосуде 34, соответствующего массе, необходимой для заправки бака окислителя ракеты-носителя 5 переохлажденного кислорода, при этом объем газовой подушки над жидким кислородом при достижении им заданного уровня также соответствует заданной расчетной величине этого объема. За счет теплообмена кислорода с хладагентом в процессе последующей после заправки внутреннего сосуда 8 стоянки с дренированием паров хладагента через патрубок дренажа паров хладагента 13 и дренажный клапан испаряющихся паров хладагента 29 в атмосферу
осуществляется охлаждение кислорода до температуры, близкой к температуре хладагента. По достижении требуемого уровня температуры кислорода во внутреннем сосуде 8 перекрывается патрубок дренажа паров хладагента 13 закрытием дренажного клапана испаряющихся паров хладагента 29 теплообменника-охладителя 6 и включается агрегат откачки паров хладагента 12, создающий в герметичной полости с жидким криогенным хладагентом 9 разрежение, понижающее температуру хладагента и обеспечивающее получение заданной температуры переохлаждения жидкого кислорода во внутреннем сосуде 8. За заданное расчетное время до подачи переохлажденного кислорода в бак окислителя разгонного блока 5 открываются клапаны подачи гелия 23 и регулирующий расход гелия 24 и производится подача гелия из источника подачи гелия 19 в трубчатый коллектор подачи газообразного гелия 20, расположенный в нижней части внутреннего сосуда 8. Гелий, поступающий в трубчатый коллектор подачи газообразного гелия 20, расположенный в плоскости симметрии, проходящей через продольную ось внутреннего сосуда 8 на его нижнем днище, выходит через отверстия подачи газообразного гелия 21 в виде множества пузырьков, всплывающих в жидком кислороде в газовую подушку сосуда. При этом создается устойчивое циркуляционное движение жидкого кислорода в объеме внутреннего сосуда 8, турбулизирующее объем жидкости и обеспечивающее перемешивание слоев жидкого кислорода и выравнивание его температуры во всем объеме сосуда. Это значительно повышает интенсивность процесса теплопередачи через оболочку внутренней емкости между криогенным хладагентом и переохлаждаемым жидким кислородом, позволяет значительно сократить время переохлаждения жидкого кислорода, а также повысить точность заправки бака РН. Всплывающие пузырьки гелия охлаждаются жидким кислородом и образуют холодную газовую подушку над поверхностью жидкого кислорода, при этом по мере поступления гелия давление в газовой подушке повышается. При этом расход и время подачи гелия в трубчатый коллектор подачи газообразного гелия 20 устанавливаются расчетно -экспериментальным путем из условия наддува внутреннего сосуда до требуемого рабочего давления выдачи кислорода к моменту (или несколько позже) окончания переохлаждения кислорода. По достижении заданной температуры переохлаждения кислорода в теплообменнике-охладителе 6 закрываются клапаны подачи гелия 23 и регулирующий расход гелия 24, открываются клапан наддува 18 на трубопроводе наддува газообразным гелием 17 и запорные клапаны 14 и 26, на заправочной магистрали жидкого кислорода 2 и через открытый бортовой заправочный клапан 28 производится заправка переохлажденным кислородом бака окислителя разгонного блока 5.
В процессе выдачи переохлажденного кислорода и понижения уровня его во внутреннем сосуде 8 первоначально образованная в сосуде холодная гелиевая подушка опускается с уровнем жидкости, предохраняя
переохлажденный жидкий кислород от теплового контакта с теплым газом наддува, что существенно уменьшает объем верхнего слоя жидкого кислорода с температурой выше температуры, заданной на заправку.
Рисунок 5 - Циркуляционное движение жидкого кислорода в объеме внутреннего сосуда.
В данной системе было определенно, что необходимо контролировать следующие параметры:
- уровень азота в емкости криогенной камеры;
- уровень кислорода в емкости криогенной камеры;
- давление в трубопроводе;
- температуру азота в криогенной камере;
- температуру кислорода в криогенной камере;
- расход кислорода .
Для повышения надежности дозирования кислорода системы контроля количества кислорода дублируются. Одна указывает текущее значение выданной дозы, другая - указывает достижение предельного уровня.
Контроль параметров осуществляется при помощи датчиков установленных по месту. Помимо контроля производится регистрация, аварийная сигнализация и индикация всех параметров.
Учитывая специфику системы и область ее применения главными критериями в подборе различных датчиков были возможность работы при очень низких температурах (температура кипения кислорода -183°С, температура кипения азота -195,8 °С) и преимущественно отечественный производитель оборудования, так как иностранное оборудование требует специальной сертификации. В качестве датчика температуры был выбран датчик ТП227, для измерения расхода кислорода - расходомер вихревой РВ 298, для контроля уровня кислорода и азота в емкостях криогенной камеры -дискретный сигнализатор уровня ДСУ 313, для измерения давления - датчик
А-А
давления CCQ-062 фирмы КиШе.
Основой системы управления является программируемый логический контроллер (ПЛК). Для разрабатываемой системы был выбран ОВЕН ПЛК160-220.И-М. Оптимален для построения распределенных систем управления и диспетчеризации с использованием как проводных, так и беспроводных технологий. Одной из областей его применения является АСУ водоканалов. Для наглядного отображения значений параметров и оперативного управления используются сенсорные панели оператора. Для совместного использования с выбранным ПЛК была выбрана панель ОВЕН СП310-Б.
Использованные источники:
1. Александров, А. А. Охлаждение ракетного топлива стартовым оборудованием с применением жидкого азота / А. А. Александров, О. Е. Денисов, А. В. Золин, В. В. Чугунков. Известия ВУЗов. Машиностроение. 2013. № 4. с. 24-29.
2. Вольский А.П. Ракетно-космический комплекс космодром - М.: Воениздат, 1977. — 309 с.
3. Голубятников, В.А Автоматизация технических процессов в химической промышленности / В.А. Голубятников, В.В. Шувалов. - М.: Химия, 1985. -352 с.
4. Золин, А. В. Методика анализа теплообменных процессов компонентов ракетного топлива при выполнении операции заправки топливных баков ракеты на стартовом комплексе / А. В. Золин, В. В. Чугунков Известия ВУЗов. Машиностроение. 2012. № 12. с. 8-12
5. Пат. 2297373 Российская Федерация, МПК B64G5/00, F17C6/00. Система заправки переохлажденным кислородом бака окислителя разгонного блока / Лукьянова Э.А., Сукачева О.В., Сыровец М.Н, Федоров В.И.; патентообладатель ОАО "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" имени С.П. Королева" - заявл. 11.05.2005; опубл. 20.04.2007.
6. Федоров, А. В. Основы устройства ракетно-космических комплексов: Учебное пособие / А. В. Федоров. - Санкт-Петербург, 2012. - 243 с.
7. Шехтер, М. С. Топлива и рабочие тела ракетных двигателей / М. С. Шехтер. - Москва: Машиностроение, 1976. - 304 с.
