Под общ. ред. И.В. Бармина
Технологические объекты наземной инфраструктуры
ракетно-космической техники
(Книга 2)

Москва 2005

Наш адрес: ruzhany@narod.ru

   

ГЛАВА 3
Средства заправки ракет низкокипящими (криогенными) компонентами топлива

И.Д. Кунис

В космической ракетной технике, в зависимости от назначения и целевых задач КРК, для работы двигателей РКН используют высоко- или низкокипящие (криогенные) компоненты топлива, каждый из которых обладает конкретными физико-химическими свойствами, требующими своих технических решений при создании систем заправки этими компонентами.

Особенностью низкокипящих криогенных жидкостей является то, что их температура ниже 120 К.

Низкокипящие (криогенные) компоненты топлива, используемые в технологических процессах подготовки РКН к пуску, требуют особых условий при хранении, заправке ими баков РКН, при эксплуатации заправочного оборудования, что во многом связано с испарением их с различной интенсивностью как в наземных заправочных агрегатах и системах, так и в баках РН, РБ и ОК.

При этом следует отметить, что криогенные компоненты топлива, используемые в РКН, обладают преимуществом по сравнению с высококипящими, поскольку они обеспечивают более высокий удельный импульс двигателей, что значительно улучшает характеристики ракеты.

Когда в составе ракетно-космической системы находится орбитальный корабль (ОК), на СК осуществляют его заправку в заданных объемах криогенными продуктами (жидкие водород и кислород) особо высокой чистоты, что необходимо для работы электрохимических генераторов (ЭХГ) системы электропитания (СЭП).

Поскольку ракетное топливо состоит из окислителя и горючего, то возможны следующие пары компонентов криогенного топлива, где жидкий кислород и жидкий фтор являются окислителями:

• жидкий кислород – жидкий водород;
• жидкий кислород – сжиженный природный газ (СПГ);
• жидкий фтор – жидкий водород;
• жидкий фтор – жидкий аммиак.

Часто используется комбинация, состоящая из криогенного и высококипящего компонентов топлива, например, пара жидкий кислород – керосин Т-1.

Помимо криогенных компонентов топлива в баки РКН заправляется и нейтральный криогенный компонент – жидкий азот, используемый в РКН в технических целях во время полета.

На СК при подготовке РКН к пуску в принятых технологических процессах ее заправки указанные криогенные компоненты используются в жидком кипящем или охлажденном видах, а также и в газообразном состоянии. В ряде случаев в технологических процессах заправки РКН используются газообразные гелий и аргон.

В целом создаваемые средства заправки криогенными компонентами топлива должны обеспечивать:

• доставку криогенных компонентов на СК;
• накопление на СК в системах заправки необходимых криогенных компонентов и их хранение при заданных параметрах;
• захолаживание магистралей (трубопроводов) заправочных систем, заполнение их жидкостью и проливку;
• захолаживание баков РН и РБ;
• заправку баков РН и РБ компонентами топлива и жидким азотом;
• поддержание в баках РН и РБ необходимого уровня компонента и требуемой температуры в течение заданного времени;
• подпитку баков РН и РБ компонентами топлива;
• термостатирование компонентов топлива в баках РН и РБ;
• охлаждение компонентов топлива до температуры ниже точки его кипения при атмосферном давлении;
• дренаж магистралей заправочных систем перед отстыковкой их от РКН;
• слив компонентов топлива (при необходимости) и повторную заправку;
• прием жидкого криогенного компонента в резервуары хранилища заправочных систем из баков РНЕ, РБ и ОК при несостоявшемся пуске.

Следует отметить, что основные принципиальные технические решения по системам заправки РКН компонентами топлива укрупненно закладываются головным конструкторским предприятием по СК на этапе разработки проектного предложения при определении им функционально-структурного построения СК, выполняемого в соответствии с требованиями Заказчика и исходными данными разработчика РКН.

При этом на этапе разработки эскизного проекта СК, часто выполняемого с привлечением отдельных специалистов предприятий-разработчиков оборудования систем заправки, на уровне макропроектирования уточняются некоторые ранее принятые решения по конструкции заправочных систем и технологическим процессам их работы, местам размещения на СК, связям с другим оборудованием СК, стыковке их коммуникаций с РКН и т.д.

	Рис.3.1. Хранилище жидкого кислорода и азота на стартовом комплексе ракеты Р-7А

После согласования эскизного проекта с Заказчиком головное конструкторское предприятие по СК разрабатывает и выдает предприятиям-разработчикам заправочного оборудования технические задания (ТЗ). Эти ТЗ наряду с исходными данными по РКН являются основой для разработки эскизных проектов агрегатов и систем заправки и их рабочей конструкторской документации. По завершении разработки эскизных проектов агрегатов и систем предприятия-разработчики выдают свои требования проектно-строительным предприятиям по размещению оборудования в строительных сооружениях, строительству фундаментов под отдельные виды оборудования, размещению закладных элементов, освещению, температурно-влажностному режиму в строительных сооружениях и другие требования, которые позже, при необходимости, уточняются на этапе разработки рабочей конструкторской документации.

Разработка оборудования средств заправки начинается с тщательного анализа исходных данных по РКН, технических заданий на системы заправки, особенностей заправляемых продуктов и их физико-химических свойств.

3.1. Создание и развитие криогенных заправочных систем

Преимущества криогенных компонентов по сравнению с высококипящими в конечном счете сделали их предпочтительными при выборе топлива для космических ракет.

Впервые жидкий кислород как окислитель был использован в годы второй мировой войны для немецкой ракеты ФАУ-2, а в отечественном ракетостроении – для боевых ракет Р-1, Р-2, Р-5 и Р-7. Широкое применение жидкий кислород и жидкий азот нашли в космических ракетах «Восток», «Союз», «Молния». Созданные в составе оборудования СК криогенные системы заправки использовались для обеспечения запуска первого искусственного спутника Земли, полета первого человека в космос, запуска автоматических космических станций для исследования Луны, Марса, Венеры и других планет.

Для космических ракет типа «Союз» на космодроме Байконур и затем на космодроме Плесецк были созданы заправочные системы жидкою кислорода и азота. Крупные расходные хранилища (до 200 т) были размещены на стартовой площадке. По мере расходования криогенных продуктов хранилища по трубопроводам пополнялись из расположенного невдалеке кислородноазотного завода (впоследствии законсервированного) или из железнодорожных цистерн. Заправка ракеты жидким кислородом производилась с помощью кислородных центробежных насосов, а жидким азотом – путем вытеснения через трубопроводы и арматуру. В тот период изоляция емкостей и трубопроводов была выполнена с использованием таких теплоизолирующих материалов как мипора, стекломаты и специальные ленты. Потери жидкого кислорода при его хранении составляли до 5 % в сутки, что является серьезным недостатком системы.

Бурное развитие отечественной криогенной техники позволило в 60-е годы прошлого века создать порошково-вакуумную (Уралвагонзавод) и экранно-вакуумную (РКК «Энергия», НПО «Криогенмаш») изоляцию, железнодорожные и автомобильные агрегаты для перевозки, хранения и заправки продуктов; резервуары различных типоразмеров; трубопроводы и арматуру, сократившие потери криогенных компонентов до 0,1-0,2 % в сутки. С освоением на заводе «Арсенал» серийного производства гелиевых рефрижераторных установок, работающих по циклу «Стирлинга», была решена задача обратной конденсации паров при выкипании кислорода из хранилища, что обеспечило поддержание температуры жидкого кислорода в заданном режиме без потерь. Это позволило значительно дольше поддерживать кислородные системы в готовности к заправке.

В 1969-1970 гг. на площадке 1 космодрома Байконур в составе оборудования СК ракеты «Союз» была проведена глубокая модернизация хранилища жидкого кислорода и азота. В хранилище жидкого кислорода на этом комплексе имеется 5 цилиндрических резервуаров с порошково-вакуумной изоляцией емкостью 74 м³ каждый. Оно размещено на расстоянии 100 м от стартового сооружения. Днища резервуаров с арматурой и трубопроводными вводами вмонтированы в сооружение, в котором размещено 4 кислородных насоса производительностью 1,8 м³/мин каждый, позволяющих подавать продукт в баки ракеты с «большим» и «малым» расходами, а также плавно обеспечивать захолаживание систем. Остальная часть хранилища находится на открытом воздухе.

	Рис.3.2. Хранилище жидкого кислорода для РКН «Протон-К»

Заправка жидким азотом на этом СК осуществляется вытеснительным способом из резервуара, емкостью 33 м³ размещенного рядом с кислородной системой.

На СК РКН «Протон-К» заправка жидким кислородом ее разгонного блока ДМ стала функционировать на космодроме Байконур к концу 60-х годов прошлого столетия.

Для увеличения массы компонента, заправляемого в баки ракеты, на этом СК впервые была осуществлена заправка бака ракеты охлажденным жидким кислородом, что одновременно позволило осуществлять заправку однофазным потоком жидкости. Были разработаны датчики и приборы, которые обеспечили автоматизацию и дистанционный контроль процесса заправки.

Хранилище системы состоит из железнодорожных цистерн (позже установленных стационарно) с порошково-вакуумной изоляцией. Подача жидкого кислорода в бак разгонного блока осуществляется по трубопроводам с вакуумной изоляцией через блоки арматуры и блок охлаждения. Охлаждение жидкого кислорода обеспечивается за счет теплообмена заправляемого жидкого кислорода с азотом, кипящим в теплообменнике блока, в процессе циркуляции кислорода по кольцу заправочных трубопроводов до получения температуры перед входом в РН на 10 °С ниже температуры кипения кислорода при атмосферном давлении, а затем и при его подаче в бак разгонного блока. Система позволяет также осуществить очистку жидкого кислорода в нетехнологическое время от избытка углекислоты, выпадающей в твердом виде на фильтроэлементах при охлаждении продукта в процессе его циркуляции по контуру системы через фильтры.

	Рис.3.3. Площадка дожигания дренируемых паров водорода. На заднем плане – резервуары системы заправки ракеты

Для обеспечения заправки космической ракеты Н-1 в 60-70-х годах XX столетия была создана крупнейшая на тот период кислородная заправочная система. Она состояла из 12 цилиндрических резервуаров с экранно-вакуумной изоляцией объемом 250 м³ каждый. Потери кислорода составляли 0,1 % в сутки. Система обеспечивала подачу более 1500 т жидкого кислорода во все 3 ступени РН и термостатирование продукта в них в течение 10 ч на температурном уровне 75-77 К. Охлаждение продукта в этой системе осуществлялось в резервуарах хранилища предварительно во внетехнологическое время двухступенчатыми эжекторными установками – воздухом, который подавался от мощных центробежных компрессоров с давлением 0,9 МПа. Подача жидкого кислорода к ракете осуществлялась по изолированным трубопроводам диаметром до 250 мм с помощью двух центробежных насосов: одного с малой производительностью – 200 м³/час и напором 1,5 МПа и второго с большой производительностью – 600 м³/час и напором 2,5 МПа. Малый насос обеспечивал охлаждение коммуникаций и баков ракеты и «малый» расход заправки, а также термостатирование, а большой насос – ее основную заправку. Наддув резервуаров при заправке осуществлялся газообразным кислородом, получаемым в испарителе типа «труба в трубе» за счет горячей воды, циркулирующей в кольцевом устройстве испарителя. Система была оснащена пневмоуправляемой арматурой, различными датчиками и приборами, что обеспечивало возможность дистанционного управления и контроля за работой системы.

Необходимо отметить, что резервуары хранилища системы были размещены в арочном строительном сооружении. Эго потребовало создания, кроме сооружения, достаточно сложных систем вентиляции и газового контроля состояния среды в сооружении.

В 80-х годах прошлого века на площадке 31 космодрома Байконур в составе оборудования СК ракеты «Союз» была также проведена коренная модернизация системы заправки жидким кислородом и азотом. По существу система была создана вновь: сохранены были разводка коммуникаций по стартовому сооружению, блоки предстартовых клапанов и принципы стыковки и отстыковки коммуникаций от ракеты. Вновь были созданы хранилище жидкого кислорода, состоящее из четырех резервуаров объемом 250 м³ каждый, блок испарителей для наддува резервуаров; системы магистральных трубопроводов, распределительное кольцо и блоки клапанов из нержавеющей стали с использованием вакуумной изоляции. Заправка осуществлялась вытеснительным способом с помощью газообразного кислорода, подаваемого из блока испарителей, а регулировка расхода производилась с помощью блока клапанов, размещенного в стартовом сооружении. В состав азотной заправочной системы были включены резервуар РЦГ-100/0,6, размещенный вблизи кислородных резервуаров и магистральные трубопроводы с блоком клапанов.

Хранилища жидких кислорода и азота размещены на открытом воздухе под навесом на расстоянии порядка 200 м от стартового сооружения. Управление технологическим процессом системы выполнялось в дистанционном режиме, кроме работ с заправочными коммуникациями (шлангами) после их отстыковки от ракеты. В системах исключена необходимость подпитки хранилища продуктом от сторонних источников в процессе заправки и существенно уменьшены потери продуктов от испарения при их хранении.

После запуска в нашей стране первого искусственного спутника Земли и первого человека в космос, американцы решили форсировать свою космическую программу. Для этой цели в США были созданы ракетно-космические комплексы «Атлас – Аджена», «Сатурн-5» и разработана программа «Спейс – Шаттл» с применением в качестве окислителя на I ступени РН кипящего жидкого кислорода, а на II и III ступенях – двух криогенных компонентов: жидкого кислорода и жидкого водорода в кипящем состоянии. По сравнению с использованием охлажденных компонентов это несколько упрощало конструкцию заправочных систем, но ухудшало показатели ракет-носителей. Применение жидкого водорода на верхних ступенях ракет способствовало решению задач обеспечения доставки человека на поверхность Луны.

Следует отметить, что в этот период времени в нашей стране жидкому водороду как ракетному горючему не уделялось должного внимания. В то же время у нас был разработан разгонный блок для носителя «Протон» на компонентах «жидкий фтор – аммиак», создан и успешно прошел испытания железнодорожный поезд для перевозки жидкого фтора, на стартовом комплексе было начато строительство фторной и аммиачной наземных заправочных систем. Однако в связи с изменением принятых целевых задач эти работы были прекращены.

Первый водородный разгонный блок «Ср» для ракеты Н-1 в нашей стране был создан в 1968-1971 гг. Для его заправки была разработана и изготовлена криогенная система, состоящая из цилиндрических резервуаров объемом 250 м³, трубопроводной сети из инвара с вакуумной изоляцией для подачи продукта в ракету и другого необходимого оборудования. Заправка осуществлялась кипящим жидким водородом методом вытеснения. Подготовка системы к приему жидкого водорода и заправке осуществлялась путем замещения воздуха газообразным азотом, затем азота – газообразным водородом.

Для кораблей Л-1 и Л-3, предназначенных для полетов к Луне, были разработаны наземные системы, обеспечивающие заправку бортовых систем энергопитания (СЭП) жидким кислородом и жидким водородом особой чистоты (соответственно 99,99 % об. и 99,999 % об.), созданы средства транспортировки этих сверхчистых продуктов – специальные автомобильные агрегаты-заправщики, позволяющие осуществить также и заправку баков СЭП заданным количеством жидкого кислорода и жидкого водорода.

Заправка этих автомобильных агрегатов осуществлялась на полигоне: жидким водородом – из железнодорожного агрегата ЖВЦ-100 на специально созданной станции перелива, а жидким кислородом – на кислородно-азотном заводе полигона, специально для этого дооборудованном средствами получения сверхчистого кислорода (ректификационной колонной).

	Рис.3.4. Фрагмент эстакады криогенного комплекса на СК МТКС «Энергия – Буран»

При создании водородных систем были решены многие технические вопросы, в первую очередь связанные с технологией обращения с жидким водородом, техникой безопасности и пожаровзрывопредупреждения, получением газа водорода со сверхкритическими параметрами. Опыт их создания способствовал совершенствованию криогенного оборудования для ракетно-космических комплексов в дальнейшем. Параллельно с проведением указанных выше работ для ракеты «Зенит» была создана крупная система хранения и заправки жидким охлажденным кислородом с шаровым резервуаром объемом 1400 м³, имеющим экранно-вакуумную изоляцию. Охлаждение кислорода осуществлялось заранее, в резервуаре хранилища, эжектированием, и продукт хранится в нем охлажденным под вакуумом. Подвод заправочных коммуникаций к ракете осуществляется дистанционно через блок клапанов, а расстыковка наполнительных соединений при пуске ракеты производится автоматически.

Вершиной развития криогенных заправочных систем является создание систем и оборудования для УКСС и СК МТКС «Энергия – Буран».

Для обеспечения хранения и заправки РН «Энергия» и ОК «Буран» криогенными компонентами топлива на стендовом (УКСС) и стартовом комплексах космодрома было создано два практически одинаковых крупных криогенных центра с хранилищами жидких кислорода, азота и водорода.

	Рис.3.5 . Криогенный центр СК МТКС «Энергия – Буран» (на переднем плане емкости и испарители жидкого кислорода)

В состав системы хранения и заправки жидким кислородом на СК входят 3 шаровых резервуара объемом 1440 м³ каждый, диаметром ~16 м, с экранно-вакуумной изоляцией, в состав системы жидкого азота – 3 таких шаровых резервуара, а в состав системы заправки жидким водородом – 4 шаровых резервуара. В криогенном центре, вблизи резервуаров каждой системы, размещены испарители-газификаторы, служащие для получения соответствующих газообразных продуктов. В качестве теплоносителя в газификаторах используется атмосферный воздух. Для получения газообразного азота, выдаваемого системой для обеспечения безопасности РН «Энергия», ввиду необходимости большого расхода, применена горячая вода. Подача криогенных продуктов в РН и ОК обеспечивается вытеснением жидкости из резервуаров газообразным компонентом по теплоизолированным трубопроводам различного диаметра, в зависимости от расходов, через блоки арматуры, регулирующие расходы. Поддержание вакуума в теплоизоляционных полостях хранилища и трубопроводах осуществляется криосорбционными насосами, не требующими дополнительных затрат электроэнергии. По ходу движения к ракете жидкие кислород и водород охлаждаются до заданных температур в специально сконструированных охладителях: кислород – за счет теплообмена с жидким азотом как хладоагентом, водород – за счет теплообмена с жидким водородом, кипящим под вакуумом в специальных резервуарах-охладителях. Для уменьшения габаритов теплообменников использованы нержавеющие трубки с пористым покрытием, напыленным по оригинальной технологии. Охлаждение компонентов топлива в процессе заправки исключило подсосы воздуха в резервуары хранилища компонентов при их длительном хранении и способствовало сохранению их кондиции.

	Рис.3.6. Газификатор жидкого азота и средства управления системы обеспечения азотом высокого давления

Применение охлажденных компонентов топлива позволяет заправить в ракету большее количество компонента топлива (по весу) при том же объеме баков, за счет чего существенно увеличивается вес полезной нагрузки, выводимой в космос, а также время функционирования орбитального корабля на орбите. Получение и использование впервые в мировой практике охлажденного жидкого водорода в ракетно-космической технике, по общему мнению, явилось крупным достижением отечественной криогенной техники.

Подготовка водородной системы и водородного бака ракеты к заправке осуществляется замещением воздуха газообразным азотом до безопасных концентраций кислорода, затем замещением газообразным водородом азота до приемлемого содержания кислорода в водороде. И только затем производится подача жидкого водорода. Такая технология позволяет экономить дорогостоящий и дефицитный в нашей стране гелий.

Созданная на комплексе уникальная технология глубокого, вплоть до тройной точки, охлаждения жидкого кислорода, заправляемого в ОК «Буран» (55-56 К), не требует дополнительных затрат энергии. Для этого на уровне изобретения был создан уникальный кислородно-водородный теплообменник, использующий холод дренируемых паров водорода из системы заправки носителя водородом. С целью обеспечения безопасности теплообменник выполнен с промежуточным теплоносителем – гелием, естественно циркулирующим за счет разности температур в вертикальном теплообменнике между «холодным» водородом и «теплым» кислородом.

При создании СК МТКС «Энергия – Буран» были проведены научные исследования бинарной смеси «жидкий кислород – жидкий азот» в области температур ниже 65 К и получены данные по фазовым равновесиям «жидкость пар» этой смеси. Оказалось, что с помощью такой получаемой на СК смеси при приемлемом вакууме (жидкий кислород и жидкий азот совместимы и легко растворяются друг в друге) путем теплообмена можно охладить жидкий кислород вплоть до его тройной точки (T = 54,3 К) и даже получить твердый кислород. При отсутствии водорода на СК такой метод является наиболее простым и фактически единственным для глубокого охлаждения жидкого кислорода. Он был успешно внедрен на одном из объектов для отработки двигателей корабля «Буран».

	Рис.3.7. Хранилище жидкого водорода на СК МТКС «Энергия – Буран»

Получение газообразного азота высокого давления из жидкого было организовано на УКСС и стартовом комплексе за счет использования серийно выпускаемых промышленностью газификационных установок высокого давления. В них криогенная жидкость, находящаяся под давлением 420 кгс/см², далее газифицируется за счет тепла горячей воды. Полученный газ закачивается в баллоны ресиверных высокого давления. В соответствии с требованиями разработчиков ракеты точка росы закачиваемого газа здесь должна быть не ниже 86 °С. Традиционным адсорбционным способом осушки получить такую сухость азота оказалось чрезвычайно сложно и дорого. Решение было найдено за счет создания оригинальных фильтров с использованием ткани Петрянова, установленных в системе на линии жидкости, подаваемой в газификатор.

Проведению успешных работ с жидким водородом способствовало создание систем тонкой очистки гелия на технической позиции, на УКСС и стартовом комплексе, что обеспечило получение гелия для работ с водородными баками ракеты с содержанием кислорода на уровне 1 × 10^-6 % об.

Технически сложной была задача комплексного обеспечения системы энергопитания (СЭП) орбитального корабля «Буран» жидким кислородом и водородом особой чистоты с обеспечением их длительного хранения при сохранении кондиции (до 5 месяцев), а также газами этих компонентов и, впервые, аргоном. Задача была решена на всех стадиях работы с СЭП ОК на полигоне, начиная со станции перелива жидкого водорода в специальные заправщики, в лаборатории СЭП монтажно-испытательного корпуса (МИК ОК), на стартовом и посадочном комплексах корабля, в том числе при послеполетном обслуживании ОК «Буран», включая запасные аэродромы.

При создании криогенных заправочных систем на СК МТКС «Энергия – Буран» были успешно решены сложные задачи обеспечения безопасности работ, проведены многие научно-исследовательские работы в обеспечение многих технических решений, в том числе по безопасному дренажу водорода. Были созданы и освоены производством новые сорта стали, в том числе инвар, другие конструкционные материалы, малогабаритное вакуумное оборудование, крупные цилиндрические и сферические резервуары, современные криогенные трубопроводы и арматура; решены вопросы чистоты и сохранения кондиции криогенных продуктов при их длительном хранении и заправке, вопросы техники безопасности и пожаровзрывопредупреждения; созданы новые приборы различного назначения, в том числе дистанционно контролирующие чистоту подготовки наземных систем к заправке баков ракеты, для проведения химического анализа жидкого водорода и многое другое. Была разработана соответствующая нормативно-техническая и эксплуатационная документация, многие технические решения были защищены авторскими свидетельствами на изобретения. В отрасли созданы альбомы унифицированных элементов криогенных систем – трубопроводов, арматуры, емкостного и вакуумного оборудования, созданы пакеты расчетных программ для ЭВМ с возможностью их использования в будущем.

На заводах-изготовителях криогенного оборудования разработаны эффективные технологии изготовления сложного оборудования и необходимой для этого оснастки.

Созданное для ракетно-космического комплекса криогенное оборудование не только не уступает оборудованию, существующему в других развитых странах, в том числе в США, но по некоторым параметрам превосходит его.

С целью дальнейшего совершенствования технологий, устройств и аппаратов криогенной техники в 1985-1990 гг. был проведен ряд крупных научно-исследовательских работ (тема «Торжанин»), которые позволили повысить технический уровень криогенных заправочных систем нового поколения. Результаты работ успешно использовались при создании заправочного комплекса на индийском космодроме «Шрихарикота» и криогенных систем на морском комплексе «Си-Лонч». В ходе работ по морскому старту были решены сложные вопросы создания оборудования для эксплуатации в условиях морского тропического климата, функционирования систем в условиях качки, соответствия оборудования требованиям международных мер безопасности.

Выполненные работы в целом создали предпосылки для успешного внедрения в ракетно-космическую технику нового криогенного горючего – сжиженного природного газа (СПГ), состоящего в основном из метана, который обладает рядом преимуществ – более низкая стоимость продукта по сравнению с нефтяными топливами, существенно лучшая экология продуктов сгорания, хорошие охлаждающие и коксообразующие свойства. Удельная тяга ракетных двигателей при работе на топливной паре «жидкий кислород – СПГ» выше, чем на паре «жидкий кислород – керосин».

В настоящее время проведены проработки стартовых комплексов в вариантах стационарного, быстровозводимого, передвижного наземного и морского базирования, с системами заправки космической ракеты «Рикша» жидким кислородом и СПГ.

Необходимо отметить, что в развитие криогенных систем в составе оборудования первых боевых СК ракет Р-1, Р-2, Р-5, а также первых СК для космических ракет «Восток» и «Союз», созданных под руководством ГСКБ Спецмаш (КБОМ), большой вклад внесли такие предприятия, как ГИПРОкислород, Балашинский машиностроительный завод и ВНИИкиммаш.

Позже, при создании КБОМ им. В.П. Бармина СК для космической ракеты Н-1, УКСС и СК для МТКС «Энергия – Буран» и при создании КБТМ СК для ракет «Зенит» и «Зенит-3SL» значительный вклад в создание криогенных систем в составе оборудования этих объектов и в дальнейшее развитие криогенной техники внесли ОАО «Криогенмаш» и ОАО «Уралкриомаш».

3.2. Криогенные ракетные топлива. Способы перевозки

При сгорании топлива, используемого в ракетно-космических системах и состоящего из окислителя и горючего, потенциальная энергия которых сосредоточена в их исходных веществах, преобразуется с высокой скоростью в двигателях ракет в тепловую, а затем в кинетическую энергию движения газов, создающих реактивную тягу.

Теплотворная способность является важнейшим параметром, характеризующим свойства ракетного топлива. Теплопроизводительность, скорость истечения продуктов сгорания и удельная тяга (удельный импульс) являются первичными параметрами топлива, характеризующими его эффективность.

Наибольшими удельными импульсами обладают топливные пары, состоящие из криогенных компонентов или включающие в себя хотя бы один из них. Недостатком криогенных компонентов являются низкие температуры их существования и относительно малая удельная масса. Последнее приводит к необходимости увеличения баков ракеты, поскольку на скорость и дальность полета влияет плотность компонентов топлива.

Выбор двигателей, работающих на высококипящих или низкокипящих компонентах ракетного топлива, осуществляет разработчик РКН с участием разработчиков РН и РБ.

3.2.1. Окислители

К криогенным окислителям относятся жидкий кислород и жидкий фтор.

Жидкий кислород – активный окислитель и экологически чистый продукт. Сырьем для получения кислорода является воздух, в котором содержится 21 % кислорода. Жидкий кислород как компонент ракетного топлива, применяется на многих ракетно-космических комплексах. Он представляет собой прозрачную жидкость с голубым оттенком, имеющую удельную массу 1,14 кг/дм³. Температура его кипения равна минус 183 °С, температура плавления минус 219 °С.

Выпускается жидкий кислород по ГОСТ 6331-78 трех сортов – высший с содержанием кислорода не менее 99,7 % об., первого сорта – с тем же содержанием кислорода, но с большим содержанием в нем углерода, и второго сорта – с содержанием кислорода не менее 99,5 % об.

Для двигательных установок ракет используется, в основном, кислород второго сорта, что оговаривается в исходных данных. Для топливных элементов орбитальных кораблей используется особо чистый кислород с содержанием 99,99 % об., получаемый по специальным техническим условиям.

Установки для получения кислорода (азота) [2, 3] размещены в различных регионах страны, поэтому доставка жидких кислорода и азота на космодромы может осуществляться в зависимости от конкретных условий. Кроме этого, космодромы имеют и свои кислородно-азотные заводы.

В ракетно-космической технике жидкий кислород используется как кипящим при атмосферном давлении, так и охлажденным по отношению к кипящему, что увеличивает его плотность и время существования в жидком виде. Охлаждение кислорода осуществляется на стартовом комплексе средствами системы заправки.

Жидкий фтор обладает высокой химической активностью и является наиболее активным окислителем.

Он представляет собой жидкость желтого цвета с удельным весом 1,52 кг/дм² с температурой его затвердения – минус 220 °С.

Основным источником получения фтора является флюорит, широко распространенный в природе.

Фтор весьма токсичен, вызывает поражение дыхательных путей. Предельная допустимая концентрация фтора в воздухе не должна превышать 0,0001 %.

В качестве конструкционных материалов для хранения фтора используют нержавеющую сталь, алюминий, а также медь и никель.

Во второй половине прошлого столетия в нашей стране были проведены большие экспериментальные работы по определению взаимодействия элементов оборудования с жидким фтором и был создан поезд, обеспечивающий его транспортировку. Для сохранения фтора в жидком состоянии и сведения к минимуму его испарения при хранении и перевозке, фторные резервуары были снабжены рубашками, заполненными жидким азотом, имеющим более низкую температуру, чем жидкий фтор.

В США были проведены большие работы по созданию криогенного окислителя из смеси жидких кислорода и фтора.

Одними из главных задач при создании оборудования систем, предназначенных для работы со фтором, являются обеспечение высокой надежности и безопасности, а также экологическая защита окружающей среды при его эксплуатации.

Свойства жидких кислорода и фтора приведены в табл. 3.2.1.

Таблица 3.2.1

Свойства криогенных окислителей
(при давлении 0,1019 МПа и 0 °С)

Следует отметить, что на практике в ракетно-космической технике до настоящего времени в качестве криогенного окислителя используется только жидкий кислород.

Транспортировка жидкого кислорода

Жидкий кислород на СК доставляется железнодорожным транспортом. Для этих целей созданы два типа железнодорожных цистерн, унифицированных для перевозки жидких кислорода, азота или аргона – модель 8Г-513, модель 15-558С.

В таблице 3.2.2 приведены их технические характеристики.

Таблица 3.2.2

Технические характеристики
железнодорожных цистерн моделей 8Г-513 и 15-558С
для перевозки жидких кислорода, азота или аргона

Цистерны различаются количеством перевозимого продукта и практически не отличаются принципами построения. На рис. 3.2.1 и 3.2.2 представлены общие виды цистерн АГ-513 и 15-558.

Рис.3.2.1. Цистерна 8Г-513: 1 – электрооборудование: 2 – система коммуникаций; 3 – будка; 4 – лестница; 5 – хомут 6 – магистраль; 7 – платформа		Рис.3.2.2. Цистерна 15-558С

3.2.2. Горючие

К криогенным горючим относятся жидкий водород и СПГ.

Жидкий водород

Водород является эффективным горючим и применяется в современных ракетно-космических комплексах в паре с жидким кислородом. По калорийности он в 3,3 раза превосходит нефть, в 2,5 раза – природный газ. Для его получения из воды требуется большое количество энергии, так как он не существует в чистом виде.

Жидкий водород представляет собой бесцветную жидкость с удельной массой 0,07 кг/дм³. Температура его кипения – минус 253 °С, точка плавления – минус 259 °С. Свойства жидкого водорода приведены в табл. 3.2.3.

Таблица 3.2.3

Свойства криогенных горючих
(при давлении 0,1013 МПа и 0°С)

Задачи перевода водорода в конденсированное (жидкое) состояние, его транспортировки и хранения в промышленном масштабе были решены только в середине XX столетия.

Жидкий водород известен в двух модификациях – орто- и пара-, отличающихся состоянием молекул – с одинаковыми и противоположными направлениями вращения атомных ядер (параллельные и непараллельные спины). При низких температурах устойчивой модификацией является параводород, он и отпускается потребителю на заводах-ожижителях.

Водород не вызывает коррозии металлов, но для получения и хранения жидкого водорода из-за низких температур требуются высоколегированные стали с малым линейным температурным расширением и алюминиевые сплавы типа АМг5 и АМг6.

Водород взрывоопасен при соединении с кислородом в диапазоне концентраций 4,65-96 % об. и с воздухом в концентрациях 4-75 % об., образуя так называемую «гремучую» смесь. Поэтому при обращении с водородом необходимо использовать такие технологии работ, которые исключали бы образование взрывоопасной смеси. Энергия воспламенения водорода невелика и составляет только 10 % от энергии воспламенения углеводородов.

Для получения жидкого водорода газообразный водород необходимо ожижить, для чего осуществляют следующие операции:

- сжатие газообразного водорода в компрессоре;

- очистка от примесей и осушкой в специальных аппаратах;

- ожижение за счет предварительного охлаждения и расширения в детандере;

- орто-пара конверсия на платиновых катализаторах.

Следует иметь в виду, что стоимость жидкого водорода в настоящее время в России чрезвычайно высока – 10-12 долларов США за 1 кг. Эго связано с высокой энергоемкостью и сложностью оборудования для получения газообразного водорода и его ожижения.

По стандарту ОСТ В113-03-502 «Водород. Технические условия» жидкий водород выпускается двух марок – «А» и «Б», различающихся содержанием азота (соответственно 2 × 10^-6 % об. и 2 × 10^-5 % об. при содержании кислорода на уровне 2 × 10^-7 % об.).

Баки ракеты обычно заправляют жидким водородом марки «Б», а в электрохимических генераторах используют жидкий водород марки «А».

В настоящее время жидкий водород в России производится в ограниченном количестве (600-700 т/г) только на предприятии НИИхиммаш.

Транспортировка жидкого водорода

Ввиду удаленности заводов по производству жидкого водорода от космодромов, транспортировка его до мест потребления должна осуществляться, в основном, железнодорожным транспортом. Может использоваться также специально созданный для перевозки жидкого водорода автомобильный транспорт.

В конце 70-х годов XX века была создана железнодорожная цистерна ЖВЦ-100 (а затем и ЖВЦ-100М), способная перевозить до 7 т жидкого водорода. Цистерна установлена на серийные двухосные вагонные тележки, что позволяет перевозить продукт по железным дорогам любой тягой, в том числе электрифицированной; агрегат снабжен безопасным дренажным устройством (рис. 3.2.3).

		Рис.3.2.4. Цистерна ЦТВ-45/1,0
Рис.3.2.3. Цистерна ЖВЦ-100М

Таблица 3.2.4

Техническая характеристика
железнодорожной цистерны ЖВЦ-100М

Разработана и выпущена автомобильная цистерна ЦТВ-45/1,0 для перевозки жидкого водорода (рис. 3.2.4). Особенности этой цистерны заключаются в том, что она может эксплуатироваться и в условиях тропического климата при температуре окружающего воздуха от 283 до 318 K, относительной влажности от 50 до 100 % и солнечной радиации до 881 Вт/м³.

Таблица 3.2.5

Техническая характеристика цистерны ЦВТ45/1,0

Сжиженный природный газ – СПГ

Сжиженный природный газ – СПГ – новое альтернативное горючее, до сих пор не применявшееся в ракетно-космической технике.

СПГ – криогенный продукт, получаемый из природного газа путем его очистки и

сжижения, с преобладающим содержанием метана. Количество метана в газе составляет от 70 до 99 % в зависимости от месторождения газа. Для ракетно-космической техники разработаны технические условия ТУ 021-00480689-96 «Газ горючий, природный сжиженный. Топливо для ракетной техники».

Как энергоноситель СПГ имеет высокие показатели по теплотворности (на 17 % больше, чем у керосина), хладоресурсу (в 3 раза выше, чем у керосина), по сгоранию топлива (отсутствие коксообразования). Стоимость СПГ существенно ниже, чем авиационного и ракетного керосина.

Сжиженный природный газ представляет собой быстроиспаряющуюся прозрачную жидкость без цвета и запаха с удельной массой 0,424 г/дм³, Температура его кипения – минус 162-164 °С, температура плавления – минус 182 °С.

По физико-химическим показателям сжиженный природный газ как ракетное горючее должен соответствовать нормам, изложенным в табл. 3.2.6 [28].

Таблица 3.2.6

Нормы физико-химических показателей сжиженного природного газа

СПГ - низкотемпературная жидкость. Холодные пары СПГ температурой ниже 150 К тяжелее воздуха. Предельно допустимая концентрация (ДПК) углеводородов природного газа в воздухе рабочей зоны равна 300 мг/м³. Температура самовоспламенения СПГ – 450 °С. Сброс паров СПГ в открытую атмосферу не допускается, их необходимо дожигать в специальных факельных устройствах.

В мировой практике создана наземная инфраструктура производства, хранения СПГ и заправки этим продуктом различных потребителей. Многолетняя эксплуатация подтвердила безопасность и высокую надежность работ с СПГ.

Промышленное производство СПГ в настоящее время в РФ отсутствует. Имеются опытно-промышленные установки, работающие по неоптимальным термодинамическим циклам. Однако ведутся работы по созданию крупных установок по получению СПГ, например, на Сахалине (проект «Сахалин-2»), имеются проекты получения СПГ на Ямале, функционируют небольшие установки получения СПГ в С.-Петербурге, Самаре, Первоуральске, Подмосковье. При некоторых затратах вопрос обеспечения ракетно-космической техники сжиженным природным газом может быть решен уже в настоящее время.

Транспортировка СПГ

Доставка СПГ на космодромы может осуществляться как по железным, так и по автомобильным дорогам.

Для перевозки СПГ по железным дорогам промышленностью создана железнодорожная цистерна 15-147У (рис. 3.2.5), в которой возможна перевозка и жидкого этилена.

Конструкция этой цистерны аналогична конструкциям цистерн для перевозки других криогенных продуктов. Она может эксплуатироваться в железнодорожных составах общесетевого назначения и находиться в пути следования без сброса паров в атмосферу до 15 суток.

Рис.3.2.5. Железнодорожная цистерна 15-147У		Рис.3.2.6. Контейнер универсальный, крупнотоннажный

Таблица 3.2.7

Техническая характеристика железнодорожная цистерна 15-147У

Для перевозки СПГ могут использоваться существующие автомобильные цистерны типа ЦТП-8/0 вместимостью 8 м³, а также цистерны вместимостью 16 и 25 м³.

В последнее время промышленностью разработаны унифицированные контейнеры для перевозки СПГ и других криогенных продуктов. Контейнеры удобны тем, что они

могут перевозиться железнодорожным транспортом на платформах, автомобилями, а также речным и морским транспортом. На рис. 3.2.6, 3.2.7 и 3.2.8 показан один из таких контейнеров, отдельно размещаемый как на ж.-д. платформе, так и на автомобиле, а также приводится техническая характеристика контейнера одного из типоразмеров.

Рис.3.2.7. Контейнер на автомобиле		Рис.3.2.8. Контейнер на ж.-д. платформе

Таблица 3.2.8

Техническая характеристика контейнера 25 м³

3.2.3. Нейтральные криогенные продукты

К нейтральным криогенным продуктам, которые широко используются на стартовых комплексах, относятся жидкий и газообразный азот. Для работ с системами энергопитания орбитальных кораблей используется также аргон.

Жидкий азот, азот газообразный

Азот в ракетно-космической технике находит широкое применение как в жидком, так и в газообразном состоянии.

В жидком виде:

• для заправки баков ракет с целью последующей его газификации на борту для наддува баков;
• как хладоагент для охлаждения других компонентов, таких как керосин, жидкий кислород.

В газифицированном виде:

• для закачки ресиверных давлением до 420 кгс/см²;
• для наддува резервуаров наземных систем и баков ракет;
• как рабочее тело эжекторных установок;
• для продувок коммуникаций, баков, резервуаров, наполнительных соединений;
• для термостатирования и пожаровзрывопредупреждения, в том числе отсеков ракет, разгонных блоков, орбитальных кораблей и космических аппаратов;
• для создания безопасной среды в резервуарах, коммуникациях и баках как наземных систем, так и ракет, разгонных блоков и орбитальных кораблей.

Жидкий азот – бесцветная жидкость без запаха с температурой кипения минус 196 °С, удельной массой 0,804 кг/дм³, Свойства жидкого азота представлены в табл. 3.2.9.

Таблица 3.2.9

Свойства жидкого азота и аргона (при 0,1013 МПа и 0 °С)

Производится жидкий азот из воздуха с помощью тех же воздухоразделительных установок, что и жидкий кислород. Транспортируется по железным и автомобильным дорогам в тех же цистернах, что и жидкий кислород.

Жидкий азот выпускается промышленностью по ГОСТ 9293-74 двух сортов – первого и второго, а также – повышенной и особой чистоты. В ракетно-космической технике обычно применяется жидкий азот первого и второго сортов.

Газообразный азот получают на стартовой позиции из жидкого с помощью газификационных установок низкого и высокого давления, выпускаемых промышленностью.

Аргон газообразный

Аргон является нейтральным газом. Он использовался в ракетно-космической технике, в основном для продувок электрохимических генераторов систем электропитания (СЭП) орбитальных кораблей. Ввиду малого количества, необходимого для работ, его доставляют на стартовый комплекс с заводов-производителей в баллонах высокого давления, обычно под давлением 200 кгс/см².

Выпускается аргон по ГОСТ 10157-85 марок «А», «Б», «В» с различным содержанием в нем кислорода (от 0,03 до 0,05 %) и азота (от 0,01 до 0,10 %). Регламентируется и содержание в нем влаги (до 0,03 г/м³). По особому заказу выпускается аргон высокой чистоты (спектрально чистый), в котором кислород отсутствует, а содержание азота допускается не более 0,03 %.

Свойства жидкого аргона приведены в табл. 3.2.9.

3.3. Основные виды оборудования в составе криогенных средств

3.3.1. Криогенные резервуары

	Рис.3.3.1. Конструктивная схема криогенного резервуара: 1 – кожух; 2 – тепловая изоляция; 3,5 – дисковые опоры; 4 – подвески; 6 – внутренний сосуд

Для накопления, хранения и выдачи криогенной жидкости в составе заправочных систем служат криогенные резервуары. Резервуары с входящими в них трубопроводами и арматурой (обычно называемые «обвязкой») объединяются в хранилище заправочной системы. В зависимости от назначения, размеров и видов хранимого продукта криогенные резервуары отличаются друг от друга конструктивными особенностями и используемым материалом. Форма резервуаров для той или иной системы выбирается с учетом требуемого объема, удобства изготовления, перевозки и монтажа, эксплуатационных особенностей, а также требований к защите от внешних температурных воздействий.

	Рис.3.3.2. Вертикальный криогенный резервуар РЦВ-63/5

Хранилище в целом и его составные элементы являются частью пневмогидравлической схемы заправки и должны обеспечивать выполнение технологических операций, быть удобными в эксплуатации и увязаны со строительной частью (сооружения, фундаменты, навесы и т.д.).

С точки зрения минимальных теплопритоков, для больших объемов хранимой жидкости предпочтение должно быть отдано сферической форме сосуда, так как отношение площади поверхности к объему сосуда (S/V) в нем минимальны. Для меньших объемов хранимого продукта широко применяются цилиндрические вертикальные и горизонтальные резервуары заводского изготовления, хотя отношение S/V у них больше, чем у шаровых. Максимальный объем перевозимых авто- и железнодорожным транспортом емкостей – 225 м³ при диаметре 3 м.

Современные емкости состоят из внутреннего сосуда, где хранится криогенный продукт, и внешнего сосуда, выполняющего роль кожуха. Внутренний сосуд выполняется из стойкого к продукту материала – легированной стали или алюминия, внешний – из углеродистой стали и алюминия. Конструктивная схема криогенного резервуара во многом определяется схемой крепления внутреннего сосуда относительно кожуха, что осуществляется с помощью подвесок и опор. Во всех конструкциях пространство между сосудом и кожухом заполняют теплоизоляцией (в зависимости от назначения сосуда и традиций заводов-изготовителей, либо экранами из фольги, либо порошком) и вакуумируют. Учитывая, что между кожухом и внутренним сосудом создается вакуум, кожух должен быть рассчитан на устойчивость против сжатия под воздействием атмосферного давления.

Рис.3.3.3. Транспортабельный горизонтальный криогенный резервуар РЦГ-225/5

Для уменьшения «плескания» жидкости во внутреннем сосуде имеются продольные и поперечные волнорезы. Для доступа в сосуд в крупных резервуарах устраивают люки.

Резервуары заполняются жидкостью при помощи трубы, вводимой в сосуд сверху и достигающей его низа. Их удастся заполнять на 85-95 % от объема. Для выдачи продукта вытеснением служит испаритель-змеевик, работающий от тепла внешней среды и размещенный так, что жидкость в него поступает самотеком под давлением столба жидкости через специальный вентиль. Во избежание необходимости опорожнения резервуара при появлении течи, в крупных резервуарах все трубы, как правило, выводят через верх емкости.

На рис. 3.3.2, 3.3.3 и 3.3.4 показаны общие виды трех резервуаров для криогенных жидкостей, на рис. 3.3.5 показана блочная обвязка арматурой резервуара объемом 30 м³.

В настоящее время промышленностью накоплен значительный опыт проектирования и изготовления высокоэффективных резервуаров для криогенных жидкостей.

Рис.3.3.4. Криогенный резервуар PC-1400/5		Рис.3.3.5. Блочная обвязка арматурой резервуара вместимостью 30 м3: 1 – вентиль ДУ100; 2 – вентиль Ду20; 3 – вентиль Ду50; 4 – вентиль Ду40; 5 – трубопроводная обвязка

Резервуары унифицированы, созданы их ряды. При проектировании криогенных систем резервуары выбираются, как правило, из числа унифицированных рядов по исходным данным на систему. В этом случае прочностные и тепловые расчеты не проводятся. При сдаче системы на объекте резервуары проверяют на соответствие требованиям Госгортехнадзора.

Ниже приводится номенклатура криогенных резервуаров, разработанных ОАО «Криогенмаш».

Таблица 3.3.1

Горизонтальные цилиндрические резервуары (ОАО «Криогемаш»)

Таблица 3.3.2

Вертикальные цилиндрические резервуары (ОАО «Криогенмаш»)

3.3.2. Криогенные трубопроводы и арматура

Криогенные трубопроводы предназначены для подачи криогенных продуктов в баки ракеты. По ним же, при необходимости, может осуществляться слив продукта в резервуары хранилища. Трассы трубопроводов, являющиеся основой магистралей заправочных систем, могут достигать значительной длины, а общая суммарная длина трубопроводов заправочных систем может исчисляться несколькими километрами.

Криогенные трубопроводы должны разрабатываться из условия сохранения их работоспособности во всем диапазоне рабочих температур от +50 °С до минусовых температур кипения продукта, для транспортировки которого они предназначены.

Трубопровод может быть не изолирован при условии, что длина его крайне мала, длительность работы невелика и скорость проходящей по нему жидкости большая. Во всех других случаях, а для жидкого водорода всегда, трубопроводы для работы с криогенными продуктами должны быть изолированы для обеспечения относительно малого теплопритока из окружающей среды.

	Рис.3.3.6 . Конструктивные схемы опор внутренней трубы относительно кожуха: а – пальчиковая; б – проволочная; в – шариковая; г,д – дисковые; е – цапфовая

Современные промышленные конструкции криогенных трубопроводов базируются, в основном, на порошково-вакуумной и слоисто-вакуумной изоляции. Наибольшее распространение в заправочных криогенных системах получили конструкции внутренних трубопроводов из гладких цельнотянутых или сварных труб из нержавеющей стали 12Х18Н10Т или инвара 36НХ, имеющих относительно малый коэффициент линейного расширения. Наружный кожух изготавливается из нержавеющей или углеродистой стали. Пространство между внутренней трубой и внешним кожухом заполняется порошком (аэрогель или перлит) или обматывается слоисто-вакуумной изоляцией и вакуумируется. Внутренняя труба фиксируется относительно наружной с помощью опор различной конструкции из стеклопластика.

Существует два основных подхода к конструированию и монтажу криогенных коммуникаций.

Первый – секции трубопроводов полностью изготавливаются и вакуумируются в заводских условиях и поставляются на монтаж в готовом виде. На объекте отдельные секции лишь стыкуются с помощью сварных (или фланцевых) соединений, которые обматываются специальной теплоизоляционной лентой. Длина секций, отвакуумированных на заводс-изготовителе, ограничена размерами транспортных средств для их перевозки. Из секций таких трубопроводов была смонтирована и успешно функционирует система заправки жидким охлажденным кислородом разгонного блока ДМ СК РКН «Протон-К».

Второй – секции трубопроводов не имеют замкнутых изоляционных полостей. Отдельные секции свариваются друг с другом на месте монтажа, образуя более длинные (до 50-100 м) участки с автономными изоляционными полостями. Вакуумирование таких полостей производится на объекте после монтажа трубопроводов, что требует наличия большого числа установок вакуумирования.

Первый подход при монтаже в условиях СК следует признать более предпочтительным.

Рис.3.3.7. Типовая конструктивная схема секции криогенного трубопровода с автономной изоляционной полостью: 1 – внутренняя труба; 2 – изоляция; 3 – адсорбционный насос; 4 – кожух; 5 – сильфонный компенсатор температурных напряжений внутренней трубы; 6 – тепловой мост; 7 – дисковая опора; 8 – линзовый компенсатор температурных напряжений кожуха; 9 – разрывная мембрана; 10 – вакуумный вентиль

Секции трубопроводов на основных предприятиях, выпускающих криогенное оборудование, унифицированы. Унифицированы также элементы, с помощью которых создается трубопроводная сеть: колена, тройники, гибкие металлорукава, сильфонные компенсаторы, опоры, предохранительные мембраны (рис. 3.3.8, 3.3.9, 3.3.10).

Таблица 3.3.3

Основные характеристики криогенных трубопроводов,
выпускаемых ОАО «Криогенмаш»

Рис.3.3.8. Общий вид части криогенного трубопровода Ду = 100 с сильфонным компенсатором, собранного из унифицированных секций

Рис.3.3.9. Конструктивные схемы унифицированных колен: а – с цапфовыми опорами (1 – внутренняя труба; 2 – основная опора; 3 – кожух; 4 – вспомогательная опора; 5 – изоляция); б – с дисковыми опорами (1 – внутренняя труба; 2 – основная опора; 3 – кожух; 4 – дисковая опора)		Рис.3.3.10. Конструктивные схемы тройников унифицированных колен: а – с дисковыми опорами; б – с цапфовыми опорами

Рис.3.3.11. Конструкция шарнира компенсирующей секции           Рис.3.3.12. Конструктивная схема штыкового разъемного соединения: 1 – резиновое кольцо; 2 – тепловой мост; 3 – охранное кольцо

При создании криогенных систем особое внимание следует обратить на компенсационные узлы и крепление трубопроводов к основаниям эстакад или проходных каналов, по которым они прокладываются (рис. 3.3.11). Это вызвано большим перепадом температур и, следовательно, температурными деформациями, возникающими при захолаживании системы. Сжатие внутренней трубы при охлаждении компенсируется с помощью сильфонов. Для защиты от излишнего сжатия или растяжения сильфоны снабжают ограничителями. При этом жидкостные трубы целесообразно изготавливать из материала с малым коэффициентом теплового расширения.

Общая длина внутренних сильфонов должна быть рассчитана на температурную деформацию трубопровода при его охлаждении, наружных компенсаторов – на деформацию наружной трубы. При малых деформациях в конструкциях часто используют линзовые компенсаторы.

Также необходимо стремиться к минимальному числу разъемных соединений, они должны быть только там, где это крайне необходимо. Остальные стыки системы должны быть заварены.

Наибольшее распространение в разъемных соединениях получили конструкции так называемых «штыковых» разъемов, пример такого разъема показан на рис. 3.3.12.

Иногда криогенные трубопроводы соединяют с помощью фланцев. В качестве прокладок используют паронит или отожженную медь. При этом следует иметь в виду, что паронит из-за остаточных деформаций можно использовать только один раз, а против использования меди иногда возражают разработчики двигательных установок (особенно на стыках с ракетой).

	Рис.3.3.13. Конструктивная схема металлорукава: 1 – наружная труба; 2 – экраны; 3 – наружный металлорукав с оплеткой; 4 – опора; 5 – внутренний металлорукав с оплеткой; 6 – переходик; 7 – гильза; 8 – внутренняя труба

Одним из часто применяемых элементов, соединяющих коммуникации заправочных систем и компенсирующих температурные деформации, являются металлорукава. Особенно часто они используются при соединении заправочных систем с наполнительными соединениями ракет, где требуется гибкая связь.

Металлорукав представляет собой коаксиальоо расположенные гофрированные шланги, заключенные в специальный проволочный чехол, воспринимающий осевые усилия. Криогенный металлорукав снабжают слоисто-вакуумной изоляцией (рис. 3.3.13).

Рис.3.3.15. Вентиль Ду50: 1  – клапан; 2 – корпус; 3  – крыша; 4 – наружная труба; 5 – корпус сальника; 6  – шпиндель; 7 – накидная гайка; 8 – маховичок; 9 – втулка сальника; 10 – сальниковая набивка; 11 – кольцо; 12 – пробка клапана; 13 – стопорная шайба; 14 – полукольцо; 15 – подпятник

Криогенная арматура служит для перекрытия или регулирования потоков криогенных жидкостей путем непосредственного на них воздействия. Арматура, устанавливаемая в криогенных системах, работает в более жестких условиях, чем общепромышленная арматура. Существенно более широкий диапазон изменения температуры, затрудняющий герметизацию затворов, требует увеличения мощности приводов арматуры, использования специальных материалов и повышенных требований к тепловой изоляции. При всем этом должно обеспечиваться небольшое гидравлическое сопротивление арматуры, отсутствие утечек, высокая надежность и большой ресурс работы.

	Рис.3.3.14. Запорно-регулирующий вентиль: 1 – шпиндель; 2 – корпус; 3 – труба; 4 – сальник; 5 – корпус

Криогенная арматура должна работать как при температурах окружающей среды (223-323 К), так и при температурах криогенного продукта (ниже 120 К), быть работоспособной в течение, как правило, 10 лет с наработкой 3500-5000 циклов. Она не должна быть серьезным источником притока тепла к криогенному продукту и быть стойкой к этому продукту. Узлы арматуры, находящейся в контакте с криогенным продуктами, должны удовлетворять условиям пожаровзрывобезопасности. В связи с этим узлы арматуры, используемые при криогенных температурах, должны работать без смазки, что требует специальных конструктивных решений.

В современных заправочных системах довольно часто применяют арматуру с вакуумной изоляцией. Она обеспечивает минимальные теплопритоки к перекачиваемому продукту, имеет приемлемые ресурсы работы. Теплоизоляционная полость арматуры образует с теплоизоляционной полостью трубопровода единую вакуумную систему. Для наружной герметизации корпус и кожух арматуры приваривают соответственно к внутренней и наружной трубам трубопровода, а для обеспечения возможности разборки арматуры и ее ремонта без выемки из линии трубопровода применяют штыковой тепловой мост.

Арматура с вакуумной изоляцией создана для различного назначения: запорная, регулирующая, предохранительная с разной степенью защиты от перепада температур. Эту арматура может иметь ручное и пневматическое управление в зависимости от степени автоматизации заправочной системы (рис. 3.3.14 и 3.3.15).

Для обеспечения безопасной и надежной эксплуатации, системы, работающие под давлением, должны быть снабжены предохранительной арматурой – предохранительными клапанами и разрывными мембранами (рис. 3.3.16).

Из других видов арматуры укажем лишь на обрат ные клапаны, пропускающие жидкость только в одну сторону, и вакуумные вентили, устанавливаемые в системах для вакуумирования вакуумных пространств резервуаров и трубопроводов. В настоящее время созданы ряды арматуры, которая испытана и может быть применена в новых системах заправки для различных криогенных компонентов.

Подробно об арматуре изложено в различной литературе и, в частности, в [5].

Компоненты топлива, заправляемые в баки ракет-носителей и космических аппаратов, должны быть очищены от механических примесей твердых частиц до заданной степени чистоты. Обычно степень очистки компонента на входе в бак задается ТЗ на систему заправки. При этом указывается размер ячейки фильтра, который должен быть установлен в системе и, в частности, перед входом компонента в бак ракеты.

Рис.3.3.16. Предохранительный клапан: 1 – колпачок; 2 – пломба; 3 – верхняя тарель; 4 – пружина; 5 – клапан; 7 – винт; 8 – штуцер; 9 – розетка; 10 – корпус; 11 – шток; 12 – нажимная втулка		Рис.3.3.17. Криогенный вентиль с вакуумной изоляцией: 1 – холодный корпус; 2 – наружный кожух; 3 – тонкостенная соединительная труба; 4 – трубы штыкового разъема; 5 – сигнальное устройство: 6 – теплая прокладка; 7 – изоляция (стеклоткань); 8 – стеклотекстолитовая проставка; 9 – опоры (стеклотекстолит); А – герметизируемая полость

Выбор размера ячейки фильтра, устанавливаемого в системе, обычно на выходе из хранилища, и называемого ресурсным, выполняется разработчиком наземной системы и согласовывается с разработчиком ракеты. В отличие от высококипящих компонентов криогенные компоненты перед заправкой ракеты должны быть очищены не только от обычных механических частиц, таких как песок, окалина, частицы флюса и других частиц, а также от образующихся частиц при отверждении газообразных веществ, растворенных в компоненте.

Обычно в заправочных криогенных системах фильтры устанавливают в двух

местах – на выходе из хранилища (порядка 70-40 мкм для кислорода и 20 мкм для водорода) и на минимально возможном расстоянии от входа в ракету (обычно 40 мкм, иногда 20 мкм; для систем заправки СЭП – 3 5 мкм). Наибольшее распространение для фильтрации криогенных жидкостей получили сетчатые фильтры с ячейкой 70-20 мкм из нержавеющей стальной проволоки. Одна из возможных конструкций такого фильтра представлена на рис. 3.3.18.

При необходимости фильтрации криогенных продуктов от частиц размером ≤ 20 мкм применяют также выпускаемые промышленностью металлические пористые ленты, получаемые из порошков прессованием или прокаткой с последующим спеканием (тип ФНС). Для этой цели используются также фильтры из пористого фторопласта (тип ФЭП) и волокнистых тканей Петрянова (тип ФПП). Такие фильтры при достаточном ресурсе работы обеспечивают тонкость фильтрации до 3-5 мкм. Более подробно данные по материалам для фильтрации криогенных жидкостей приведены в литературе [4].

Рис.3.3.18. Конструкция сетчатого фильтра для криогенных жидкостей: 1 – ожух; 2 – опорный элемент; 3 – экранно-вакуумная изоляция; 4 – фильтрующий патрон; 5 – корпус; 6 – прижим; 7 – упор; 8 – люк; 9 – крышка люка; 10 – патрубки трубопроводов

Размеры фильтров определяются гидравлическим расчетом на основании допустимого перепада давления на них и гидравлических и ресурсных характеристик фильтровальных материалов.

Конечное сопротивление фильтра зависит от степени его засорения. Очистку фильтра целесообразно осуществлять после каждой заправки и его отогрева, а также перед заправкой, что гарантирует чистоту продукта, подаваемого в баки ракеты.

3.3.3. Теплообменные аппараты и газификаторы низкого давления

	Рис.3.3.19. Схема изменения режимов течения и теплоотдачи насыщенной кипящей жидкости в вертикальном канале при вынужденном движении

На стартовых комплексах ракетно-космических систем необходимо иметь значительное количество сжатых газов, причем некоторые из них целесообразно получать непосредственно на стартовом комплексе из жидких продуктов. Так, на СК для различных целей требуется большое количество газообразного азота как высокого (до 400 кгс/см²), так и низкого (до 12-15 кгс/см²) давления. Для вытеснения жидкости из емкостей используется и газообразный кислород.

Газы из криогенных жидкостей получают в теплообменных аппаратах, где криогенные компоненты топлива нагреваются до температуры выше температуры их кипения при атмосферном давлении за счет забора тепла извне. В таких аппаратах протекают физические процессы обмена тепловой энергией между потоками вещества, имеющими разную температуру. Эти процессы подчиняются общим закономерностям термодинамики и теории теплообмена, однако при криогенных температурах возникает ряд специфических факторов, влияющих на создание высокоэффективных и компактных аппаратов – теплообменников. Главная особенность теплообмена при низких температурах состоит в значительном изменении теплофизических свойств криоагентов и конструкционных материалов. Такие важные в теории теплообмена характеристики, как теплопроводность λ, теплоемкость C, вязкость μ, плотность ρ, давление P, существенно зависят от температуры. Теплообмен при кипении зависит также от состояния и формы поверхности, характера образования центров новой фазы, теплоты фазового перехода, условий распространения тепла в каждой из фаз. Многие процессы в теплообменных аппаратах проходят при фазовых превращениях (кипении, конденсации). Они связаны с изменением молекулярной структуры вещества и сопровождаются выделением (поглощением) энергии, называемой теплотой фазового перехода [2, 4, 12].

	Рис.3.3.20. Принципиальные схемы теплообменников, применяемых в криогенных системах: а – «труба в трубе»; б – пучок труб в трубе; в – из спаянных трубок; г – прямотрубный с сегментными перегородками; д – прямотрубный без перегородок; е – витой; ж – пластинчаторебристый; з – матричный

В начале процесса подачи жидкости под действием температуры однофазовое течение постепенно переходит к пузырьковому, затем к снарядному, пленочному (кольцевому), дисперсному (эмульсионному). В конце процесса образуется однофазный поток. Жидкость вначале кипит при подогреве, затем – при насыщении. Характер течения различен в вертикальных и горизонтальных каналах, где происходит расслоение – газ собирается в верхней части канала, жидкость – в нижней. При пленочном и дисперсном течении теплообмен проходит с переносом тепла через тонкую кольцевую пленку.

При создании теплообменников следует иметь в виду, что для улучшения их характеристик необходимо обеспечить минимальные значения разности температур, ΔT,  выходящего потока теплоносителя и гидравлического сопротивления теплообменника, ΔP. Однако при уменьшении ΔT увеличивается площадь поверхности теплообмена, а при уменьшении ΔP снижается скорость теплоносителя и, следовательно, коэффициент теплопередачи K, что приводит к увеличению габаритов аппарата. Эти противоречия требуют компромиссного решения.

Движущей силой теплообмена является разность температур потоков, ΔT. Эта разность характеризует потери от необратимости процесса. Для обеспечения эффективности теплообменников величина ΔT, называемая часто величиной недорекуперации, для криогенных теплообменников принимается ΔT = 3-5 K.

Рис.3.3.21. Принципиальная схема холодного газификатора: 1 – резервуар; 2 – вакуумный клапан; 3, 17 – мембрана; 4, 9, 12, 13, 19 – запорные вентили; 5 – уровнемер; 6 – трехходовой кран; 7 – манометр; 8 – вентиль контроля уровня продукта в резервуаре; 10 – дренажный вентиль; 11, 18, 20 – предохранительные клапаны; 14– автоматический дренажный клапан; 15 – вентиль сброса; 16 – регулятор давления; 21 – арматурный шкаф; 22 – испаритель подъема давления; 23 – продукционный испаритель; 24 – обратный клапан; 25 – газовый коллектор; I – дистанционный контроль уровня и давления; II – визуальный контроль уровня; III – наполнение–опорожнение; IV – газосброс

Теплообменные аппараты могут быть самого различного типа. В заправочных криогенных системах чаще всего встречаются рекуперативные теплообменники – это аппараты, в которых потоки разделены поверхностью теплообмена. Имеют место и регенераторы, в которых происходит теплообмен между потоками, например охлаждение барботажем гелием или азотом. Для охлаждения кислорода часто используются аппараты, где охлаждаемый кислород течет по змеевику, размещенному в среде жидкого азота.

Распространенными типами теплообменников являются трубчатые теплообменники – труба в трубе и кожухотрубные теплообменники различных конструкций. Теплообмен может быть улучшен за счет оребрения, изгибов, напыления поверхности труб. Последнее является эффективным способом улучшения теплообмена и находит все большее применение. Весьма эффективными являются вттые теплообменники, в которых на центральную трубу (сердечник) навивают несколько рядов труб (оребренных или напыленных), соединяющихся по концам в коллекторы. Через них идет прямой поток, а обратный омывает трубы снаружи. Наиболее компактны пластинчато-ребристые теплообменники; они имеют минимальные величины недорекуперации и довольно высокие коэффициенты теплопередачи.

В стадии освоения находятся и чрезвычайно эффективные матричные теплообменники. Эти аппараты состоят из чередующихся слоев теплопроводных элементов с отверстиями и теплоизолирующих прокладок. Отдельные элементы склеивают в монолитный блок. С целью улучшения коэффициента теплоотдачи и уменьшения ΔT в теплообменных аппаратах, как правило, применяют противоток.

	Рис.3.3.22. Холодная газификационная установка типа ИА

Некоторые принципиальные схемы теплообменников представлены на рис. 3.3.20.

Для получения газа низкого давления часто применяют испарители, использующие тепло окружающей среды. Перепад между температурами криогенной жидкости и атмосферного воздуха настолько велик, что позволяет получать газ из жидкости без затрат энергии за счет тепла окружающей среды. Такие испарители выполняют из унифицированных алюминиевых панелей прокатно-сварным методом из двухслойных листовых заготовок с каналами для криогенного продукта. При этом криогенная жидкость поступает в нижпии коллектор испарителя и распределяется по панелям. Образовавшийся из-за внешнего теплопритока газ направляется к потребителю и частично используется для наддува емкости с жидкостью для ее подачи в испаритель. Процесс автоматизирован и не требует вмешательства обслуживающего персонала. Наиболее часто используемые испарители ИА-6,5/55 и ИА-10/52, выпускаемые серийно промышленностью, состоят из двух блоков панелей и имеют независимые вход для жидкости и выход для газа. Принципиальная схема и конструкция газификационной установки представлены на рис. 3.3.21 и 3.3.22.

Ниже приводятся технические данные некоторых серийно изготавливаемых испарителей ОАО «Криогенмаш».

Таблица 3.3.4

Технические данные испарителей ОАО «Криогенмаш»

При необходимости выдачи газа с большими расходами и повышенными давлениями используются газификаторы, где в качестве теплоагента применяется вода. В этом случае теплообмен интенсифицируется, так как теплоотдача от жидкости значительно превышает теплоотдачу от газа, и за счет подогрева воды можно существенно увеличить разность температур ΔT. При этом необходимо обеспечить незамерзаемость воды при теплообмене с низкокипящей жидкостью.

Расчет теплообменного аппарата заключается в определении площади F поверхности теплообмена и связанных с ней геометрических параметров аппарата, а также газодинамического сопротивления [1, 2, 4, 12, 14, 15, 16, 24].

3.3.4. Газификационные установки высокого давления

Рис.3.3.23. Схема установки СГУ-7К: 1 – щит управления; 2 – испаритель; 3 – резервуар сжиженного газа; 4 – насос; 5 – коллектор

Стартовые комплексы оснащаются криогенными газификационными установками высокого давления. Это вызвано необходимостью закачки ресиверов (реципиентов) сжатым газом высокого давления (до 400 кгс/см²), чаще всего азотом. Для получения сжатого газа из жидкости с целью повышения производительности испарительный аппарат целесообразно установить за насосом, который закачивает жидкость в испаритель. Если газифицировать жидкость и затем сжимать газ, то производительность компрессорной установки возрастет примерно во столько раз, во сколько объем газа больше объема жидкости, что для получения газа высокого давления из жидкости нецелесообразно.

Промышленностью выпускаются газификационные установки, рассчитанные на давление нагнетания 220 и 420 кгс/см² и производительность от 210 до 435 нм³/ч. Каждая из выпускаемых установок состоит из резервуара сжиженного газа, насоса (насосного агрегата), испарителя и щита управления. Они могут размещаться стационарно в сооружении или на автомобильном агрегате (передвижная газификационная установка).

	Рис.3.3.24. Установка СГУ-7К

Из резервуара (вместимость ориентировочно от 1500 кг до 6-8 т) жидкость под собственным наддувом подается в поршневой одноступенчатый цилиндрический насос вертикального (погружного) или горизонтального исполнения. Сжатая до давления нагнетания жидкость поступает в испаритель-змеевик. расположенный в емкости, заполненной водой. Вода нагревается от электронагревательных элементов (ТЭНов), сжиженный газ испаряется, подогревается до температуры 10-30 °С и под высоким давлением подается потребителю. Следует иметь в виду, что жидкость в насос должна подаваться однофазной, то есть ее необходимо подавать под давлением, или охлажденной на 2-3°.

Рис.3.3.25. Схема установки АГУ-8К (кислород): 1 – автомобиль 2 – резервуар сжиженного газа; 3 – фургон; 4 – трап; 5 – испаритель; 6 – насосный агрегат, 7 – щит арматуры; 8 – щит управления

	Рис.3.3.26. Установка АГУ-βΚ (6000-500/200)

Производительность насосов (как правило, они выполнены со щелевым уплотнением) падает по мере роста давления, так как утечки пропорциональны давлению. В связи с этим, наиболее распространены установки с погружными насосами, например СГУ-7К (рис. 3.3.23 и 3.3.24). Здесь одновременно исключаются утечки и обеспечивается однофазное течение жидкости в насос.

На рис. 3.3.25 и 3.3.26 представлены схема и общий вид передвижной кислородной газификационной установки АГУ-8К.

В табл. 3.3.5 приведены характеристики выпускаемых промышленностью газификационных установок.

Таблица 3.3.5

Техническая характеристика установок, выпускаемых промышленностью

3.4. Пневмогидравлические схемы криогенных заправочных систем

Пневмогидравлическая схема (ПГС) криогенной заправочной системы – это один из основных чертежных документов, отражающий облик системы в схемном решении. В ней отображаются средства хранения компонента, обвязочная схема резервуаров, пути движения потоков криогенной жидкости на заправку баков потребителя, способы подачи продукта, средства охлаждения компонента топлива, арматура, дренажные и предохранительные устройства, приборное обеспечение, средства пневмо- и электроуправления, то есть все необходимое для того, чтобы система заправки отвечала предъявляемым к ней требованиям.

Пневмогидравлическая схема включает в себя приборное обеспечение – датчики давления и температуры, расходомеры – в большей части дистанционно-управляемые, предназначенные для обеспечения дистанционного и автоматизированного управления технологическим процессом заправки, а также визуальные приборы.

Системы заправки криогенным горючим (жидким водородом, СПГ) снабжаются также приборами контроля качества подготовки системы к приему основного продукта с дистанционным управлением, в том числе хроматографическими.

Разработка систем заправки и, в первую очередь, ее пневмогидравлической схемы осуществляется в строгом соответствии с техническим заданием на заправочную систему и исходными данными разработчика РКН.

При разработке пневмогидравлической схемы заправочной системы обычно выделяют основные и вспомогательные технологические операции.

А. Основные технологические операции

К ним относятся:

• захолаживание коммуникаций, заполнение насосов и магистралей, в некоторых случаях прокачка продукта по кольцу;
• заправка на большом расходе. Операция проводится с помощью насосов или вытеснением газом наддува под рабочим давлением через клапаны большого расхода;
• заправка на малом расходе осуществляется через клапаны малого расхода;
• термостатирование продукта в баках ракеты (при использовании охлажденного продукта), направленное на достижение и поддержание в течение заданного времени требуемых параметров жидкости (уровень, температура);
• слив продукта из коммуникаций и шлангов в сливную емкость для исключения пролива компонента перед отстыковкой;
• продувка коммуникаций;
• слив из баков РКН компонентов топлива в случае отмены пуска или возникновения аварийной ситуации. Слив осуществляется в заправочный резервуар.

Б. Вспомогательные операции:

• прием компонента в резервуары системы из железнодорожных или автомобильных емкостей через заправочные колонки системы;
• слив компонента из коммуникаций. Эта операция осуществляется после окончания штатных операций, проводимых системой;
• передавливание продукта из сливной емкости (если для выполнения определенных задач такая емкость предусмотрена в системе);
• перекачивание (передавливание) компонента, при необходимости, из одной емкости хранилища в другую, в том числе для перемешивания продукта;
• отбор проб или выдача продукта для его анализа. Операция проводится обязательно перед заправкой ракеты.

Пневмогидравлической схемой должно быть предусмотрено и выполнение системой эпизодических операций, таких как: выдача компонента в сторонние емкости, выдавливание остатков компонента, отогрев резервуаров.

При заправке баков РКН охлажденным компонентом часто вводится операция термостатирования. Она выполняется, как правило, с использованием циркуляционных контуров систем, где в качестве расходных и приемных емкостей служат резервуары хранилища. Объектом термостатирования является бак ракеты, а охлаждение компонента осуществляется либо заранее, либо в процессе его подачи в баки ракеты.

Для поддержания заданного уровня компонента в баке ракеты в течение необходимого времени система заправки должна иметь в своем составе приемный резервуар, функции которого обычно выполняет один из резервуаров хранилища. Циркуляцию компонента в системе обеспечивают центробежные или струйные насосы типа «жидкость-жидкость». В ходе термостатирования для исключения подсосов воздуха в баках ракеты должно поддерживаться избыточное давление не менее 0,03 МПа.

Пневмогидравлическая схема наземной системы заправки должна быть состыкована с пневмогидравлической схемой ракеты, поскольку как гидравлические системы они представляют собой единое целое.

Отстыковка наполнительных соединений от РКН должна осуществляться автоматически при пуске или заранее, если есть возможность слива компонента при несостоявшемся пуске, например по подпиточной линии.

В качестве иллюстрации ниже приводится упрощенная принципиальная схема заправки жидким водородом II ступени РН «Энергия» (рис. 3.4.1) как наиболее современная. Она предусматривает возможность обеспечения заправки этой ступени жидким охлажденным водородом в количестве 104 т при расходе до 100 т/ч и температуре 18 К; термостатирования жидкого водорода в бакс ракеты при расходе подачи 70 т/ч и температуре 17 К; подачи в ракету газообразных азота, водорода, гелия; безопасного дренирования паров водорода; подготовку системы заправки и бака ракеты к безопасному приему жидкого водорода; слива продукта из бака ракеты при несостоявшемся пуске; получения нейтральной среды в баке ракеты и в наземной системе.

Для обеспечения термостатирования продукта в баке РН в систему заправки введен циркуляционный контур, представляющий собой совокупность двух магистралей: по одной продукт подастся в РН, по другой – одновременно сливается, т.е. продукт циркулирует по контуру «бак РН – один из магистральных трубопроводов – блок охлаждения – второй из магистральных трубопроводов – бак РН». Контур циркулирования служит также для поддержания магистральных трубопроводов в охлажденном состоянии при временных прекращениях заправки, термостатирования или слива.

Рис.3.4.1. Упрощенная принципиальная схема системы заправки РН «Энергия» жидким водородом: 1 – резервуар хранилища: 2 – блок клапанов хранилища; 3 – блок испарителей хранилища; 4 – рекуперативный теплообменник; 5, 6 – охладители жидкого водорода; 7 – струйный насос; 8 – эжектор; 9 – площадка дожигания водорода; 10 – магистральные трубопроводы; 11 – блоки клапанов с фильтрами; 12 – заправочный трубопровод; 13 – трубопровод слива; 14 – трубопровод термостатирования; 15 – дренажный трубопровод; 16-18 – трубопроводы подачи газифицированного водорода

Система заправки жидким водородом состоит из:

• хранилища, где размещено четыре сферических резервуара с соответствующей обвязкой трубопроводами и арматурой; 32 воздушных испарителя для получения необходимого для различных целей газообразного водорода давлением не более 1,0 МПа;
• магистральных криогенных трубопроводов диаметром 200-400 мм; газовых трубопроводов диаметром 250 мм;
• блока охлаждения, включающего в себя два резервуара жидкого водорода объемом 125 м³ каждый с встроенными теплообменниками, имеющими капиллярно-пористое покрытие; эжекторы и струйный насос с соответствующей обвязкой трубопроводами и арматурой;
• концевых блоков арматуры с фильтрами и узлами стыковки с РН;
• оборудования дренажной площадки, включающего в себя дренажные трубопроводы, газовые затворы, предотвращающие проникновение пламени в дренажные трубопроводы, горелки дежурных водородных факелов для поджига дренируемых газов;
• средств подачи газов для технологических (гелий, азот), регламентных работ (азот, воздух) и управляющего газа (азот), состоящих из трубопроводов, редукторов, арматуры, фильтров;
• средств вакуумирования теплоизоляционных полостей – вакуумных насосов, арматуры, трубопроводов;
• средств контроля параметров: дискретных и аналоговых датчиков давления, уровня и температуры, установленных на технологическом оборудовании;
• средств газоаналитического контроля чистоты подготовки бака РН и оборудования системы: газоанализаторов, определяющих концентрации кислорода в азоте, кислорода в водороде, азота в водороде;
• системы дистанционного управления, позволяющей управлять системой заправки в ручном или автоматизированном режимах.

Ниже приводится описание технологии работы системы.

Шаровые резервуары хранилища (каждый объемом 1400 м³ с экранно-вакуумной изоляцией) заполняются жидким водородом из железнодорожных цистерн ЖВЦ-100, подстыкованных с помощью металлорукавов к колонкам сливного перрона системы. Перед сливом жидкого водорода воздушная среда на стыковочных участках ЖВЦ-100 и заправочных колонках заменяется сначала на азотную, а затем на водородную (газ) путем продувки их замещающим газом в течение определенного времени. Продувка азотом заканчивается при получении концентрации кислорода в азоте не более 2,5 % об., продувка водородом заканчивается при получении концентрации кислорода в водороде не более 2 × 10^-4 % об.

Для обеспечения слива жидкого водорода агрегаты ЖВЦ-100 наддуваются до давления 0,25 МПа газообразным водородом, подаваемым от испарителей системы заправки. В процессе заполнения резервуаров хранилища в них поддерживается избыточное давление не ниже 0,015 МПа, контролируются уровень и давление в железнодорожных цистернах и сферических резервуарах. По окончании слива стыковочные участки ЖВЦ-100 и заправочные колонки отогреваются до температуры не ниже 100 К путем продувки их газообразным водородом, затем водородная среда в этих участках заменяется на азотную, с концентрацией водорода в азоте не выше 1% и далее на воздушную, с концентрацией кислорода в воздухе не менее 19 % об. Железнодорожные цистерны отстыковываются от заправочных колонок и отводятся.

При хранении жидкого водорода в резервуарах хранилища производится периодический газосброс при давлении 0,01-0,2 МПа. Перед началом работ на СК проверяется кондиционность жидкого водорода путем отбора проб из каждого резервуара и проведения их анализа.

За сутки до начала заправки давление в резервуарах хранилища сбрасывается до 0,0-15 МПа (изб.) и поддерживается на этом уровне, что позволяет охладить водород до температуры кипения, соответствующей указанному давлению, и тем самым понизить тепловую нагрузку на охладители при заправке и термостатировании.

Работа по заправке начинается с проведения азотной подготовки системы.

Азотная подготовка системы (трубопроводов и охладителей) и азотная подготовка бака РН проводятся путем продувки и «полоскания» (наддув – сброс). Операции заканчиваются проведением газоанализа среды в магистральных трубопроводах и охладителях системы, а также в баке РН при достижении концентрации кислорода в азоте не более 1,5 % об. Затем проводится водородная подготовка.

Водородная подготовка системы и водородная подготовка бака ракеты проводятся аналогично азотной подготовке. Один из резервуаров хранилища наддувается до давления 1,0 МПа за счет газификации жидкости в блоке испарителей системы, что обеспечивает подачу газообразного водорода на нужды заправочной системы и РН в течение всего времени работы. После замены азотной среды на водородную в магистральном трубопроводе подачи газа в РН на площадке дожигания водорода, куда дренируется водород из системы и бака РН, зажигаются дежурные факелы. Далее обе операции проходят параллельно и заканчиваются при достижении концентрации кислорода в водороде не более 2 × 10^-4 % об. в магистралях и охладителях системы и баке РН.

Охлаждение и заполнение заправочных магистралей и охладителей системы жидким водородом начинается с наддува второго резервуара хранилища до давления 0,25 МПа и выдачи из него жидкого водорода одновременно в две магистрали, соединяющие хранилище с блоком охлаждения. В блоке охлаждения оба потока объединяются, проходят последовательно теплообменники охладителей, магистральный трубопровод до блока клапанов на заправочном трубопроводе, магистральные трубопроводы до блока охлаждения, затем поступают в резервуары охладителей и через эжекторы сбрасываются на площадку дожигания водорода. Из этого же резервуара начинается выдача жидкого водорода на заправку РН. Направление движения потока жидкого водорода от хранилища до блока клапанов на заправочном трубопроводе при заправке такое же, как и при охлаждении системы. Далее поток делится на три части. Основная часть по заправочному трубопроводу поступает в РН для заправки бака; вторая часть (8-10 %) через второй магистральный трубопровод поступает на подпитку охладителей; третья часть, самая маленькая, подается в трубопровод термостатирования, поддерживая его в охлажденном состоянии, и далее на дренажную площадку. Вакуумирование охладителей осуществляется с помощью эжекторов. Выходящий из блока охлаждения жидкий водород имеет температуру 17-17,5 K.

В начале заправки, для охлаждения бака ракеты, и в конце заправки, для наиболее точного измерения уровня, жидкий водород подается в бак сначала с малым расходом, а затем с дальнейшим переходом на большой.

При опорожнении резервуара хранилища, из которого производилась заправка, выдача продукта в процессе заправки производится из третьего резервуара. В свободном от продукта резервуаре давление сбрасывается до 0,3 МПа (изб.) для подготовки к сливу в него жидкого водорода при термостатировании. При заправке дренажный клапан и клапан термостатирования бака ракеты открыты, пары сбрасываются на дренажную площадку дожигания. При достижении заданного уровня заправка заканчивается и начинается термостатирование жидкого водорода. Эта операция предназначена для получения определенной (заданной) среднемассовой температуры и соответствующей ей плотности жидкого водорода. При термостатировании подача водорода в бак ракеты производится по заправочному трубопроводу, слив – по трубопроводу термостатирования. За полчаса до окончания операции направление потока меняется: подача осуществляется по трубопроводу термостатирования, слив – по заправочному трубопроводу. Эго позволяет выровнять среднемассовую температуру по длине бака ракеты за счет перемешивания, а также понизить среднемассовую температуру продукта в баке без изменения температуры подаваемого продукта и продолжительности операций.

Сливаемый из бака ракеты жидкий водород поступает по магистральному трубопроводу в блок клапанов блока охлаждения, где разделяется на три потока: ~75% расхода поступает через первый теплообменник охладителя в струйный насос в качестве пассивного потока; ~10% расхода поступает на подпитку охладителей; ~15% расхода возвращается в хранилище и сливается в пустой резервуар. Одновременно из рабочего резервуара выдается жидкий водород давлением 1,0 МПа и расходом, равным сумме двух последних составляющих расхода сливаемого из бака. Этот поток проходит через рекуперативный теплообменник, где предварительно охлаждается за счет теплообмена с возвращаемым в хранилище потоком, и далее через второй теплообменник охладителя поступает в струйный насос в качестве активного потока. Объединенный поток проходит через охладитель и по магистральному трубопроводу подается к соответствующему блоку клапанов и далее в бак ракеты. В процессе заправки и термостатирования в бак ракеты подается газообразный водород для поддержания заданного давления в газовой подушке. Термостатирование заканчивается за 2-3 минуты до пуска ракеты. Перед отстыковкой концевые участки всех водородных трубопроводов, подстыкованных к ракете, освобождаются от водорода путем продувки их гелием. Гелий поступает в трубопроводы со стороны ракеты, а удаляемый из трубопроводов водород сбрасывается на площадку дожигания через открытые дренажные клапаны блоков клапанов на соответствующих трубопроводах. Отстыковка коммуникаций от ракеты при пуске автоматическая.

В случае отмены пуска жидкий водород из бака ракеты сливается по трубопроводу слива и магистральному трубопроводу в резервуар хранилища. Отогревается бак ракеты до температуры ~100 K газообразным водородом, после чего водородная среда в баке заменяется на азотную до содержания водорода в азоте не выше 1 % об., а затем – на воздушную до содержания кислорода в азоте не менее 19 % об. Технология проведения этих операций аналогична технологии проведения азотной и водородной подготовки бака перед заправкой. Аналогичные операции проводятся для магистральных трубопроводов и охладителей системы.

Обеспечение заправки жидким водородом II ступени РН «Энергия» потребовало создания сложной и многофункциональной системы заправки. Это вызвано повышенными требованиями со стороны разработчика РН, а также осуществлением на стартовой площадке впервые в мировой практике заправки баков РН охлажденным жидким водородом, с термостатированием баков этим продуктом.

3.5. Технологические особенности заправки криогенным горючим и накопление в емкостях примесей

Низкокипящие ракетные горючие – жидкий водород и сжиженный природный газ (СПГ) при соединении с кислородом воздуха могут воспламеняться, при этом пределы горения в воздухе для водорода 4-75 % об., метана 5-15 % об.

Для исключения взрывоопасных ситуаций и обеспечения кондиционности криогенных горючих перед подачей их в резервуары хранилища или в баки РН и РБ наземное оборудование, соприкасающееся с этими горючими, необходимо соответствующим образом подготовить (очистить). Очистка может осуществляться полосканием и продувкой нейтральными газами, вакуумированием или различной комбинацией этих методов. Метод вакуумирования, хотя и является эффективным, но в заправочных системах и изделиях ракетно-космической техники не используется по соображениям прочности – баки и трубопроводы могут деформироваться (сложиться) под воздействием вакуума.

Наиболее оптимальным для рассматриваемых систем является комбинированный способ подготовки оборудования – продувкой и полосканием. Способ подготовки полосканием с выдержкой является наиболее простым и обеспечивает подготовку застойных зон, что позволяет относительно просто осуществлять контроль операций. Способ подготовки систем продувкой обеспечивает лучшую подготовку коммуникаций, но требует больших затрат газа и не всегда обеспечивает подготовку застойных зон.

Подготовить систему к заправке водородом существенно сложнее, чем к заправке СПГ. Эго вызвано более низкой температурой кипения водорода (20 K) по сравнению с СПГ (111,7 K) и более широким диапазоном пределов горения с кислородом воздуха. Если для СПГ предварительная подготовка системы газообразным азотом до величины 3 % об. по кислороду достаточна для обеспечения безопасности работ, то для водорода требуется более сложная и трудоемкая технология.

В ракетной технике при использовании жидкого водорода можно применять следующие технологии подготовки перед заправкой резервуаров хранилищ, коммуникаций систем заправки и баков РКН:

• подготовка газообразным азотом;
• подготовка газообразным гелием, затем газообразным водородом.

Гелий из-за его дефицита и высокой стоимости для подготовки наземных заправочных систем у нас практически не применяют, хотя технология подготовки гелием более проста, так как в подготовленную газообразным гелием систему можно подавать непосредственно жидкий водород. В некоторых случаях гелием готовятся к заправке баки космических кораблей, особенно небольшие. Под давлением гелия обеспечивается слив жидкого водорода при несостоявшемся пуске, что делает возможной повторную подачу в бак жидкого водорода без дополнительной подготовки. Исключительно важно обеспечить кондиционность жидкого водорода. Следует учитывать, что с гелием могут вноситься частицы кислорода и азота, и гелий в пределах растворимости может растворяться в жидком водороде или выделяться из него при изменении давления. Подготовка гелием должна особо оговариваться в исходных данных.

В условиях дефицита и высокой стоимости гелия для наземных систем и крупных баков ракет рекомендуется проверенная на СК МТКС «Энергия – Буран» следующая технология подготовки водородных систем к заправке:

• замена воздуха на азот до содержания примеси не более 3 % кислорода, что достигается путем продувок и полосканий с периодической выдержкой. При подготовке резервуаров газ для продувки должен поступать в верхнюю часть резервуара и сбрасываться из нижней. Пробу на анализ берут из верхней части резервуара;
• замена азота на газообразный водород путем продувки газообразным водородом. Продувку производят подачей газа – водорода сверху вниз до получения в верхней части внутреннего сосуда содержания примесей кислорода до величины 3 ×  10^-4 % об. и азота 2 × 10^-2 % об. В ходе этих операций давление в резервуаре хранилища не должно падать ниже 0,03 МПа (0,3 кгс/см²) и повышаться выше рабочего давления резервуара.

Более подробно технология подготовки резервуаров и системы к заправке жидким водородом изложена в источнике [22] и в изменении 1 к этому документу (для охлажденного водорода).

Что касается сжиженного природного газа, то на базе имеющегося небольшого опыта его использования, в первую очередь в авиации, должна быть отработана нормативнотехническая база, аналогично той, которая была создана для жидкого водорода.

Остановимся на вопросах накопления примесей в жидком водороде при технологических операциях с этим продуктом.

Процесс растворения газа в компоненте складывается из переноса молекул газа через границу раздела фаз и движения молекул в пределах газовой подушки и топливного компонента. При этом считается, что на свободной поверхности компонента топлива концентрация соответствует равновесной, а процесс массопередачи к поверхности определяется наличием разности объемных концентраций газа. Скорость массопереноса лимитируется скоростью диффузии газа в жидкость. При отсутствии движения фаз имеет место молекулярная диффузия, а при наличии движения к ней добавляется конвективная диффузия, которая на несколько порядков интенсивнее, чем молекулярная. Растворимость обычных газов в компоненте зависит от температуры и давления.

В течение технологического процесса на СК в жидком водороде могут накапливаться различные примеси, в первую очередь кислород, имеющие более высокую температуру затвердевания, чем исходный продукт. Жидкий водород из всех компонентов ракетного топлива имеет самую низкую температуру кипения, а выпадающий в осадок кислород при его накоплении может инициировать взрыв. В осадок выпадает и твердый азот [21]. Экспериментально установлено, что при первоначальной заправке хранилища в резервуаре остается десятая часть твердых примесей, остальное уносится при охлаждении резервуара. Опасные примеси могут вноситься и газом наддува при выдавливании жидкого водорода, выпадать в осадок в процессе его хранения в связи с испарением продукта (идет его обогащение кислородом и азотом), при этом сброс давления приводит к практически мгновенной их кристаллизации. Содержание примесей в любой момент времени соответствует значению их растворимости в водороде при параметрах хранения.

Накопление загрязняющих примесей в хранилище определяется расчетным путем как сумма примесей, образующихся при каждой операции в технологической цепочке работ с компонентом, начиная с работ на заводе-поставщике продукта [21].

На практике имеется возможность аналитического хроматографического контроля чистоты водорода в химлаборатории. В этом случае накопление примесей в заполненном резервуаре за период времени τ, в ходе которого было выполнено n заливов и m выдач продукта с анализом его на содержание примесей C_ni и C_mi, может быть определено по формуле [21]:

где    V_i  – объем залитого продукта при i-ой заправке;

V_j – объем слитого продукта при m-ом сливе.

Для решения этой задачи в ходе залива и слива жидкости должны выполняться анализы для определения примесей C_т заливаемой и С_тi сливаемой жидкости, измеряться ее количество V_i и V_j температура T_i и давление P_i в точках отбора проб на анализ, а также фиксироваться чистота подготовки C_под и чистота и количество газа наддува C_над, и V_над, уровень жидкости в емкости , величина растворимости при параметрах слива, плотность примеси ρ_пр в газообразном состоянии, коэффициент K₁, учитывающий перевод жидкости в газ по объему (обычно K₁ = 788).

Для ориентировочных оценок величины накопления примесей в жидком водороде предложен также экспресс-метод [21]. Он исходит из условия, что содержание примесей кислорода и азота в заправляемом (сливаемом) жидком водороде не превышает величины их растворимости при параметрах слива.

Содержание примесей в жидком водороде, залитом в резервуар, подготовленный к заправке, до величины C_под.Г по кислороду 3 × 10^-5 % об. и азоту 2 × 10^-3 % об., определяется формулой:

,

(3.5.2)

где    C_{раст.сп} – концентрация примеси в заливаемом водороде, ее можно определить как растворимость при параметрах слива по формулам, приведенным в [22].

Количество накопившегося осадка определяется из соотношения:

Следует иметь в виду, что частицы примесей, конденсирующихся в водороде, имеют размеры не более 40 мкм. Более крупные частицы не наблюдаются. Установлено также, что выпадающие в осадок частицы кислорода размером меньше 30 мкм не детонируют и не способствуют горению. При размере частиц 30-100 мкм наблюдается только горение со скоростью 400 м/с без детонации с повышением общего давления в системе.

Принимая во внимание доказанный факт, что твердый осадок примесей остается в резервуаре за счет адгезии, была разработана относительно простая методика очистки жидкого водорода в резервуарах заправочной системы от крайне нежелательных примесей, что позволило отказаться от системы очистки жидкого водорода после слива или длительного хранения, например адсорбционного типа, размещаемой на СК.

Выяснилось, что при сбросе давления в резервуаре до минимально допустимой величины (0,1-0,15 ати) и соответствующей выдержки частицы твердых примесей выпадают из жидкого водорода, накапливаясь на стенках резервуара. Чтобы не допустить критически опасного накопления частиц твердого кислорода, резервуары необходимо периодически отогревать.

Для обеспечения безопасности запас по взрываемости должен быть не менее 10. Для шаровых резервуаров объемом 1440 м³ допустимое количество примесей, оставшихся в резервуаре, которое определяется из условия безопасности работ, составляет 50 г. После накопления 50 г осадка кислорода резервуар должен быть отогрет, с тем чтобы имевшийся в нем осадок твердого кислорода испарился.

Очевидно, что при оценке допустимых количеств накопленных примесей в резервуарах других объемов можно использовать пропорции по объему. Однако с целью повышения безопасности и принятия правильного решения следует проводить соответствующие расчеты.

Периодический отогрев резервуаров проводится для контроля накопления и удаления примесей, восстановления вакуума в изоляционном пространстве, ремонта резервуаров и их технического освидетельствования. Он может быть полным или частичным в зависимости от назначения, при этом для контроля содержания примесей кислорода (азота) и их удаления достаточно производить частичный отогрев резервуаров до температуры 95 К. Отогрев может быть естественным и искусственным. Частичный естественный отогрев производится с закрытым газосбросом. Недостатком этого способа является значительная длительность процесса. Искусственный частичный отогрев резервуаров осущест-

вляется периодическим наддувом и сбросом теплового газа. Теплый газ необходимо подавать с большим расходом в нижнюю часть резервуара, а его сброс вести из верхней части [35]. Данный способ обеспечивает существенное сокращение общего времени отогрева и интенсивное выравнивание концентраций по объему резервуара. К его недостаткам следует отнести потери газообразного продукта при газосбросах и необходимость проведения дополнительных анализов кислорода и азота в резервуаре, а также анализа газа наддува для тщательного учета количества примесей.

Основаниями для принятия решения о прекращении отогрева являются нагрев стенок резервуара до температуры T_ст ≥ 95 K и совпадение результатjв анализа газа из «верхней» и «нижней» его точек. Допускается

3.6. Охлаждение криогенных компонентов топлива

Технические характеристики РН, РБ и ОК можно существенно улучшить, если заправлять их баки охлажденными криогенными продуктами, имеющими температуру ниже температуры кипения при атмосферном давлении, и, следовательно, большую плотность. Эго позволяет увеличить запасы компонента топлива на борту. Кроме того, применение охлажденного продукта позволяет в процессе заправки обеспечить однофазное течение жидкости по трубопроводам, уменьшить их размеры, а следовательно, и массу, что особенно существенно для летательных аппаратов. Повышение теплопоглощающей способности охлажденного продукта позволяет топливу в баках ракеты поглотить большее количество тепла до начала кипения. Некоторого прироста полезной массы КА можно добиться и за счет использования теплоизоляции с меньшей массой, а также компонентов, обеспечивающих увеличение удельного импульса.

Наиболее широкое применение в отечественной космонавтике нашел охлажденный жидкий кислород. Первые работы по его охлаждению в нашей стране были осуществлены в 1961 г. на экспериментальном стенде. В ракетно-космической технике на СК МТКС «Энергия – Буран» впервые в мире был использован жидкий водород, охлажденный до 14,5 К, что явилось крупным достижением отечественной криогенной техники.

В связи с тем, что жидкие кислород и водород с заводов-производителей поставляются кипящими, их охлаждение производится непосредственно на стартовых комплексах.

Анализ T-S-диаграммы для кислорода показывает, что охлаждение жидкого кислорода от температуры его кипения при атмосферном давлении (T₀) до более низкого температурного уровня (T₁) можно осуществлять как в двухфазной области существования – «жидкость – пар», так и в однофазной области – «жидкость».

Особенность охлаждения в области «жидкость – пар» состоит в том, что при охлаждении продукта происходит понижение давления охлаждаемой жидкости по отношению к атмосферному, в то время как при охлаждении в области однофазного существования «жидкость», охлаждение осуществляется при давлении выше атмосферного, что исключает подсосы атмосферного воздуха к продукту.

	Рис.3.6.1. Охлаждение вакуумированием парового пространства вакуум-насосом		Рис.3.6.2. Охлаждение вакуумированием парового пространства эжектором

Средства для охлаждения продуктов непосредственно в резервуарах хранилища могут иметь относительно малую производительность, так как охлаждение выполняется во внетехнологическое время и может быть растянуто по времени. Однако охлажденная криогенная жидкость будет храниться в этом случае под вакуумом, в связи с чем потребуется принятие специальных конструктивных и эксплуатационных мер, исключающих подсосы воздуха в резервуары, поскольку они могут ухудшить кондицию хранимого кислорода, а для водорода и СПГ подсос воздуха вообще недопустим в связи с опасностью получения «гремучей» смеси.

При охлаждении криогенной жидкости в процессе заправки производительность средств охлаждения будет определяться принятым темпом (расходом) заправки, и оборудование будет несколько сложнее, чем при вакуумированиии хранилища. Но в этом случае криогенные продукты могут храниться под избыточным давлением.

Реальным вариантом охлаждения в области «жидкость – пар» является процесс непосредственного вакуумирования жидкости. Этот способ требует постепенного понижения давления над жидкостью с непрерывным отводом образующихся паров. Пары из резервуара или емкости-охладителя могут отводиться с помощью вакуум-насосов и эжекторных установок, использующих в качестве активного газа воздух или азот (см. рис. 3.6.1 и 3.6.2).

Рис.3.6.3. Охлаждение в теплообменнике с помощью холодильной газовой машины (ХГМ)		Рис.3.6.4. Охлаждение в головке ХГМ типа «Филипс»		Рис.3.6.5. Охлаждение в ванне-охладителе вакуумируемым собственным компонентом

В области «жидкость – пар» охлаждение может быть осуществлено также путем испарения жидкости за счет подачи в нее неконденсирующегося газа, что обеспечивается разностью давлений насыщенного пара и пара над жидкостью в пузырьках газа (барботаж неконденсирующимся газом, например гелием). В результате испарения части жидкости остающаяся масса охлаждается. Процесс протекает в сосуде при постоянном давлении, которое поддерживается подачей газа (гелия) в резервуар: при этом часть жидкости испаряется и теряется вместе с барботируемым газом, а парциальное давление охлаждаемого компонента в пузырьках будет соответствовать температуре жидкости. Удельный расход гелия при барботаже на единицу массы охлаждаемой жидкости определяется заданной степенью охлаждения и величиной внешних теплопритоков. В литературе [3] и [4] приведены зависимости для расчетов степени испарения охлаждаемой жидкости в барботирующий гелий с учетом неидеальности протекающих процессов и даны рекомендации по оптимальной величине заглубления барботера относительно зеркала жидкости.

	Рис.3.6.6. Охлаждение в теплообменнике за счет стороннего охладителя

В однофазной области «жидкость» процесс охлаждения компонентов ракетного топлива выполняется в теплообменнике за счет энергии хладоносителя, имеющего более низкую температуру, чем охлаждаемый компонент топлива. Запас холода теплоносителя может быть естественным, за счет запаса температуры его существования, или искусственным, за счет его вакуумирования или использования рефрижераторного цикла холодильной машины. Охлаждение криогенных компонентов топлива с помощью холодильной машины может осуществляться путем отбора тепла от продукта в теплообменнике (рис. 3.6.3) или в головке холодильной машины (рис. 3.6.4) хладоагентом, имеющим более низкую температуру, получаемую с помощью рефрижераторного цикла холодильной машины. Особенностью этого способа охлаждения является отсутствие потерь охлаждаемого продукта и хладоагента в процессе охлаждения.

Охлаждение компонента топлива может проводиться также и в теплообменнике, погруженном в ванну, заполненную хладоагентом, имеющим температуру кипения ниже, чем температура, необходимая для охлаждения компонента топлива (рис. 3.6.5 и 3.6.6).

Хладоагентами здесь могут быть криогенные компоненты:

• имеющие температуру кипения при атмосферном давлении ниже, чем температура, необходимая для охлаждения компонента топлива;
• температура которых в теплообменной ванне доводится до требуемой величины за счет вакуумирования парового пространства с помощью различных средств (эжекторы, вакуум-насосы).

Особенностью этих способов охлаждения является потеря хладоагента, испаряющегося в процессе охлаждения топлива. Сбор паров хладоагента и их обратная конденсация требуют сложного дополнительного оборудования, что в условиях стартовой позиции являются нецелесообразным.

Ниже приводится анализ наиболее часто используемых способов охлаждения криогенных компонентов топлива в условиях СК.

3.6.1. Способ прямого вакуумирования

Если над зеркалом продукта в резервуаре создать вакуум, то в соответствии с кривой насыщения температура продукта понизится. Это происходит за счет скрытой теплоты парообразования r испарившейся части продукта. Создание вакуума в емкости возможно за счет подключения к ней вакуумного оборудования, работающего в диапазоне непрерывно меняющихся рабочих давлений – от атмосферного до соответствующего заданной температуре.

Отдельно остановимся на охлаждении жидкого кислорода методом вакуумирования.

Из рассмотрения кривой давления насыщенных паров кислорода вытекает, что для получения жидкого кислорода с температурой тройной точки (54,3 К) необходимо понизить давление до 146,6 Па. Низкое давление кислорода в тройной точке обуславливает значительные трудности при осуществлении цикла прямого вакуумирования для получения глубоко охлаждаемой жидкости (вблизи тройной точки). Из проведенных исследований известно, что способом прямого вакуумирования можно надежно охладить жидкий кислород только до температуры T = 60 K (P = 800 Па), а при дальнейшем понижении температуры (давления) происходит неравновесный процесс, зависящий от различных параметров – скорости откачки, геометрии сосуда, уровня температуры и т.п.

С учетом ряда допущений (постоянство C_р, отсутствие теплопритоков извне в процессе вакуумирования и др.) были получены безразмерные зависимости [34] и построены трафики для кислорода и азота, пользуясь которыми можно определить количество продукта, теряемого при вакуумировании (рис. 3.6.7 и 3.6.8).

Рис.3.6.7. График зависимости G2/G1 от T2/T1 для кислорода		Рис.3.6.8. График зависимости G2/G1 от T2/T1  для азота

Здесь G₁ – первоначальное количество продукта; G₂ – количество оставшегося продукта; T₁ и T₂ – соответствующие температуры.

Поскольку практическое применение способа охлаждения криогенных жидкостей вакуумированием парового пространства зависит от возможностей вакуумного оборудования, проведем его краткий анализ.

Наличие низких температур рабочей среды и необходимость исключения смазки общего назначения из-за опасностей ее затвердения, взрыва и пожара оказывают свое влияние на выбор и использование вакуумного оборудования. Анализ возможностей использования различных устройств для откачки холодных газов кислорода и азота [35, 36] позволяет констатировать, что для откачки паров азота в настоящее время могут использоваться только два типа насосов: водокольцевые и газоструйные (эжекторы). В водокольцевых насосах безопасность работы обеспечивается тем, что узлы и детали, находящиеся в контакте с кислородом, обильно омываются водой, а незамерзание воды обеспечивается теплом, поступающим от вращения электропривода насоса, естественно, в определенных пределах.

Отечественной промышленностью освоено серийное производство ряда водокольцевых насосов с номинальной производительностью от 90 до 9000 м³/ч. Увеличить производительность этих вакуум-насосов при низких температурах можно путем уменьшения прогрева газа в рабочих камерах насоса за счет использования жидкости с низкой температурой замерзания. Водокольцевые вакуумные агрегаты полностью уравновешены, высоконадежны, имеют небольшие габариты. Насосы ВВН-12 и ВВН-50, выполненные из нержавеющей стали, показали надежную работу на практике при откачке паров жидкого кислорода и азота. Однако область применения этих агрегатов ограничена давлением насыщенных паров. Предельное давление, достигаемое с помощью этого класса машин, составляет 4-6,66 кПа. Падение объемной производительности агрегата наблюдается при давлении на входе 13,3 кПа.

Несколько понизить предельное давление всасывания можно последовательным соединением агрегатов. При работе такого двухступенчатого агрегата, состоящего из двух серийных агрегатов ВВН-50, можно получить предельное давление ~6,66 кПа, при этом объемная производительность держится постоянной до уровня давлений 10-8,66 кПа, а далее падает [35].

На рис. 3.6.9 приводится зависимость объемной производительности от давления для некоторого сочетания водокольцевых вакуум-насосов.

Наиболее экономичными и перспективными для целей откачки паров криогенных жидкостей следует признать лопаточные вакуум-насосы центробежного типа, способные откачивать «холодный» продукт. Снижение температуры газа перед такими насосами позволит получить высокие степени сжатия в одной ступени и резко снизить потребляемую мощность. Однако такие машины до сих пор промышленностью не созданы.

	Рис.3.6.9. Характеристики вакуум-насосов

В связи с недостаточной номенклатурой вакуумных насосов для охлаждения криогенных жидкостей, работающих в условиях СК, и их относительно малой производительностью возникла необходимость в разработке и создании специально для ракетно-космической техники эжекторных установок, использующих в качестве активного газа воздух или азот. Такие эжекторные агрегаты удалось создать с коэффициентом эжекции К = 0,11-0,25 при давлении активного газа 600-800 кПа. При применении эжекторных установок повышается безопасность работ, так как откачиваемый продукт разбавляется активным газом, а это нейтральный газ – азот (например, для охлаждения водорода), однако появляются дополнительные потери активного газа эжектирования.

Эффективность эжекторных установок по сравнению с вакуумными насосами мала. Потребляемая водокольцевыми насосами удельная мощность:

,

(3.6.1)

где    Q – холодопроизводительность, которая во всем диапазоне охлаждения существенно меньше удельной мощности, потребляемой эжекторами для тех же целей. С понижением температуры эта разность становится все большей. Так, при температуре жидкого кислорода, равной 86-73 K, потребляемая мощность эжекторных установок ~ в 5 раз выше, чем при применении вакуум-насосов.

Сложность создания эжекторов для откачки криогенных продуктов заключается в том, что давление на входе в эжектор падает по мере понижения температуры продукта, в связи с чем режим работы по давлению на входе для конечной температуры отличается от первоначального.

	Рис.3.6.10. Характеристики эжекторов

Для повышения экономичности эжекторов и увеличения их производительности необходимо создавать двухступенчатые и многоступенчатые агрегаты.

В настоящее время специально для охлаждения криогенных компонентов в условиях их работы на СК создан ряд эжекторных установок различной производительности (ЭН 1259-45, ЭН 12590, ЭН 314-13, 8Г174), при этом эжектор ЭН 12590 выполнен двухступенчатым и обеспечивает охлаждение жидкого кислорода до T = 69 К. На рис. 3.6.10 показана зависимость холодопроизводительности эжекторных установок от температуры.

3.6.2. Способ охлаждения теплообменом

а) Охлаждение в теплообменнике с помощью холодильных машин

При этом способе охлаждение осуществляется за счет отбора тепла от криогенной жидкости в теплообменнике хладоагентом, циркулирующим по замкнутому контуру холодильной машины. Из анализа возможных циклов холодильных машин, создающих холод на необходимом для охлаждения жидкого кислорода уровне, T ≤ 77 K, вытекает, что в машине целесообразен адиабатно-изотермический цикл с использованием в качестве рабочего тела гелия [2]. На этой основе у нас и за рубежом создан ряд холодильных машин, работающих по обратному циклу Стирлинга (впервые выполненные фирмой «Филипс») – одноступенчатые на номинальный уровень 77 K, двухступенчатые на номинальный уровень 20 К. Холодопроизводительность этих машин – от 1000 (ЗИФ-1000) до 5000 ккал/ч. Кроме того, промышленностью освоен ряд поршневых гелиевых холодильных машин типа ХГМ и ХГУТ на температурном уровне 77 и 20 К с приводом мощностью 20 и 100 кВт.

Рис.3.6.11. Холодильно-газовая машина ХГМ-11М: 1 – холодильно-газовая машина; 2 – муфта; 3 – электродвигатель		Рис.3.6.12. Холодильно-газовая машина ХГМ-15: 1 – холодильно-газовая машина; 2 – муфта; 3 – электродвигатель

Для охлаждения компонентов топлива (рис. 3.6.11) могут использоваться гелиевые рефрижераторные машины типа ХГМ и ХГМУТ с вынесенным теплообменником.

Ниже приведены характеристики холодильно-газовых машин, освоенных отечественной промышленностью.

Таблица 3.6.1

Технические характеристики

б) Охлаждение хладоагентами

При этом способе охлаждения отбор тепла от охлаждаемого компонента топлива осуществляется в теплообменнике, погруженном в ванну с хладоагентом, или в противоточном теплообменнике. В одном случае хладоагентами могут быть криогенные компоненты, температура кипения которых при атмосферном давлении ниже необходимой для охлаждения компонента, по крайней мерс, на величину недорекуперации (например, при использовании жидкого азота для охлаждения жидкого кислорода) или температура которых доводится до требуемой при вакуумировании парового пространства в ванне за счет вакуум-насосов или эжекторных установок (например вакуумируемый жидкий азот для охлаждения жидкого кислорода до температур вакуумируемого азота или вакуумируемый жидкий водород для охлаждения жидкого водорода).

Рассмотрим возможность охлаждения жидкого кислорода вплоть до тройной точки, что позволяет использовать его в орбитальных кораблях более эффективно. Для глубокого охлаждения жидкого кислорода хладоагентами могут быть жидкий или газообразный (холодный) водород или неон. Учитывая специфические особенности и сложность обращения с водородом, точка кипения которого при атмосферном давлении равна 20,4 К и который горюч и взрывоопасен в широком диапазоне концентраций, его использование для целей охлаждения других жидких криогенных компонентов топлива может реально рассматриваться только для тех объектов, где жидкий водород применяется для заправки баков РН или корабля. Но и в этом случае особое внимание следует обращать на технику безопасности и технологию работы систем. Использование теплообменных аппаратов контактного типа для передачи холода компоненту топлива от жидкого (холодного газа) водорода по условиям техники безопасности следует исключить, хотя сам по себе этот вариант наиболее прост.

При использовании для охлаждения жидкого кислорода отбираемых от существующей на СК водородной системы жидкости или пара, в условиях, когда заправка и охлаждение производятся одновременно, особое внимание следует обратить на технологическую увязку работы водородной системы заправки с работой средств охлаждения. Такая увязка является сложной инженерной задачей, она связана с технологией работы той и другой системы в общем технологическом графике, а также с надежной работой систем управления.

в) Охлаждение вакуумируемыми хладоагентами

Охлаждение жидкого кислорода в теплообменнике, размещенном в ванне с вакуумируемым жидким кислородом, можно применять для охлаждения жидкого кислорода в процессе заправки или термостатирования продукта только до температуры T = 60 K из-за неравновесности протекания процесса охлаждения при более низких температурах (T = 60-54,3 K).

Однако проще и безопаснее охлаждать жидкий кислород и СПГ с помощью жидкого азота. Для охлаждения этих продуктов до температуры T = 66 К жидкий азот является почти идеальным хладоагентом, причем для температур T = 79-80 К вакуумирование азота в ванне не требуется – он кипит при атмосферном давлении. Существующие водокольцевые вакуум-насосы и эжекторные установки надежно обеспечивают необходимый вакуум в ванне-теплообменнике вплоть до давления, соответствующего тройной точке азота (T = 63,2 К). Систематизация способов охлаждения жидкого кислорода во всем диапазоне существования этой жидкости представлена на рис. 3.6.13, который по зволяет определить возможные способы охлаждения жидкого кислорода на стартовой позиции до заданной температуры и затем путем технико-экономического анализа выявить оптимальный вариант. Охлаждение жидкого кислорода вплоть до тройной точки в нижней (после T = 66 К) части температур на стартовых и стендовых комплексах можно осуществлять за счет использования бинарной смеси «жидкий кислород – жидкий азот».

Имеются данные [37], что смесь «жидкий кислород – жидкий азот» относятся к системам с ограниченной растворимостью одного компонента в другом. Жидкий азот легко растворяется в жидком кислороде до 15,7 %, а кислород в азоте до 69 %.

Рис.3.6.13. Способы охлаждения жидкого кислорода

В диапазоне концентрации азота от 15,7 до 31 % лежит область непрерывного ряда смешанных кристаллов с эвтектической точкой при концентрации азота 22,5 % и температуре 50,1 К (рис. 3.6.14). Анализ диаграммы показывает, что между двумя линиями ликвидуса лежит область двухфазного равновесия «пар–жидкость» системы «кислород–азот», ограниченная температурой эвтектической точки T = 50,1 K.

	Рис.3.6.14. Диаграмма плавления O2–N2

Таким образом, в смеси можно получить жидкость, не замерзающую до T = 50,1 K. Эту температуру можно достичь, откачивая пар над жидкостью, содержащей азота в количестве намного больше эвтектической концентрации, так как азот испаряется интенсивнее кислорода. Особо важно, чтобы упругость пара над эвтектической смесью оказалась равной P = 160 Па, что вполне доступно получить существующими вакуум-насосами.

Однако величины давлений пара вдоль линии ликвидуса, являющимися концом двухфазного и началом трехфазного равновесия, в этих исследованиях отсутствовали, а были указаны только в точках чистого кислорода и в точке эвтектики. Не известны и данные по фазовым равновесиям смеси «кислород – азот» в этой области существования жидкой смеси.

При наличии данных по фазовым равновесиям эта бинарная смесь может быть использована в качестве хладоагента при предельной температуре, вплоть до тройной точки кислорода и ниже.

Следует особо отметить, что смесь «жидкий кислород – жидкий азот» является безопасной в эксплуатации, оба эти компонента освоены производством, для их эксплуатации создано необходимое оборудование, имеется достаточный опыт эксплуатации этих продуктов на космодромах, наконец, они относительно дешевы, так как получаются из воздуха. Из диаграммы плавлtния также вытекает, что, используя бинарную смесь «жидкий кислород – жидкий азот» для охлаждения заправляемого в баки ракеты жидкого кислорода, можно получать низкие температуры при давлениях над раствором существенно более высокими, чем давления, соответствующие насыщению чистого кислорода при этих же температурах, а это немаловажно при выборе вакуумного оборудования.

Проведенные в 80 годах XX столетия исследования позволили получить экспериментальные данные по величинам давления (через градус) пара над жидкостью при различных температурах смеси, составу равновесной паровой среды в зависимости от состава жидкой фазы, а также теплот испарения и теплоемкостей смеси. Было показано, что при одинаковых температурах азот имеет более высокое давление насыщенного пара по сравнению с кислородом, однако существовать он может только в смеси с кислородом. Азот повышает давление паров, а кислород снижает температуру замерзания и расширяет область существования жидкости до температуры T = 50,1 K. Количество выкипающей смеси при вакуумировании всего лишь на 10 % больше, чем при вакуумировании чистого кислорода, а вакуумирование на всем температурном уровне охлаждения жидкого кислорода может осуществляться вакуум-насосами и эжекторами, освоенными промышленностью.

На рис. 3.6.15 приведены диаграммы фазовых равновесий смеси O₂ – N₂ в области низких температур. Зная требуемую температуру охлаждения жидкого кислорода, по ним можно легко определить состав смеси и величину ее вакуумирования для получения заданной температуры.

При испарении бинарной смеси в процессе глубокого охлаждения жидкого кислорода необходимо компенсировать теплопритоки, вносимые при добавлении смеси, которое выражается зависимостью:

,

(3.6.2)

где    G_дол – количество доливаемой смеси;

Cp_см – теплоемкость смеси;

ΔT – перепад температур между доливаемой и вакуумируемой смесью;

r_см – теплота испарения смеси.

Рис.3.6.15. Диаграммы фазовых равновесий смеси O2 – N2

Величину теплоемкости смеси Cp_см с достаточной для практических расчетов точностью можно принять по закону аддитивности, то есть пропорционально мольным концентрациям смеси, так как в области исследуемых температур теплоемкость продуктов, Cp, практически не меняется.

Теплота испарения r_см для смеси выражается, как

где    i_пара – энтальпия пара,

i_жидк – энтальпия жидкости.

Для исследуемой области теплота испарения может быть определена по уравнению Клайперона-Клазиуса [37]:

(3.6.4)

где    P – общее давление над смесью.

	Рис.3.6.16. Охлаждение жидкого кислорода бинарной смесью

Ниже приводится краткое описание возможной схемы средств охлаждения жидкого кислорода с помощью бинарной смеси «жидкий кислород – жидкий азот» (рис. 3.6.66). Бинарная смесь готовится в теплообменном аппарате 3 за счет подачи в него жидкого кислорода из резервуара 6 и чистого азота из резервуара 5 с помощью испарителей этих емкостей, создающих необходимое давление в паровых подушках этих емкостей. Состав смеси определяется по кривым, представленным на рис. 3.6.15. Средствами 4 смесь вакуумируется до получения необходимой температуры. Жидкий кислород из резервуара 1 прокачивается насосом 2 через теплообменник, где охлаждается до заданной температуры. Как показали эксперименты, в теплообменном аппарате из смеси выкипает, в основном, азот. поэтому подпитку в процессе охлаждения необходимо вести чистым жидким азотом из емкости 5. Бесспорно, возможны и другие варианты схем средств охлаждения: подготовка смеси в отдельном резервуаре, подача кислорода для приготовления смеси из резервуара 1 при соответствующей температурной развязке и другие.

Охлаждение жидкого водорода в большом масштабе впервые было осуществлено на СК МТКС «Энергия – Буран», что позволило существенно увеличить весовые характеристики полезного груза за счет повышения плотности жидкого водорода в баках ракеты.

3.7. Тепловая изоляция криогенных систем

Оборудование криогенных заправочных систем, соприкасающееся с криогенной жидкостью, должно быть защищено от притока тепла из окружающей среды. Требования к эффективности теплоизоляции низкотемпературного оборудования возрастают по мерс понижения температуры. Эго связано с тем, что при понижении температуры увеличивается теплоприток через изоляцию, то есть увеличиваются потери продукта.

Основная характеристика теплоизоляции – ее теплопроводность, которая должна быть сведена к минимуму.

Современные типы теплоизоляции созданы в результате длительных поисков и исследований [6, 3, 4, 14]. Условно изоляцию криогенных систем подразделяют на изоляцию, находящуюся под атмосферным давлением, и вакуумную теплоизоляцию.

Первую применяют, в основном, при T ≥ 80 K, исключая тем самым конденсацию воздуха на поверхности трубопровода, аппарата; вторую – при T ≤ 80 K, вплоть до гелиевых температур.

Теплообмен во всех видах низкотемпературной изоляции происходит за счет излучения, теплопроводности газа и твердого тела. Лучистый тепловой поток в изоляции ослабляется в результате рассеивания и поглощения тепла изоляционным материалом, а также задержанием его металлическими экранами (фольга, мелкие частицы).

Теплоперенос теплопроводностью определяется отношением длин свободного пробега молекул газа между соударениями их друг с другом (L) и соударениями со стенками твердого тела (l). Последнее определяется структурой дисперсного материала. При этом коэффициент теплопроводности зависит от механического давления на дисперсный материал.

3.7.1. Теплоизоляция, находящаяся под атмосферным давлением

Тепло в этом виде изоляции передается по теплоизоляционному материалу и через газ, заполняющий пустоты в изоляции, в результате его конвекции и теплопроводности. В качестве теплоизолирующей среды применяют волокнистые (минеральная вата, стекловата), порошкообразные (перлит, аэрогель) и ячеистые (мипора, пенопласт) мате-

риалы. Следует иметь в виду, что при появлении капельной влаги и льда процесс теплопереноса резко интенсифицируется вследствие высокой их теплопроводности, которая на порядок выше, чем у воздуха. Поэтому попадание влаги в изоляцию необходимо исключать.

Тепловой поток через изоляцию определяется по обычным формулам переноса тепла теплопроводностью:

(3.7.1)

где    λ – коэффициент теплопроводности термоизоляционного слоя; δ – толщина изоляции;

Δt = T₀– T_x – разность температур окружающей среды и холодной части;

, где F₀ и F_x – площади соответственно теплой и холодной части.

Эти формулы применимы для плоских, шаровых и цилиндрических слоев изоляции, что подтверждено экспериментально. При проектировании также необходимо учитывать стоимостные показатели.

Толщину изоляции целесообразно выбирать так, чтобы приток тепла через нее составлял 20-70 % от общего теплового потока. Ее уменьшение приводит к неоправданному возрастанию потерь холода, а излишнее увеличение – к удорожанию, увеличению габаритов без сколько-нибудь существенного снижения потерь тепла. Обычно толщину изоляции принимают равной не более 0,15 D_нар (100-1000 мм).

Для резервуаров заправочных криогенных систем такую изоляцию сейчас практически не применяют. Известны лишь криогенные резервуары старой постройки, изолированные минеральной ватой и входящие в состав кислородно-азотных заправочных систем для ракет типа «Союз». Потери кислорода в них составляют до 5 % в сутки, что само по себе ведет к серьезным убыткам. Кроме того, возникают серьезные сложности при ремонте и непредвиденных выходах из строя оборудования.

Применение такого вида изоляции в некоторых случаях может быть обосновано для изоляции низкотемпературных трубопроводов и арматуры. Трубопроводы и блоки клапанов для жидкого кислорода и жидкого азота часто изолируют киперной лентой и стекловолокнистыми матами, а также пенопластом и пеностеклом. Важно также создать надежный паровой барьер, защищающий оборудование от увлажнения, например, покрывать изоляцию снаружи полимерной пленкой. Стыки замазывают специальной мастикой. Характеристики некоторых типов изоляции, в том числе алюминиево-силикатной, приведены в [6].

3.7.2. Вакуумная теплоизоляция

Вакуумную изоляцию применяют в системах, работающих в основном при T ≤ 80 К, то есть при температурах жидких криогенных топлив.

В общем случае теплоту Q, передаваемую изоляцией любого вида, можно представить в виде суммы:

где    Q_m – теплота, переносимая по твердому скелету теплоизоляционного материала и по тепловым мостам;

Q_: – теплота, передаваемая вследствие теплопроводности и конвекции газа;

Q_л – теплота, передаваемая излучением.

При вакуумной изоляции теплота Q_m передается в основном по конструкциям, крепящим холодный сосуд к внешнему сосуду (опоры, подвески). Для ее уменьшения разрабатываются специальные конструкции из материалов низкой теплопроводности, что сводит Q_m к минимуму.

Перенос тепла вследствие теплопроводности и конвекции газа, Q_:, определяется перемещением молекул газа, оставшихся в теплоизоляционном пространстве. Для практического исключения переноса тепла этим путем в теплоизоляционном пространстве необходимо обеспечить высокий вакуум 1 × 10^-5 -– 1 × 10^-6 мм рт. ст. Доказано, что при таком вакууме движение оставшихся молекул между холодной и теплой поверхностями происходит без взаимных столкновений.

где    P – давление газа;

(T₀ –T_x) – разность температур между холодной и теплой стенкой;

F_x – площадь холодной поверхности, м^2.

Основная часть теплопритока вносится за счет теплоты излучения, Q_л. Эта составляющая определяется переносом энергии от теплой к холодной поверхности электромагнитным излучением в области инфракрасного спектра при длине волны λ > 10 мкм. Лучистый поток может излучаться, поглощаться, отражаться. Излучательная поверхность характеризуется коэффициентом ее черноты, ε:

(3.7.4)

где    E и E_s – плотности потока излучения данного тела и абсолютно черного тела.

E_s = σ_sT⁴,

где    σ_s = 5,77×10^-8 Вт/м³ K⁴ – постоянная излучения абсолютно черного тела.

Значение ε зависит от температуры и состава материала и определяется экспериментальным путем. Характеристики некоторых теплоизоляционных материалов и коэффициенты черноты материалов, применяемых в криогенной технике, приведены в [6].

В криогенных системах ракетно-космической техники в настоящее время широко применяют вакуумно-порошковую и вакуумно-многослойную изоляции. Преимущества этих видов изоляций перед просто вакуумной состоят в том, что существенно уменьшается перенос тепла и граничные стенки не надо полировать. При вакуумно-порошковой изоляции можно работать с более низким вакуумом, чем при вакуумно-многослойной. Перенос тепла через порошково-вакуумную и вакуумно-многослойную изоляцию зависит от толщины изоляционного слоя. Так, для сосудов со сжиженным газом (температура кожуха 293 К, а внутреннего сосуда не выше 90 К) вакуумно-порошковая изоляция с использованием аэрогеля и перлита при толщине слоя экранирования 30 40 мм становится эквивалентной высоковакуумной [4].

3.7.3. Порошково-вакуумная теплоизоляция

Порошково-вакуумная изоляция нашла широкое применение в транспортных сосудах для криогенных жидкостей и в некоторых заправочных емкостях с T ≥ 80 K.

При создании как криогенных емкостей, так и трубопроводов с такой изоляцией механизм передачи тепла от криогенной жидкости к наружному воздуху осуществляется через изоляционное пространство, создаваемое двумя сосудами (один в другом) и заполняемое порошковым материалом.

Механизм передачи тепла здесь определяется тремя составляющими: теплопроводностью газа, теплопроводностью твердых частиц и излучением.

В качестве порошковых материалов можно использовать магнезию, минеральную валу, перлит, стекловату, кремнегель, аэрогель, мипору. На практике используют аэрогель и перлит. При вакууме 1×10^-2 мм рт. ст. перенос тепла газом при расчетах можно исключить. Экспериментальные данные показывают, что, начиная с давления P = 1×10^-1 мм рт. ст., теплопроводность мало зависит от давления. При T < 80 К решающую роль играет теплопроводность твердых частиц, а при T = 80-300 К основной поток тепла осуществляется путем лучистого теплообмена через порошок. Для существенного уменьшения теплопроводности (лучистого теплопереноса) в изоляцию добавляется алюминиевая или медная (что реже) пудра. Это снижает коэффициент теплопроводности порошково-вакуумной изоляции в 3-4 раза.

Теплоприток через порошково-вакуумную изоляцию может быть вычислен по формуле:

(3.7.5)

где    λ_n – условный коэффициент теплопроводности изоляции;

T₁ и T₂ – температура соответственно наружного воздуха и криогенной жидкости;

F₁ и F₂  – площади поверхностей, соприкасающихся с воздухом (через металл) и криогенной жидкостью;

δ – толщина изоляции.

Как уже отмечалось, на практике в качестве заполнителей изоляционного пространства применяют аэрогель кремниевой кислоты и перлитовую пудру. Перлит является более крупнопористым материалом, чем аэрогель, он адсорбирует меньше газов и паров, обладает меньшей гигроскопичностью, легко вакуумируется, однако его теплопроводность быстро возрастает при ухудшении вакуума. Разработчики криогенного оборудования при использовании порошково-вакуумной изоляции предпочтение отдают перлиту.

3.7.4. Вакуумно-многослойная теплоизоляция

Вакуумно-многослойная изоляция как наиболее эффективная широко применяется в криогенном оборудовании ракетно-космических комплексов.

Многократное экранирование межстенного пространства емкостей (трубопроводов) приводит к резкому снижению лучистого потока. Вакуумно-многослойная изоляция состоит из большого числа слоев материала с низкой излучательной способностью, которые служат экранами, отражающими тепловое излучение. Экраны разделены теплоизолирующими прокладками. В качестве основного материала такой изоляции применяют алюминиевую фольгу и стеклоткань.

Для исключения переноса тепла газом необходимо снизить давление в теплоизолирующем пространстве до 1×10^-3 – 1×10^-4 мм рт. ст, что существенно ниже, чем при порошково-вакуумной изоляции. При таком вакууме на теплопроводность многослойной изоляции (λ) влияет лишь излучение и контактная теплопроводность слоистого материала. Для снижения теплопроводности по твердому телу (λ_m) применяют прокладочные материалы малой плотности и не допускают обжатия слоев изоляции.

Теплоперенос излучением в этом виде изоляции характеризуется ее лучистой проводимостью. Для определения величины теплопроводности излучением (λ_из) пользуются зависимостью:

(3.7.6)

где     – удельное число слоев ф ольги;

N –число слоев укладки;

i_э – степень черноты алюминиевой фольги ≈ 0,05-0,06;

δ – толщина слоя изоляции.

Таблица 3.7.1

Основные параметры промышленной вакуумно-многослойной изоляции

Мате- риал экра- нов	Мате- риал прок- ладок	Коли- чество слоев	Коли- чество пакетов	Тол- щина, мм	Масса 1м2, кг	Тепло- содер- жание, Дж/м2	Плотность теплового потока, Вт/м2, при различном давлении, Па (мм рт. ст.)
							1×10-3 (7,5×10-6)	1×10-2 (7,5×10-5)	5×10-2 (3,8×10-4)	1×10-1 (7,5×10-4)
		20	3	7	0,50	21×103	1,16	1,26	1,35	1,60
		30	3	10	0,75	32×103	1,00	1,05	1,15	1,35
		40	3	13	1,00	42×103	0,86	0,91	1,00	1,16
		50	3	16	1,30	52×103	0,74	0,78	0,88	1,00
		60	3	20	1,50	63×103	0,66	0,70	0,80	0,90
		70	4	24	1,70	73×103	0,56	0,60	0,70	0,80
		80	4	26	2,00	83×103	0,50	0,64	0,64	0,75
		20	3	8	0,52	21×103	1,52	1,60	2,20	2,40
		30	3	12	0,80	33×103	1,16	1,20	1,48	1,88
		40	3	16	1,05	43×103	0,92	1,00	1,14	1,42
		50	3	20	1,30	56×103	0,76	0,84	0,94	1,17
		60	3	24	1,58	65×103	0,69	0,76	0,86	1,06
		70	4	28	1,80	77×103	0,62	0,69	0,77	0,95
		80	4	32	2,10	85×103	0,58	0,65	0,72	0,90

Качество многослойной изоляции зависит от плотности укладки применяемых материалов и технологии монтажа. Оптимальное число слоев изоляции на единицу толщины обычно составляет 20-40 1/см.

Постоянно проводятся исследовательские работы по дальнейшему совершенствованию экрано-вакуумной изоляции и технологии ее создания.

В табл. 3.7.1 приведены основные параметры промышленной вакуумно-многослойной изоляции.

3.7.5. Тепловые мосты

Внутренние корпуса криогенных емкостей, арматура и другие составляющие криогенных систем имеют силовые элементы, с помощью которых они соединяются с наружным кожухом, находящимся при температуре окружающей среды. Эти элементы пересекают изоляционное пространство, и они получили название «тепловых мостов». По ним тепло передается от наружной оболочки к холодным внутренним частям. При применении высокоэффективной теплоизоляции потери по тепловым мостам достигают 50 % от общего теплопритока, естественно необходимо стремиться к их минимизации.

Уменьшение теплопритоков можно обеспечить за счет выбора материалов с минимальным отношением теплопереноса к допускаемому напряжению (λ/δ) и создания конструкции, которая допускала бы минимальный тепловой поток при достаточной ее прочности. К тепловым мостам относят подвески, опоры, трубопроводы.

Подвески сосудов для сжиженных газов выполняют в виде стержней, тросов и цепей. Они крепятся к кожуху и внутреннему сосуду шарнирно и работают на растяжение. Уменьшение теплопроводности можно обеспечить, если использовать подвески из текстолита или стекловолокнита (в 5-10 раз), а также технологическими приемами упрочнения материала. Подвески для уменьшения теплопроводности делают, по возможности, более длинными, иногда стержни заключают в трубу с вакуумом. В некоторых конструкциях сосудов в качестве сжиженных газов для подвесок используют цепи, имеющие контактное сопротивление в звеньях.

Рис.3.7.1. Элементы тепловых мостов, обеспечивающие малые теплопритоки: а – вертикальная подвеска; б – удлиненная подвеска (1 – наружный кожух; 2 – внутренний сосуд; 3 – подвеска 4 – руба); в – элемент цепной подвески; г – многослойные опоры из пластин; д, в, ж – варианты опор холодного трубопровода внутри кожуха; з – разъемное штыковое соединение трубопроводов (1– наружная труба; 2 – изоляционное пространство; 3 – внутренняя труба 4 – уплотнение)		Рис.3.7.2. Конструктивные схемы криогенных резервуаров: а – крепление внутреннего сосуда на центральной горловине; б, в – крепление на подвесках; г – крепление на опорах; д – крепление на пластиковых опорах

В транспортных сосудах наряду с подвесками применяют опоры, работающие на сжатие. Это позволяет сравнительно просто закрепить сосуд в кожухе, надежно исключив возможность его перемещения при транспортировке. Опоры выполняют из неметаллических материалов (в основном текстолит), и они имеют меньшую длину и большее сечение. Иногда применяют многослойные опоры из тонких стальных пластин с увеличенным контактным сопротивлением. Большое контактное сопротивление достигается увеличением числа пластин, а также установкой сетчатых прокладок из полиморфов и стеклопластов.

Тепло между соприкасающимися поверхностями переносится за счет проводимости по твердому телу в местах контакта и проводимости газовой прослойки, которой можно пренебречь из-за ее малости. Трубы, по которым подводятся и отводятся потоки компонента топлива, а также импульсные трубки для соединения с приборами и др., также являются тепловыми мостами. Методики расчетов тепловых мостов имеются в многочисленной литературе [2, 3, 4, 6, 14].

На рис. 3.7.1 представлены типовые элементы тепловых мостов, а на рис. 3.7.2 – конструктивные схемы криогенных резервуаров с различными креплениями внутреннего сосуда.

3.8. Физические процессы, возникающие в криогенных заправочных системах

В криогенных заправочных системах из-за разности температур между компонентами топлива и окружающей средой происходят процессы теплообмена в резервуарах, трубопроводах и арматуре, в баках РКН. При этом могут происходить фазовые превращения жидкости в пар. Эти фазовые переходы связаны с изменением молекулярной структуры вещества и сопровождаются выделением (поглощением) энергии.

Теплообмен при кипении зависит от физических параметров компонента, состояния и формы поверхности соприкосновения, характера образования центров новой фазы, давления, температуры, теплоты фазового перехода, условий распространения тепла в каждой из фаз.

Зависимость теплообмена от многочисленных факторов чрезвычайно усложняет создание методик расчета криогенных систем, так как требует проведения различных экспериментов и использования при расчетах эмпирических зависимостей, полученных в результате экспериментальных и научно-исследовательских работ.

Процесс кипения при фазовых превращениях (переход жидкости в пар) начинается, когда температура поверхности (T_с) превышает равновесную температуру насыщения (T_н) при данном давлении, и определяется разностью температур

Различают три основных типа кипения: пузырьковый, переходный и пленочный.

Процесс кипения происходит таким образом: с возрастанием ΔT начинается кипение, плотность теплового потока увеличивается до критического значения q_кр1 (режим пузырькового кипения – выделяются пузырьки), затем в узком интервале ΔT тепловой поток уменьшается (переходный режим) до минимального значения q_кр2 Между жидкостью и поверхностью нагрева образуется сплошная тепловая пленка, имеющая значитель-ное сопротивление, что приводит к устойчивому пленочному кипению, при котором большие значения разности ΔT соответствуют сравнительно малым значениям q.

Границы областей пузырькового и пленочного кипения определяются критическими удельными тепловыми потоками q_кр1 и q_кр2 . Между ними находится переходная зона неустойчивого режима кипения. В пузырьковом режиме процесс кипения происходит при q < q_кр1, при пленочном – при q > q_кр2.

Кипение может иметь место как в большом объеме, например, в резервуаре, так и при вынужденном движении жидкости в относительно малом объеме, например, в трубопроводах.

Плотность теплового потока (q) связана с разностью температур через коэффициент теплоотдачи, α:

Экспериментальные зависимости обычно представляются в виде функций q_кр = f(ΔT) и α: = φ(ΔT) и, в основном из-за сложностей процессов, определяются экспериментально и приведены в литературе в виде графиков [3, 4].

Специфические свойства криогенных продуктов, различные формы образования паровой фазы, поведение их при переходных режимах приводят к неустановившимся процессам на различных этапах проведения заправки. Образование паровой фазы происходит в потоке, если жидкость прогрета до температуры насыщения при охлаждении коммуникаций, резервуаров, баков ракеты, а также при транспортировании недогретой жидкости, если на отдельных участках магистрали идет повышенный профев, например, в застойной зоне. Паровые полости образуются и перед запорной арматурой после прекращения циркуляции жидкости, гейзерного выброса и др.

Научно-исследовательские работы и опыт эксплуатации криогенных систем показали, что при переходных режимах работы в системе возникают кратковременные повышения давления (гидроудары), в 3-4 раза превышающие значения давления, полученные для обычных жидкостей по формуле Н.Е. Жуковского:

где    ρ – плотность,

α – скорость звука в жидкости,

W₂ – скорость движения жидкости в конце тупикового участка.

Такое повышение давления вызвано специфическими свойствами криогенных продуктов, такими как близость к кривой насыщения, малая теплота парообразования, взаимное влияние газодинамических параметров течения и теплообменных процессов в жидкой и паровой фазах.

При разработке криогенных систем, проведении гидравлических и тепловых расчетов, разработке технологии заправочных операций необходимо постоянно помнить о возможности появления двухфазных потоков криогенного компонента и, в связи с этим, мощных гидроударов, способных привести к разрушению системы.

3.8.1. Хранение криогенных компонентов топлива

Для обеспечения заправки РКН в резервуарах хранилища стартового комплекса в заданное время должно быть накоплено необходимое количество компонентов ракетного топлива, обеспечивающее выполнение принятых технологических операций при подготовке РКН к пуску и ее пуске.

При определении этого количества должны быть учтены: заправляемая в ракету доза; потери продукта, вызванные «стоянием» ракеты на старте в заправленном состоянии (выкипание компонента); потери при сливах и повторных заправках; потери на захолаживание наземной системы, коммуникаций и баков РКН; потери продукта в хранилище и другое.

Исследования и практический опыт работы с криогенными продуктами показали наличие расслоения температур по высоте столба жидкости в резервуаре. Обнаружено повышение температуры в поверхностном слое по сравнению с температурой основной массы продукта, что вызывает существенное нарастание давления в резервуаре и сокращение времени бездренажного хранения. Перемешивание жидкости снижает это давление, что характерно для транспортировки жидкости из-за ее колебаний.

При спокойном хранении жидкого продукта в резервуаре реализуется свободное конвективное движение, которое зависит от времени, геометрических размеров резервуара, распределения притока тепла по поверхности, теплофизических свойств компонента и его паров, степени заполнения резервуара и начального распределения температуры в нем. Наиболее важными составляющими, от которых зависит температурное расслоение, являются степень заполнения резервуара, отношение уровня заполнения к линейному размеру, отношение коэффициентов теплопроводности внутренней оболочки резервуара и жидкого продукта и их теплоемкостей [3].

Физический процесс формирования полей температуры можно представить следующим образом. Температурное расслоение вызывается движением нагретой жидкости вверх вдоль боковых стенок резервуара и вдоль поверхности раздела фаз «жидкость – пар». По поверхности раздела жидкость течет к центру резервуара, смешиваясь с нагретой. В результате конвективного перемешивания вверху резервуара образуется слой жидкости, в котором имеется значительный градиент температур в вертикальном направлении. В нижней части резервуара существует область однородной по температуре жидкости.

Для инженерных расчетов роста давления при закрытом газосбросе используют экспериментальные данные, полученные при отработке как вертикальных, так и горизонтальных резервуаров, что позволило получить ряд эмпирических уравнений, достаточно хорошо совпадающих по результатам с экспериментальными данными. Эти эмпирические расчетные формулы приведены в литературе [4].

Проведенные теоретические исследования и экспериментальные работы способствовали созданию современных конструкций криогенных резервуаров для различных жидкостей – горизонтальных, вертикальных, сферических. В них оценена скорость роста давления при хранении продукта, величина температурного расслоения, оптимальная степень заполнения. Созданные для ракетно-космической техники криогенные резервуары имеют минимальные величины расслоения криогенных жидкостей в процессе хранения компонентов на СК.

Как уже отмечалось, методы борьбы с температурными расслоениями основаны на перемешивании жидкости в процессе хранения. Такая возможность перемешивания жидкости обычно предусматривается пневмогидравлической схемой заправочной системы за счет проведения циркуляции продукта через резервуар, либо перекачкой его из одного резервуара в другой.

3.8.2. Заправка баков ракеты компонентами топлива

Операция «заправка» – это комплекс необходимых операций, обеспечивающих заполнение топливных баков ракеты компонентами топлива. Время заправки и количество компонента, заправляемого в баки, задается в ТЗ на создание системы заправки, где также указываются температура заправляемого продукта и расходы заправки на различных этапах ее проведения.

Процесс заправки условно разделяют на этапы:

• подготовка системы к заправке;
• захолаживание системы и баков ракет;
• непосредственно заправка.

Технологическая подготовка систем к заправке описана в разделе заправки криогенными горючими.

Захолаживание заправочной системы и баков ракеты

Перед подачей жидкости в ракету, наземная заправочная система и баки ракеты должны быть захоложены до температуры жидкой фазы компонента топлива. Это сложная и ответственная операция, так как при се проведении происходят сложные теплообменные процессы и связанные с этим фазовые переходы из жидкости в пар. При этом возникают гидроудары различной величины.

Если резервуары хранилища «теплые», то они захолаживаются первыми. Продукт для их захолаживания выдается из передвижных средств.

Подача жидкости на охлаждение системы и баков ракеты осуществляется теми же способами, что и при заправке – вытеснением газом наддува или с помощью насосных агрегатов. При этом охлаждение заправочной системы и баков ракеты может проводиться как совместно (поток пропускается через бак ракеты), так и раздельно, последовательно. Пары сбрасываются в дренаж. Технология охлаждения зависит от схемных и конструктивных особенностей конкретной системы.

Коммуникации могут охлаждаться как рабочей, так и посторонней нейтральной жидкостью (например азотом) и холодным газом. Охлаждение систем заправки горючим (жидкий водород, СПГ) должно проводиться после соответствующей подготовки коммуникаций и баков газом, исключающей взрывоопасные ситуации.

При проведении охлаждения необходимо провести ряд технологических операций и мероприятий, способствующих смягчению негативного воздействия протекающих процессов на систему. Поэтому операция захолаживания начинается с подачи жидкости самотеком при открытых дренажных устройствах, что ограничивает расход, затем последовательно включают насосные агрегаты. Жидкость подается в коммуникации частично, часть продукта отводится из системы по обводным линиям, и так далее. Для каждого конкретного случая разрабатывается технология, обеспечивающая оптимальные условия захолаживания системы.

С целью определения времени охлаждения, количества продукта, необходимого для охлаждения, а также амплитуды колебания давлений в системе, проводится расчет режима охлаждения.

Время охлаждения определяется с помощью балансовых уравнений сохранения энергии и массы, а также уравнений движения на теплом и охлажденном участках.

Рассмотрим некоторые принципиальные вопросы, возникающие при охлаждении заправочной системы и баков ракеты.

Для этапа охлаждения стенок магистралей и баков характерна интенсивная регенерация пара. Это вызвано тем, что из-за высокой начальной температуры стенок, криогенные жидкости физически не могут существовать в пристенной области и мгновенно превращаются в пар. Стенки устойчиво блокируются паровой пленкой, то есть реализуется пленочное кипение. При последующем значительном понижении температуры стенки сосуда возможен их контакт с жидким криогенным продуктом и пленочное кипение сменяется на пузырьковое, которое при дальнейшем охлаждении сменяется режимом конвективного теплообмена. Температуру поверхности, при которой возможен переход пленочного кипения к пузырьковому, связывают с температурой верхней границы существования криогенного продукта в жидком виде – температурой предельного перегрева, T_пп. Для кислорода она равна 131 К, для азота 107 К, для водорода 28 К [3].

Кипение криогенных жидкостей на этапе охлаждения трубопроводов происходит при различных режимах движения парожидкостной смеси. Охлаждение и заполнение жидкостью криогенных магистралей большой протяженности сопровождается колебаниями расхода и давления, при этом максимальное давление может превысить предельно допустимое. Наиболее опасным, как показали эксперименты, является давление, возникающее при подаче криогенной жидкости в отепленный трубопровод. При этом резко увеличивается скорость потока, превышающая обычную скорость движения в два и более раза, а давление в трубопроводе может в 1,5-2 раза превысить давление на входе [3]. Кроме того, при резких изменениях температуры стенок возникают термические напряжения, которые могут разрушить конструкцию.

Весь период охлаждения, τ, можно условно разделить на два этапа: первый (τ₁) – от начала подачи жидкости и до появления парожидкостной смеси на выходе; второй (τ₂) – от момента появления парожидкостной смеси на выходе до окончания процесса охлаждения (появление жидкости) [3]:

τ = τ₁ + τ₂.

Условно, в зависимости от производительности этапов охлаждения, принято делить трубопроводные сети на три вида – длинные, средние и короткие, в зависимости от относительной длины зоны испарения в трубопроводе. Длина «длинных» трубопроводов намного превышает зону испарения, время появления жидкости на выходе мало отличается от времени полного охлаждения:

где    l – длина трубопровода;

l_и – длина зоны испарения трубопровода.

Трубопроводы средней длины характеризуются тем, что продолжительности отдельных этапов соизмеримы друг с другом. В этом случае

В коротких трубопроводах время появления жидкости на выходе пренебрежимо мало по сравнению с полным временем охлаждения; другими словами, длина трубопроводов изначально мала для полного испарения жидкости:

К длинным трубопроводам относят трубопроводы, длина которых превышает (1,5-2) × 10³ калибров, к коротким – менее 0,5  × 10³ калибров.

Исходя из изложенного, криогенные коммуникационные трубопроводы заправочных систем относятся к первой группе. В связи с этим остановимся только на методах расчета охлаждения «длинных» трубопроводов. Расчетные зависимости для «средних» и «коротких» трубопроводов изложены в литературе [3, 4].

Одним из важнейших условий проектирования криогенных заправочных систем является создание оптимальных условий отвода образующихся паров. Лучшими по условиям отвода пара, в частности при захолаживании системы, являются открытые с обоих концов трубы. Повышение давления в этом случае минимально и зависит от состояния трубы; при увеличении длины или уменьшении диаметра удаление пара через открытый конец усложняется. В тупиковых трубопроводах величина пика давления не зависит от длины трубопровода, и газ можно эвакуировать только обратно в сосуд через открытое заборное устройство на входе. Для участков трубопроводов и других элементов системы, где может находиться криогенная жидкость, должна быть предусмотрена возможность осуществления дренажа паров. Максимальное давление в криогенных системах зависит от давления и температуры жидкости на входе. С ростом давления и понижением температуры жидкости на входе давление в трубопроводе увеличивается.

Итак, физические и расчетные модели определения времени охлаждения связаны с относительной длиной зоны испарения, формирующейся в трубопроводе. Расчетные методы определения времени охлаждения длинных трубопроводов основываются на экспериментально установленном факте [4] относительно малой длины зоны испарения по сравнению с общей длиной трубопровода, и, как следствие, достаточно точного совпадения времени появления жидкости на входе с временем охлаждения стенок. Кроме этого, принимается допущение, что поступающая в трубопровод жидкость полностью испаряется и образующийся пар прогревается до первоначальной температуры стенок. Реализуется максимальный прирост энтальпии потока в течение всего периода охлаждения:

где    i – энтальпия;

r – теплота испарения;

Cp_г – теплоемкость газа;

T₀ и T_вх – температура входа и выхода газа.

На основании ряда экспериментов для расчетов по определению времени охлаждения элементов системы и определения необходимого для этого количества криогенного продукта был предложен ряд проверенных эмпирических зависимостей. Для проведения расчетов по этим зависимостям система разбивается на ряд расчетных участков. Границей служит условный фронт раздела жидкости и газа [29].

а) Масса продукта на заполнение участка трубопровода определяется, как:

(3.8.5)

где    D_i – внешний диаметр трубопровода, по которому течет жидкость;

δ_i – толщина стенки трубопровода;

ρ_i – плотность криогенной жидкости;

L_i – длина трубопровода.

б) Масса продукта на захолаживание участка определяется, как:

(3.8.6)

где    M_Ti – масса металла трубопровода;

M_ai – масса арматуры;

Cp_м – теплоемкость металла;

ΔT – разность температур между охлаждаемой стенкой и продуктом;

Cp_г – теплоемкость газа;

r – теплота испарения жидкости;

φ – коэффициент использования тепла паров, обычно φ = 0,85.

В числителе уравнения (3.8.6) показано, сколько требуется холода на охлаждение металла, в знаменателе – столько тепла расходуется на кипение и прогрев 1 кг газа.

Масса металла участка трубопровода определяется по формуле

где    D_вн – внутренний диаметр трубопровода;

δ_i – толщина стенки трубопровода;

ρ_i – плотность металла.

Для определения расхода продукта при захолаживании используются следующие зависимости.

Потери давления:

Здесь P_н – начальное давление, P_к – конечное давление, ΔP_гид – потери давления за счет гидравлики.

Потери давления для жидкости и газа определяются из соотношений:

для жидкости:

(3.8.8)

для газа:

(3.8.9)

В этих формулах G_i – расход жидкости (3.8.8) или газа (3.8.9), ξ_i – гидравлическое сопротивление, R – газовая постоянная, F_i – площадь проходного сечения.

При захолаживании системы необходимо обеспечить пропускную способность системы таким образом, чтобы давление, возникающее в системе, с учетом гидроудара не превышало давления, допустимого в системе и бакс ракеты (если захолаживание наземной системы осуществляется через него). Это может быть достигнуто соответствующим расходом подаваемой жидкости и соответствующим обеспечением дренажа паров.

Такие расчеты удобно проводить с использованием коэффициентов местных гидравлических сопротивлений системы, ξ, разбивая ее на участки, аналогичные тем участкам, на которые система разбивается при гидравлических расчетах (учитываются прямые участки, различные повороты, клапаны, вентили, местные сужения сечений, металлорукава и др.).

Для проведения расчетов необходимы данные о виде криогенного продукта, для которого проводится расчет, начальном и предельном давлении на входе в участок системы, давлении на выходе, скорости повышения давления, температуре окружающей среды, коэффициенте использования газа (обычно 0,85-0,9).

Допустимое повышение давления (гидроудар) определяется, как:

где    P_пр – предельно допустимое давление;

P_р – рабочее давление.

Допустимая скорость в трубопроводе определяется, как:

(3.8.11)

где    α – скорость звука в жидком продукте; ρ_ж – плотность жидкости.

Допустимый расход жидкого продукта определяется, как:

где    F – площадь проходного сечения.

Полученный расход при захолаживании не должен превышать допустимого значения. Результаты расчета проц'есса захолаживания целесообразно сводить в таблицу, в которой указываются значения параметров – время захолаживания, расход захолаживающей жидкости, расход газообразного продукта, масса продукта на заполнение системы, масса продукта на захолаживание, суммарная масса продукта.

Полученные расчетные результаты уточняются в процессе отладки системы, автономных и комплексных испытаний. Окончание захолаживания определяется по времени его проведения и по показаниям датчика температуры на входе в наполнительное соединение ракеты, а захолаживание бака ракеты – по установленному на дренажном устройстве датчику температуры, показания которого не должны превышать более чем на 2-5° температуру кипения заправляемого компонента топлива.

Заправка баков РКН

Заправка баков РКН осуществляется из резервуаров хранилища заправочной системы по магистральным трубопроводам с соответствующей арматурой и контрольно-измерительными приборами. Для обеспечения заправки необходимы побудители расхода. Ими могут быть насосные агрегаты или газ наддува. Давление, создаваемое в системе, должно обеспечивать преодоление возникающих сопротивлений в заправочной системе, сопротивления коммуникаций и бака ракеты, высотных отметок, а также давление, которое выше давления насыщенных паров с тем, чтобы обеспечить однофазное течение жидкости по трубопроводам. В качестве газа наддува в заправочных криогенных системах используют, в основном, газифицированные рабочие продукты.

Заправка баков ракеты начинается с наддува резервуаров, необходимого для выдачи продукта. В зависимости от принятого побудителя расхода давление в резервуарах повышается:

• при насосной заправке – до величин, необходимых для обеспечения бескавитационной работы насоса с учетом перепада давлений на нижнем уровне жидкости в резервуаре и на высотной отметке насосного агрегата;
• при вытеснительной подаче – до величин, компенсирующих потери в системе и разности в высотных отметках столба жидкости в резервуаре и баке ракеты с учетом давления, поддерживаемого в баке ракеты.

При выдаче криогенных продуктов в резервуарах образуется комплекс взаимосвязанных процессов: перемешивание, теплообмен с зеркалом жидкости и со стенками резервуара, образование и стекание пленки конденсата, движение зеркала жидкости вниз.

На рис. 3.8.1 и 3.8.2 величина H_кр – критическая высота, при которой газ начинает поступать в сливную трубку. На расход газа наддува и прогрев жидкости большое влияние оказывает конденсация газа на поверхности жидкости. Кроме этого, необходимо исключить динамическое воздействие газовой струи на жидкость и образование воронки над патрубком забора жидкости из резервуара. Для этого предусматриваются различные устройства.

Проведенный теоретический анализ и экспериментальные работы показали [4], что за время выдачи продукта при заправке основная масса жидкости в резервуаре практически сохраняет первоначальную температуру и только верхний, сравнительно тонкий слой, имеет более высокую температуру, что практически не сказывается на температуре продукта при его выдаче.

Наддув резервуаров для обеспечения выдачи продукта осуществляется газообразным продуктом, в большинстве случаев получаемым в испарителях за счет тепла окружающей среды и являющихся неотъемлемой частью обвязки резервуара.

Расход газа на вытеснение, а также температурные и скоростные поля в паровом пространстве определяются путем решения систем балансовых уравнений. Решить задачу удастся, если считать, что теплоотдача от газа к стенкам определяется по зависимостям для свободной конвекции, а теплопередача вблизи раздела фаз осуществляется путем теплопередачи.

Рис.3.8.1. Типичные конструктивные схемы коллекторов для выдачи газа: 1 – в вертикальных цилиндрических и сферических сосудах: 2, 3 – в горизонтальных цилиндрических сосудах		Рис.3.8.2. Типичные конструктивные схемы заборных устройств в криогенных резервуарах: а – цилиндрический гаситель вихревой воронки; б – тарель; в – расширенный патрубок при верхней выдаче жидкости

Принимают, что температура жидкости на поверхности раздела фаз равна температуре насыщения, соответствующей давлению в паровом пространстве, а газ наддува имеет тот же состав, что и жидкость [4]. При ряде допущений для практических расчетов можно принять [29].

Суммарная масса газа для наддува резервуара:

где    M_н – масса газа, заполняющего подушку емкости;

M_ст – масса газа, сконденсировавшаяся на стенках сосуда при нагревании ее от начальной температуры до температуры конденсации;

M_по – масса газа, сконденсировавшегося на стенках сосуда в призеркальной области;

M_з – масса газа, сконденсировавшегося на зеркале жидкости.

Определим каждую из этих составляющих:

(3.8.14)

где    R_г – газовая постоянная;

P_п – давление в подушке;

V_п – объем в подушке;

T_п – температура в подушке;

M_ост – масса газа, заполняющего подушку резервуара в первоначальный момент.

(3.8.15)

где    Q_ст – количество тепла, получаемое стенкой резервуара над зеркалом жидкости при нагревании ее от начальной температуры, T_н, до температуры конденсации T_к.

(3.8.16)

где    q – тепловой поток, определяющий количество тепла, переданное по боковой поверхности пояса в процессе конденсации;

ΔF_б– боковая поверхность резервуара;

r – теплота парообразования;

τ – время наддува.

(3.8.17)

где    q_п – тепловой поток, прошедший через поверхность зеркала жидкости за время Δτ;

F – поверхность зеркала жидкости.

Расход газа наддува в каждый момент времени определяется, как:

(3.8.18)

При проведении расчета с использованием указанных выше зависимостей используются данные, которые должны быть известны заранее – вид рабочего продукта, тип резервуара, диаметр внутреннего сосуда, вместимость сосуда, масса внутреннего сосуда, начальный коэффициент заполнения (обычно 0,9), конечный коэффициент заполнения (до 0,05), время предварительного наддува, начальное давление в сосуде, расход при выдаче продукта.

Расчетным путем определяется зависимость максимального (G_max) и среднего (G_ср) за процесс массового расхода газа наддува, как функции темпа выдачи жидкого продукта (G) из резервуара, температуры газа наддува (T_н) и давления наддува (P_н).

Время наддува подушки резервуара определяется, как:

(3.8.19)

где    G – расход газа наддува.

Производительность испарителей должна обеспечивать необходимый расход газа наддува при самых неблагоприятных климатических условиях (для кислорода – T_окр = 233 К и выходная температура газа T =  125-220 К).

а) Заправка с помощью насосов

Для обеспечения заправки баков РКН в состав системы заправки включаются насосные агрегаты, обычно монтируемые в хранилище компонентов топлива ниже резервуаров системы.

Для исключения кавитации насосов (срыва подачи заправляемого продукта), а также их охлаждения перед пуском, используется над дув резервуаров до относительно небольшого давления (порядка 1-1,5 кгс/см²) и заглубление насосов относительно резервуаров. Для обеспечения заданных расходов подачи, выполнения требований по изменению расходов подачи жидкости при захолаживании наземной системы и баков ракеты, а также при переходе на малый расход в состав системы вводятся параллельно или последовательно включаемые несколько насосов. За счет их последовательного включения облегчается возможность относительно безударного захолаживания системы и спокойного перехода на малый расход. При параллельном соединении насосов необходимо учитывать, что их производительность не складывается, а зависит от характеристик (складываются характеристики).

Регулирование характеристик подачи может быть достигнуто изменением рабочей точки (линии пересечения характеристики насоса и гидравлической сети), обеспечиваемое за счет изменения характеристики сети или отключения одного или нескольких насосов.

б) Заправка вытеснением

Вытеснительная подача компонентов топлива в баки ракеты применяется довольно часто, особенно при относительно малых количествах заправляемых компонентов. Давление, создаваемое парами компонента, подаваемого от испарителя системы или от стороннего источника (иногда для вытеснения могут быть использованы другие виды газа, например азот или гелий), должно обеспечить преодоление сопротивлений наземной системы заправки и баков ракеты и создавать необходимое давление в последних. Естественно, что резервуары в этом случае должны быть рассчитаны на повышенное давление и, следовательно, иметь более толстые стенки (или быть выполнены из более прочного металла), чем при насосной заправке, что отрицательно сказывается на их стоимости.

На рис. 3.8.3 показана схема наддува емкости парами хранимого продукта, широко применяемая в криогенной технике. Компонент для наддува отбирается из резервуара-хранилища и самотеком поступает в испаритель, где за счет тепла окружающей среды газифицируется. Возможна и подача газа наддува в резервуары от стороннего источника, из специального испарительного агрегата или от баллонных батарей высокого давления через редуктор давления (рис. 3.8.4).

Рис.3.8.3. Схема наддува емкости собственными парами: В – регулировочный вентиль: То – теплообменник-испаритель; К – магистральный трубопровод		Рис.3.8.4. Схема наддува с подачей газа через редуктор давления: Бл – баллоны со сжатым газом; В1 – запорный вентиль; Ф – фильтр; К1 – закрытый пневмоклапан; РД – редуктор давления газа; КО – обратный клапан; Кп – предохранительный клапан; Мб – мембрана прорыва; Кд – дренажно-предохранительный клапан емкости ЗС; Рд – реле давления; М – манометр; В2 – регулировочный вентиль заправочной магистрали

Как вытеснительный, так и насосный способы подачи обеспечивают транспортировку криогенного компонента с заданным расходом и необходимым давлением.

К преимуществам насосного способа подачи компонента топлива следует отнести:

• минимальное давление, которое необходимо создать в резервуаре только для обеспечения бескавитационной работы насоса;
• возможность закольцовки газовых подушек бака ракеты и резервуара заправочной системы;
• возможность регулирования производительности путем отключения одного или нескольких насосных агрегатов или изменения характеристик трубопроводов сети.

Недостатками насосного способа подачи компонента являются:

• необходимость подачи электроэнергии установленной мощности для обеспечения работоспособности насосов;
• необходимость расположения насосов в непосредственной близости от резервуаров хранилища и их заливки (охлаждения) перед запуском;
• ограниченная номенклатура существующих насосов.

К преимуществам вытеснительного способа подачи компонента топлива следует отнести:

• независимость заправочной системы от внешней электросети;
• неограниченные возможности по производительности;
• возможность регулирования производительности системы в широком диапазоне за счет регулирования давления наддува.

К недостаткам такого способа относятся:

• высокое давление, создаваемое в основных резервуарах хранилища;
• невозможность закольцовки газовых полостей баков ракеты и резервуаров наземной системы;
• усложнение, а иногда и необходимость создания новых средств, обеспечивающих подачу в резервуары газа наддува;
• большой объем сбрасываемой в атмосферу парогазовой смеси при приведении системы в исходное положение.

В конечном счете из рассматриваемых вариантов в каждом конкретном случае выбор способа заправки определяется с учетом выполнения требований, заданных в ТЗ на систему, исходных данных разработчика РКН и минимальных средств, необходимых на ее создание.

3.8.3. Тепловые и гидравлические расчеты

Заправочные системы на СК, выполненные для криогенных систем окислителя и горючего, отличаются друг от друга конструктивными решениями. При обеспечении требований к ним, выданных разработчиками РКН и СК, они, как правило, имеют свои длины и диаметры коммуникаций, другую номенклатуру арматуры и КПА, теплоизоляцию расходных емкостей, коммуникаций и т.д.

Поэтому для определения оптимального варианта при разработке новых криогенных средств заправки требуется проведение тепловых и гидравлических расчетов по каждой системе заправки в целом и отдельным се составляющим частям.

Тепловые расчеты

Целью теплового расчета криогенной системы заправки является определение прогрева заправляемого продукта при его подаче в баки РКН. Проведение такого расчета вызвано двумя обстоятельствами – необходимостью обеспечить заданную температуру продукта на входе в ракету и обеспечить однофазное течение жидкости по трубопроводам. При расчетах принимается, что система полностью захоложена до температуры жидкого продукта.

Суммарный прогрев жидкости складывается из прогрева жидкости за счет теплопритоков из окружающей среды и прогрева за счет гидравлических потерь в коммуникациях:

Прогрев жидкости за счет теплопритоков из окружающей среды определяется, как:

где    ΣQ – суммарный теплоприток к системе из окружающей среды;

G – расход компонента топлива;

Cр – теплоемкость продукта.

Прогрев жидкости за счет гидравлических потерь определяется по формуле:

(3.8.22)

где    ΔP – потери давления (определяются в ходе гидравлического расчета системы);

ρ – плотность продукта.

Для удобства расчета заправочная система разбивается на отдельные участки. Теплопритоки к каждому участку и к каждому элементу системы определяются раздельно, а затем суммируются. Ниже приводятся формулы для расчета теплопритоков через некоторые элементы систем заправки.

Теплоприток через изоляцию трубопроводов и рукавов определяется, как:

(3.8.23)

Здесь λ – расчетный коэффициент теплопроводности термоизоляционного слоя.

Принимают: для порошково-вакуумной изоляции λ = 2,1 × 10^-3 Вт/м × К; для экранно-вакуумной изоляции λ = (1,1-1,2) × 10^-3 Вт/м × К; для невакуумной изоляции АТИМС-10 λ = 4,2 × 10^-3 Вт/м × К; АТИМ-3-15 λ = 3,5 × 10^-3 Вт/м × К.

Более точные данные по коэффициентам в зависимости от давления, количества слоев изоляции и других факторов указаны в литературе [6]:

T_ос – расчетная температура окружающей среды (обычно принимают T_ос = 323 К);

T_к – температура компонента;

d_н и d_вн – наружный и внутренний диаметры изоляции;

l – длина.

Величина теплопритока, проходящего через сильфон, определяется как сумма:

где     – теплоприток, проходящий через сильфон;

– теплоприток через изоляцию;

λ – теплопроводность материала сильфона (для стали 12Х18Н10Т  λ = 13,18 Вт/м × К);

– площадь поперечного сечения сильфона;

D_н.с. и D_вн.с. – оответственно наружный и внутренний диаметры сильфона;

S – толщина стенки сильфона;

– развернутая длина сильфона, м,

где    l – длина сильфона;

D – диаметр кожуха;

n – число гофр по длине сильфона;

λ₁ = 1,3 × 10^-2 Вт/м × К – коэффициент теплопроводности остаточных газов при P = 10^-2 мм. рт. ст.

Для практических целей ввиду ее малости тепловым излучением можно пренебречь.

Теплоприток по опорным элементам коммуникаций (пальчиковые опоры) определяется, как:

,

(3.8.25)

где    λ – коэффициент теплопроводности опор (для текстолита λ = 0,30 Вт/м × К).

– площадь сечения опоры;

d – диаметр опоры, l – расчетная длина опоры;

ΔT = T_н – T_ж – разность наружной и внутренней температур.

Теплоприток по арматуре в первом приближении определяется, как сумма:

где     – теплоприток через вакуумную изоляцию;

λ – коэффициент теплопроводности остаточного воздуха в изоляции при вакууме (для воздуха λ = 1,3 × 10^-2 Вт/м × К);

l₁ –длина внутренней трубы (меньшей);

D₁ –диаметр кожуха;

d₁ –наружный диаметр внутренней трубы (меньшей); l₂ –длина внутренней трубы;

d₂ – наружный диаметр внутренней трубы (большей);

ΔT = T_н –T_ж – разность наружной и внутренней температур;

– теплоприток по штоку;

где    R – термическое сопротивление штока на единицу площади;

где i – количество элементов, передающих тепло;

λ_i – коэффициент теплопроводности материала (для стали 12Х18НТЛ λ = 13,18 Вт/м × град, для текстолита λ = 0,3 Вт/м × град);

l_i и F_i – соответственно длина и площадь сечения элементов.

С расчетами теплопритоков через другие элементы систем можно ознакомиться в литературе [2, 4, 5, 31 ].

Величины теплопритоков отдельных элементов и частей системы для удобства обычно сводят в таблицы. При суммировании величин теплопритоков для учета неучтенных потерь вводят коэффициент 1,3-1,5.

Как показывают расчеты и опыт работ с криогенными заправочными системами, основной прогрев транспортируемой по системе заправки жидкости соответствует прогреву от теплопритоков из окружающей среды. Прогрев от гидравлических потерь несоизмеримо мал.

Величина прогрева продукта в системе заправки определяется по формуле:

,

(3.8.27)

где    q_Σ – суммарный теплоприток к продукту, C_р – средняя теплоемкость, G – расход жидкости при заправке (минимальный).

Температура жидкого компонента на входе в наполнительное соединение системы заправки с ракетой определяется:

где    T_рез  – температура в резервуаре заправочной системы, ΔT_пр – температура прогрева.

Величина давления, создаваемого системой при оптимальном режиме заправки, должна обеспечивать однофазное прохождение жидкости по системе:

где    P_рав – давление, равновесное температуре жидкого компонента на входе в ракету, ΔP – потери давления в системе при заправке, ΔZ – разность высотных отметок баков ракеты и резервуара наземной системы, g = 9,81 м/с ² – ускорение силы тяжести, ρ – плотность жидкости.

Термодинамические свойства жидкого кислорода, водорода, метана, азота на линии насыщения (теплоемкость, теплосодержание, теплота испарения, энтропия, объем, давление в зависимости от температуры) и уравнения зависимости давления насыщенных паров от температуры для различных криогенных продуктов приведены в литературе.[12].

Для упрощения и удешевления конструкции заправочных систем заправку на «большом» и «малом» расходе стараются вести по одним тем же заправочным магистралям. Переключение расходов осуществляется по электрическим командам с борта ракеты (система контроля уровня – СКУ) при достижении заданного уровня продукта в баке.

Обеспечивать подачу криогенных компонентов топлива в баки ракеты по весовому принципу не удается, так как чрезвычайно трудно контролировать количество образующихся и улетучивающихся паров этих продуктов в процессе проведения заправки.

При заправке на «малом» расходе по трубопроводам, рассчитанным и на «большой» расход, прогрев продукта будет, естественно, большим, и здесь вероятно появление двухфазного потока из-за теплопритоков, что крайне нежелательно. Поэтому необходимо особо тщательно рассчитывать вероятность прогрева жидкости в системе и контролировать температуру продукта при входе в наполнительное соединение с ракетой на «малом» расходе заправки при испытаниях системы. Если обнаружится, что теплопритоки приводят к двухфазному потоку заправляемой жидкости, необходимо принять конструктивные меры к недопущению этого явления. Решений может быть несколько:

• повышение давления выдачи с целью переохлаждения всей массы заправляемой жидкости;
• охлаждение жидкости ниже температуры ее кипения при атмосферном давлении;
• установка при заправке ракеты на трассе потока жидкости местного охладителя жидкости, например теплообменника с жидким азотом, водородом и т.д. в зависимости от заправляемого компонента топлива и конкретных условий.

В принципе не исключается и введение в систему трубопроводных линий меньшего диаметра для заправки на «малом» расходе. При принятии такого решения исходят из экономических соображений, простоты и надежности конструкции системы.

Гидравлические расчеты

Гидравлический расчет заправочной системы заключается в определении напора, позволяющего обеспечить заданный расход компонента топлива при его подаче в емкость.

Криогенные системы, как уже отмечалось, отличаются от высококипящих тем, что в них возможны двухфазные потоки «жидкость – пар» с вытекающими отсюда негативными последствиями. Если же заправляемая однофазная криогенная жидкость, например перегретая или охлажденная, и она протекает по захоложенным коммуникациям, то для расчетов могут быть применены те же положения и расчетные зависимости, которые применяются в гидравлических расчетах систем заправки высококипящими жидкостями.

Из гидравлики известно, что напор, создаваемый побудителем расхода, выражается уравнением Бернулли. Несколько преобразовав это уравнение, можно определить расход, обеспечиваемый его побудителем (насосы, вытеснение газами) [20].

Для решения гидравлической задачи необходимо определить коэффициент трения λ, характеризующий удельные потери механической энергии потока на перемещение жидкости по трубопроводу.

Характеристикой режима движения жидкости, как известно, является критерий Рейнольдса:

,

(3.8.30)

где    ϑ – скорость потока; ρ – плотность жидкости; d – диаметр трубопровода; μ – динамическая вязкость.

При Re < 2300 имеет место ламинарный режим течения; при 2300 < Re < 4000 – переходный режим течения; при Re > 4000 – турбулентный режим течения.

Из гидравлики известно, что для ламинарного потока (Re ≪ 2300) коэффициент трения λ_тр,  в зависимости от числа Re можно получить расчетным путем по формуле Пуазейля:

,

(3.8.31)

В области гидравлически гладких труб (числа Рейнольдса от 4000 до 80 , где    K_ш – абсолютная шероховатость трубопровода, r – радиус трубопровода), для которых микронеровности стенки трубопровода меньше толщины вязкого подслоя и шероховатость не оказывает влияния на коэффициент трения, коэффициент сопротивления определяется по формуле Блазиуса:

,

(3.8.32)

В переходной зоне (2300 < Re < 4000) получить устойчивые значения λ_тр, не удастся. Поэтому вводится зависимость коэффициента трения от шероховатостей труб.

Для шероховатых труб (числа Re в пределах 80 - 1000 ), где на величину потерь напора влияет дополнительная турбулизация потока микронеровностями стенки трубопровода, коэффициент сопротивления трения определяется по формуле Альтшуля:

,

(3.8.33)

Имеется зона, называемая квадратичной, где коэффициент λ_тр зависит только от относительной шероховатости и не зависит от числа Рейнольдса. Для этой зоны коэффициент трения определяется по формуле:

,

(3.8.34)

где    g – ускорение силы тяжести.

Другим параметром для проведения гидравлических расчетов является коэффициент местного сопротивления ξ.

На пути жидкости к потребителю происходят изменения размеров и конфигураций русла потока, а также изменения направления движения жидкости; наблюдается отрыв струй потока; возникают вихри. Учитывают эти явления с помощью коэффициентов местного сопротивления ξ, которые определяют экспериментально. Наиболее полно величины ξ для различных элементов систем приведены в литературе  [17]. Там же указаны коэффициенты местных сопротивлений при течении жидкости за счет трения и шероховатостей в прямых трубах и каналах, на входных участках, при внезапном расширении потока; за счет изменения величины скоростей потока у шайб, диафрагм, диффузоров, проемов; приводятся коэффициенты сопротивления изогнутых труб, колен, отводов, при слиянии потоков, при движении жидкости через арматуру, лабиринты и многое другое. Учитывая, что при расчетах нельзя полностью учесть взаимное влияние всех элементов системы, окончательное сопротивление системы на различных режимах работы уточняется проливной системы водой и натурным продуктом при отладке и испытаниях заправочных систем и ее отдельных элементов.

Заправочные системы выполняются как при последовательном соединении групп трубопроводов, так и при их параллельном соединении.

Последовательное соединение – когда конец одного трубопровода соединяется с началом другого, и через все соединенные трубопроводы проходят одинаковые расходы:   Q = Q₁ = Q₂ = ... = Q_n. а сопротивление в них равно сумме потерь напоров в каждом: Σ H₁ = H₂ = ... = H_n.

Параллельное соединение – когда концы трубопроводов объединены в узлы, к одному из них жидкость подводится, а от другого отводится. В таких соединениях расходы суммируются и распределяются обратно пропорционально их гидравлическим сопротивлениям; Q = Q₁ + Q₂ + ... + Q_n. Падение напора при таком соединении равно разности напоров в узловых точках: H₁ = H₂ = H₃ = ... = H_n.

В реальных системах практически всегда имеется разветвленная сеть трубопроводов, состоящая из последовательных и параллельных соединений. Жидкость из резервуара подастся по трубопроводу к узлу, от которого она по отдельным трубопроводам попадает к потребителю, идет на байпас, в дренаж и т.п.

Для разветвленного трубопровода справедливы следующие положения:

• сумма расходов через все ветви узла равна расходу, подведенному к узлу;
• расход через каждую ветвь зависит от давления в узловой точке, гидравлической характеристики каждой ветви и противодавления на выходе из каждой ветви.

При проведении гидравлических расчетов систему разбивают на приемлемые для расчетов участки. На рис. 3.8.5, 3.8.6 и 3.8.7 показаны возможные соединения трубопроводов.

Потерю напора по длине трубопровода любого сечения можно определить по формуле:

,

(3.8.35)

где    Σξ – суммарный коэффициент гидравлических сопротивлений;

G – расход жидкости;

ρ – плотность жидкости;

F – площадь проходного сечения трубопровода.

Рис.3.8.5. Последовательное соединение трубопроводов: а – схема соединения; б – характеристика соединения		Рис.3.8.6. Параллельное соединение трубопроводов: а – схема соединения; б – характеристика соединения		Рис.3.8.7. Разветвленный трубопровод: а – схема трубопровода: б – характеристика соединения

Суммарный коэффициент гидравлического сопротивления системы складывается из коэффициента сопротивления трения трубопровода и суммы коэффициентов местных сопротивлений:

Коэффициент сопротивления трению в трубопроводе определяется, как:

,

(3.8.37)

где    λ – коэффициент сопротивления трению единицы относительной длины трубопровода; l – длина трубопровода.

Суммарный коэффициент трения единицы относительной длины трубопроводов зависит от режима течения жидкости по трубопроводам, а поскольку трубопроводы в системе на различных участках сети могут отличаться друг от друга, для расчетов коэффициенты гидравлических сопротивлений приводятся к одному диаметру, например d_y = 100 мм по формуле:

,

(3.8.38)

где    ξ_Σi– суммарный коэффициент гидравлического сопротивления данного (i-го) элемента;

F₁₀₀ – площадь сечения при d_y = 100 мм (если коэффициент приводится к d_y = 100 мм);

F_i – площадь сечения данного (i-го) элемента.

При последовательном соединении участков трубопроводов коэффициенты сопротивления, ξ, суммируются, а при параллельном определяются, как:

,

(3.8.39)

где    ξ₁, ξ₂  и т. д. – коэффициенты сопротивления отдельных участков.

Рабочую точку гидравлической системы при насосной заправке можно определить графически. На суммарную характеристику магистрали в координатах H и Q наносятся характеристики H – Q центробежного насоса; точка пересечения кривых – эго рабочая точка системы.

3.8.4. Гидравлические удары

Гидравлическим ударом называется комплекс явлений, происходящих при резком изменении скорости движения жидкости, вследствие чего в жидкости возникает колебательный процесс, сопровождающийся поочередными резкими то повышением, то понижением давления в короткий промежуток времени. При гидроударе для каждой жидкости имеет место своя сжимаемость. Для криогенной жидкости, ввиду наличия зон с паровой фазой и других особенностей, гидроудар сказывается особенно остро.

Физически процесс гидроудара можно представить так: если перекрыть движение жидкости, то кинетическая энергия движения перейдет в работу деформации жидкости и стенки трубы с преградой. На заторможенные частицы жидкости набегают и останавливаются последующие. Возникают сложные колебательные движения, возможны резонансные явления, при этом выделяется тепло, что делает жидкость более сжимаемой.

	Рис.3.8.8. Разрушение системы заправки «Сатурн -5»

В криогенных системах указанные явления усугубляются специфическими свойствами продукта. Эти явления связаны с различными формами образования паровой фазы и ее поведением на переходных режимах работы системы, наличием паровых полостей в тупиковых отводах и застойных зонах при транспортировании недогретой жидкости, где местная скорость недостаточна. Гидродинамические и теплообменные процессы при образовании и заполнении паровых полостей зависят от температуры жидкости, пара и стенок конструкции, от размеров паровых полостей. Давление, возникающее при гидроударе, существенно (в несколько раз) превышает рабочие давления, что может привести к серьезным последствиям, вплоть до разрушения системы. Далее, из-за потерь энергии вследствие трения и ее рассеивания, колебания постепенно затухают.

Гидроудары в криогенных системах приводили к серьезным негативным последствиям. Так, произошла серьезная авария, вызванная гидроударом, при эксплуатации системы заправки жидким кислородом американской ракеты «Сатурн – 5» . Во время открытия пневмоклапана d_y = 320 мм, установленного на выходе из сферического резервуара системы, произошло разрушение магистрали заправки (рис. 3.8.8). Анализ показал, что перед затвором образовалась паровая полость длинной 7,5 м. При открытии затвора газ был сброшен, и столб жидкости начал интенсивно разгоняться под действием давления газа при малом сопротивлении части магистрали, заполненной жидкостью. К моменту подхода жидкости к затвору, последний был открыт лишь на 20 %, что вызвало интенсивное торможение потока. Под действием потока жидкости диск затвора, имеющий эксцентриситет оси, повернулся и перекрыл сечение полностью. Возникшее при этом давление в несколько раз превысило допустимое, что и привело к аварии.

Рис.3.8.9. Разрушение пневмоклапана под действием гидроудара при открытии: а – вырыв заплечников поршня; б – разрушение корпуса; в – деформация сильфона

В нашей стране с целью исключе­ния раз­ру­ше­ний крио­ген­ных сис­тем бы­ли про­ве­де­ны серь­ез­ные на­уч­но-ис­сле­до­ва­тель­ские и экс­пе­ри­мен­таль­ные ра­бо­ты, ко­то­рые поз­во­ли­ли выя­вить при­чи­ны этих яв­ле­ний и вы­дать ре­ко­мен­да­ции по сни­же­нию гидро­уда­ров в реаль­ных крио­ген­ных сис­те­мах [3, 4].

В пер­вом приб­ли­же­нии при рас­смот­ре­нии воп­ро­са гидро­уда­ров в крио­ген­ных сис­те­мах мож­но ог­ра­ни­чить­ся рас­смот­ре­нием сле­ду­ющих про­цес­сов: не­уста­но­вив­шие­ся про­цес­сы, воз­ник­шие в ту­пи­ко­вых от­во­дах; про­цес­сы, воз­ни­ка­ю­щие при зак­ры­тии кла­па­на, и про­цес­сы, воз­ни­ка­ю­щие при от­кры­тии кла­па­на.

На ма­гист­ра­лях сис­те­мы всег­да вы­нуж­ден­но име­ют­ся учас­тки тру­бо­про­во­дов, ко­то­рые в опре­де­лен­ный пе­ри­од ста­но­вят­ся ту­пи­ко­вы­ми. Учи­ты­вая неиз­беж­ные теп­ло­при­то­ки, из­бе­жать на­ли­чия па­ро­вой по­ло­сти здесь прак­ти­чес­ки не уда­ется. При пе­ре­ход­ных ре­жи­мах в сис­те­ме воз­рас­та­ет дав­ле­ние, про­исхо­дит ин­тен­си­вное за­пол­не­ние па­ро­вых по­ло­стей, уси­ли­ва­ются теп­ло-мас­со­об­мен­ные про­цес­сы на гра­ни­це раз­де­ла фаз. Все это при­во­дит к воз­ник­но­ве­нию гидро­уда­ра, ам­пли­ту­да ко­то­ро­го мо­жет быть на по­ря­док боль­ше, чем пер­во­на­чаль­ное воз­му­ще­ние. Схе­ма ту­пи­ко­во­го от­во­да с кла­па­ном по­ка­за­на на рис. 3.8.11.

Рис.3.8.10. Характер разрушения сильфонов

Процессы, возникающие в тупиковых отводах, детально анализировались рядом ученых [4]. Показано, что неустановившиеся процессы, возникающие при заполнении тупиковых отводов, носят сложный характер, не поддаются простому расчету и зависят от целого ряда факторов. Они связаны с первоначальным импульсом возмущения, разгоном и последующим торможением потока жидкости, а также сжатием пара, который в результате тепло- и массообменных процессов на границе раздела фаз сложным образом взаимодействует с жидкостью. Развитая и высокотурбулентная поверхность раздела фаз, большая степень недогрева жидкости до равновесной температуры, а также малая теплота конденсации могут привести к интенсивной конденсации пара и, следовательно, к реализации гидроудара с близким к предельной амплитуде давлением.

	Рис.3.8.11. Схема вертикального тупикового отвода с клапаном

Экспериментально показано, что тупиковые отводы малой протяженности (5 - 1 калибров), опущенные вертикально вниз или наклоненные под достаточно острым углом к вертикали, под действием силы тяжести заполняются жидкостью, поэтому величина гидроудара здесь либо минимальна, либо отсутствует вовсе. Это обстоятельство необходимо учитывать при проектировании заправочных систем.

Интенсивные динамические нагрузки, то есть вторичные гидроудары, в тупиковых отводах имеют место, если время действия импульса первоначального возмущения достаточно для заполнения жидкостью паровой фазы и для пробега акустической волной тупикового отвода. Выражение, позволяющие оценить соотношение длин магистрали, L_маг:, и отвода, L_отв, при котором реализуется вторичный гидроудар максимальной величины, определяется формулой:

,

(3.8.40)

где    ΔP – величина первичного гидроудара;

α – скорость звука в жидкости;

W – скорость при минимальном прогреве продукта;

p – давление в системе;

ξ – приведенное сопротивление отвода, учитывающие сопротивление входа и усредненное значение распределенного сопротивления:

где    λ_ж и λ_отв – коэффициенты теплопроводности соответственно жидкости и газа.

В табл. 3.8.1 приведены значения гидроудара в основной магистрали и в тупиковом отводе, которые можно использовать как ориентировочные при проектировании [4].

Таблица 3.8.1

Сила гидроудара в основной магистрали и в тупиковом отводе

Перекрытие проходного сечения магистрали запорно-регулирующей арматурой происходит в заправочных системах, в основном, на стационарном режиме транспортирования однофазной криогенной жидкости. Торможение потока определяется законом перекрытия проходного сечения и временем пробега акустической волной двойной длины магистрали от источника подачи до запорного устройства. Здесь применимы расчетные модели определения гидроудара для высококипящих жидкостей.

В рассматриваемых системах заправки протяженность магистрали до клапана обычно большая (блок клапанов находится непосредственно у ракеты), и время перекрытия проходного сечения определяется по формуле:

Изменения в законе перекрытия проходного сечения не оказывают существенного влияния на амплитуду гидроудара, изменяя только импульс давления j = Pτ. Для магистралей средней протяженности, иногда встречающихся в заправочных системах, закон перекрытия сечения для смягчения гидроудара является определяющим. В этом случае необходимо уделять особое внимание потокоуправляемостн арматуры. Показано, что наиболее эффективным является установка клапана таким образом, чтобы в процессе перекрытия проходного сечения тарель клапана двигалась против потока, то есть чтобы она автоматически отслеживала процесс, уменьшая амплитуду давления. Повышение потокоуправляемости клапана может быть достигнуто также путем увеличения эффективной площади поверхности тарели и объема газовых полостей в пневмоцилиндре, а также изменением коэффициента сопротивления пневмоклапана. Реальным решением проблемы уменьшения величины гидроудара в криогенной системе заправки является предварительное уменьшение скорости потока путем воздействия на источник расхода и использования арматуры с более длительным (но допустимым!) временем срабатывания.

В целом закон оптимального срабатывания пневмоарматуры определяется как его конструктивными особенностями, так и переменной нагрузкой на тарсль, вызванной перепадом давления из-за изменения в процессе срабатывания его сопротивления и волновыми процессами в магистрали при торможении потока жидкости.

Зависимость величины гидроудара от расположения запорного устройства при других равных условиях можно оценить по величине отношения сопротивления всей магистрали к сопротивлению участка магистрали до запорного устройства и по динамическим характеристикам потока жидкости [4]. При ряде допущений (площадь проходного сечения запорного элемента постоянна, перепал давления полностью реализуется в скорость потока, заполняющего паровую полость перед клапаном) скорость жидкости, w, определяющая гидроудар в момент ее подхода к клапану, определяется по уравнению:

,

(3.8.41)

где    w_уст – скорость в установившемся режиме;

ξ_маг и ξ_зап – сопротивление всей магистрали и ее части до запорного устройства.

Открытие клапана, установленного в непосредственной близости от источника расхода постоянного давления, связано с опасностью появления гидроудара вследствии малого сопротивления магистрали. Наоборот, если магистраль имеет большую длину, а клапан установлен на значительном расстоянии от источника, повышение давления относительно мало и обычно не превышает давления при закрытии клапана.

Итак, интенсивные динамические нагрузки возникают на следующих этапах заправки: при подходе однофазного потока жидкости к местному сопротивлению, при повышении давления в процессе запирания магистрали, при обратном выбросе парожидкостной смеси в расходный резервуар. Гидроудары, обусловленные взаимодействием однофазного потока жидкости и местного сопротивления, наиболее часто возникают при открытии (закрытии) клапанов для включения в работу различных участков системы.

Пульсации давления большой интенсивности развиваются в длинных магистралях. Значение амплитуды возрастает с длиной магистрали. Для уменьшения колебаний давлений следует сократить длину потока жидкости, образующуюся на этапе первого броска. Это достигается предварительным выравниванием давлений в магистрали и резервуаре хранилища, например самотеком жидкости. Можно подобрать режим открытия запорного устройства с целью сокращения первоначальной подачи жидкости в магистраль, перепуском жидкости на байпас насосного агрегата. Учитывая, что местное сопротивление при паровой фазе приводит к повышению давления, а при жидкой – к понижению, необходимо анализировать расположение элементов системы, создающих эти сопротивления в системе, имея в виду также, что интенсивный гидроудар может возникнуть, если скорость жидкости на подходе к местному сопротивлению будет значительной.

При работе центробежного насоса обратный бросок парожидкостной смеси приводит к срыву насоса. Для защиты насоса от обратных бросков устанавливается обратный клапан. В некоторых случаях можно рекомендовать установку обратного клапана и на магистралях.

Литература

1. Фастовский, В.Г., Петровский. Ю.Г., Ровинский, А.Е. Криогенная техника. – М.: Энергия, 1967.
2. Архаров, А.М., Марфенина, И.В., Микулин. Е.И. Криогенные системы, в 2-х томах. – М.: Машиностроение, 1988.
3. Беляков, В.П. Криогенная техника и технология. – М.: Энергоиздат, 1982.
4. Филин, Н.В., Буланов. А.Б. Жидкостные криогенные системы. – Л.: Машиностроение, 1985.
5. Романенко, Н.Т., Куликов, Ю.Ф. Криогенная арматура. – М.: Машиностроение, 1978.
6. Коганер, М.Т. Тепловая изоляция в технике низких температур. – М.: Машиностроение, 1966.
7. Паушкин, Я.М. Жидкие и твердые химические ракетные топлива. – М.: Наука, 1978.
8. Паушкин. Я.М. Химия реактивных топлив. – М.: Наука, 1983.
9. Андреев. В., Борисов, В., Климов, В., Малышев, В., Орлов, В. Внимание: газы // Криогенное топливо для авиации. – М.: Московский рабочий, 2001.
10. Наземный комплекс получения, хранения и заправки самолетов СПГ // Техпредложение КБ общего машиностроения им. В.П. Бармина. – М., 1992.
11. Предложения по развитию производства и использованию СПГ в Российской Федерации с технико-экономическим обоснованием // Отчет по НИР КБ общего машиностроения им. В.П. Бармина. – М., 2000.
12. Малков, М.П., Данилов, И.Б., Зельдович, А.Г., Фрадков, А.Б. Справочник по физико-техническим основам глубокого охлаждения. – М.: Госэнергоиздат, 1963.
13. Глизманенко, Д.Л. Справочник «Кислород». – М.: Металлургия, 1967.
14. Архаров, А.М., Беляков, В.П., Микулин. Е.И. и др. Криогенные системы. – М.: Машиностроение, 1987.
15. Кутатуладзе, С.С., Борешанский, В.М. Справочник по теплопередаче. – Л.-М.: изд-во ГЭИ, 1959.
16. Исаченко, В.П., Осипова, В.А., Сукамел, А.С. Теплопередача. – M.-Л.: Энергия, 1965.
17. Идечьчик, И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям. – М.: Госэнергоиздат, 1960.
18. Правила безопасности при производстве, хранении и работе с водородом // Межотраслевой руководящий документ. – г. Балашиха: изд-во ОАО «Криогенмаш», 1974.
19. Иванов, Б.А., Розовский, А.С. Безопасность работы с жидким кислородом. – М.: Химия, 1981.
20. Караштин, В.М., Катков, А.Г., Родченко, В.В. Основы проектирования систем наземного обеспечения. – М.: изд-во МАИ, 1998.
21. Методика контроля чистоты и учета накоплений микропримесей в резервуарах хранилища системы 17Г24С // НТЦ «Прикладная химия». – Л.: изд-во ГИПХ, 1985.
22. Общие технологические требования при эксплуатации систем хранения и транспортировки жидкого водорода // Руководящий технический материал и изменение № 1 к нему. – г. Балашиха: изд-во ОАО «Криогенмаш», 1982.
23. Гельперин, И.И., Зеликсони, С.М., Рапопорт, Л.Л. Справочник по разделению газовых смесей методом глубокого охлаждения. – М.: Химиздат, 1953.
24. Кабулашвили, Ш.Н., Бадылкес, И.С., Рютов, Д.Г. и др. Холодильная техника // Энциклопедический справочник, т. 1. – М.: Госторгиздат, 1960.
25. Система 11Г229, 2082 364211 1295 00 4РГ. – г. Балашиха: изд-во ОАО «Криогенмаш», 1992.
26. Варгафтик, Н.Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей. – М.: Наука, 1972.
27. ТУ 021...00 480689-96 «Газ горючий природный сжиженный. Топливо для ракетной техники». – СПб., изд-во ГИПХ, 1996.
28. Глушко, В.П., Бармин, В.П., Бушуев, К.Д. и др. Космонавтика // Энциклопедия. – М.: Сов. энциклопедия, 1985.
29. Расчет гидравлический, 2082 364211 1295 00 4РГ. – г. Балашиха: изд-во ОАО «Криогенмаш», 1992.
30. Расчет потребного количества продукта, 14Г102-5РР-001. – г. Н. Тагил: изд-во ОАО «Уралкриомаш», 1990.
31. Расчет системы газификации азота, 17Г216РР-00.2. – г. Н. Тагил, изд-во ОАО «Уралкриомаш», 1983.
32. Методика расчета накопления примесей при отогреве резервуаров хранилища // ГНТЦ «Прикладная химия». – Л.: изд-во ГИПХ, 1986.
33. Вэнимен, Варланд, Уинстед. Исследование шугообразных и охлажденных топлив для космических полетов // Журнал «Вопросы ракетной техники», № 2, 1971.
34. Бродянский, В.М., Грачев, А.Б. Охлаждение сжиженных газов вакуумированием парового пространства // Труды МЭИ, вып. 48, 1963.
35. НИР «Исследование особенностей работы вакуумных систем охлаждения криогенных жидкостей». – г. Балашиха: ОАО «Криогенмаш», 1972.
36. Иванов, Б.А., Караганов. Л.Т. Разработки эффективных способов откачки кислорода с использованием механических масляных насосов // Труды ОАО «Криогенмаш». – г. Балашиха: ОАО «Криогенмаш», вып. 16, 1974.
37. Комаров, П., Лихтер, А., Рузман, М. Диаграмма состояния смесей, плавящихся при низких температурах // Журнал «Техническая физика», т. 5, вып. 10, 1935.
38. Карапетьянц, М.Х. Химическая термодинамика. – М.: Химия, 1975.
39. Расчеты аппаратов, 2082 364211 018 PPI. – г. Балашиха: ОАО «Криогенмаш», 1980.
40. СТ СЭВ 597-77 «Сосуды и аппараты». – М., 1977.
41. ОН 26-01-13-65 «Сосуды и аппараты». – М., 1965.
42. Вукалович, М.П., Ривкин, С.Д., Александров. А.Α. Таблицы теплофизических свойств воды и водяного пара. – М.: Госстандарт, 1969.
43. Кутателадзе, С.С., Боришанский, В.М. Справочник по теплопередаче. – Л.: изд-во ГЭИ, 1959.
44. NFSF-CR-159438 // Cryogenic Propellant Densiti cation Study Martin Marietta Corp., 1978.

Сведения об авторе главы

		КУНИС Илья Давидович – главный конструктор криогенных систем КБОМ – начальник отдела криогенной техники, кандидат технических наук, заслуженный конструктор РФ, действительный член Международной академии холода. Награжден орденом Трудового Красного Знамени и медалями.

Автор главы выражает благодарность Соболевой Т.К. за рецензирование и ценные замечания по материалам главы, а также Гагаринскому М.М., Булатовой С.Д., Гарбарчик Е.Ю. и Фроловой Н.М. за оформление и подготовку материалов главы к печати.