RU2297373C2

RU2297373C2 - System for filling the upper stage oxidizer tank with supercooled oxygen

Info

Publication number: RU2297373C2
Application number: RU2005114210/11A
Authority: RU
Inventors: нова Эльвира Александровна Лукь (RU); Эльвира Александровна Лукьянова; Ольга В чеславовна Сукачева (RU); Ольга Вячеславовна Сукачева; Михаил Николаевич Сыровец (RU); Михаил Николаевич Сыровец; Валентин Иванович Федоров (RU); Валентин Иванович Федоров
Original assignee: Открытое акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" имени С.П. Королева"
Priority date: 2005-05-11
Filing date: 2005-05-11
Publication date: 2007-04-20
Also published as: RU2005114210A

Abstract

FIELD: systems for filling the propellant tanks of rocket engine plants with cryogenic components.

SUBSTANCE: proposed system for filling the upper stage oxidizer tank with supercooled oxygen includes cryogenic filling line with liquid oxygen pump connected to onboard filling line and heat exchanger-cooler which is made in form of cryogenic reservoir with inner vessel inside it. Formed in between inner surface of cryogenic reservoir and outer surface of inner vessel is hermetic cavity filled with liquid cryogenic agent whose upper part is brought in communication via valve with unit discharging the cooling agent vapor. Lower part of inner vessel is brought in communication with cryogenic liquid oxygen filling reservoir through two shutoff valves, liquid oxygen pump and third valve; it is also brought in communication with upper stage oxidizer tank through first and fourth shut-off valves, detachable joint and onboard filling valve. Upper part of inner vessel is provided with drainage branch pipe fitted with safety drainage valve. Tubular manifold for delivery of gaseous helium is laid in inner vessel near its bottom lengthwise in plane of symmetry. This manifold has holes along its length for delivery of gaseous helium. Manifold is connected to helium source via control helium flow valve and helium supply valve. Pipe line for supercharging the inner vessel with gaseous helium is also connected to helium source via supercharging valve.

EFFECT: reduction of time required for supercooling of liquid oxygen; reduction of thermal residue; facilitated procedure of preparation and charging of supercooled oxygen.

2 dwg

Description

Изобретение относится к ракетно-космической технике и может быть использовано при заправке жидким переохлажденным кислородом топливных баков ракетных двигательных установок, в частности бака окислителя космического разгонного блока (РБ), используемого в качестве последней ступени ракетно-космической системы, осуществляющей вывод полезного груза на заданную космическую орбиту.The invention relates to rocket and space technology and can be used when refueling liquid tanks of rocket propulsion systems with liquid supercooled oxygen, in particular an oxidizer tank of a space booster block (RB) used as the last stage of a space rocket system that carries out the payload to a given space orbit.

Известна система заправки переохлажденным кислородом бака окислителя космического разгонного блока для системы заправки, содержащей заправочную емкость с жидким кислородом, насос жидкого кислорода и теплообменник-охладитель, подключенные заправочной магистралью к бортовому трубопроводу заправки РБ, при этом теплообменник-охладитель выполнен в виде криогенной емкости с жидким криогенным хладагентом - азотом, внутри которой размещен змеевик с жидким кислородом, подаваемым на заправку бака окислителя, а газовая часть криогенной емкости сообщена со всасывающим патрубком газового эжектора (пат. РФ № 2155147, кл. B 64 G 5/00, F 17 C 6/00, 1999). Известная система обеспечивает переохлаждение жидкого кислорода в змеевике теплообменника-охладителя непосредственно в процессе заправки им бака окислителя РБ, что ограничивает возможную степень переохлаждения кислорода, а также усложняет регулирование температуры переохлаждения кислорода при изменениях его расхода через теплообменник-охладитель. Это увеличивает погрешность получения требуемой температуры кислорода и ведет к ухудшению эксплуатационных характеристик РБ. Кроме того, большое суммарное гидросопротивление заправочной магистрали и теплообменника-охладителя в известной системе заправки требует использования насоса жидкого кислорода повышенной мощности, что связано с повышенными энергозатратами.A known system for refueling with supercooled oxygen of an oxidizer of a space booster unit for a refueling system comprising a refueling tank with liquid oxygen, a liquid oxygen pump and a heat exchanger-cooler connected by a refueling line to the side refueling pipeline RB, while the heat exchanger-cooler is made in the form of a cryogenic tank with liquid cryogenic refrigerant - nitrogen, inside of which there is a coil with liquid oxygen supplied to the refueling tank of the oxidizer, and the gas part of the cryogenic tank the ty is communicated with the suction pipe of the gas ejector (US Pat. RF No. 2155147, CL B 64 G 5/00, F 17 C 6/00, 1999). The known system provides subcooling of liquid oxygen in the coil of the heat exchanger-cooler directly in the process of filling the RB oxidizer tank with it, which limits the possible degree of oxygen subcooling, and also complicates the regulation of the temperature of oxygen subcooling with changes in its flow rate through the heat exchanger-cooler. This increases the error in obtaining the required temperature of oxygen and leads to a deterioration in the operational characteristics of RB. In addition, the large total hydraulic resistance of the filling line and heat exchanger-cooler in the known filling system requires the use of a liquid oxygen pump of increased power, which is associated with increased energy consumption.

Наиболее близкой к предложенной является система заправки переохлажденным кислородом бака окислителя разгонного блока, содержащая заправочную емкость с жидким кислородом, насос жидкого кислорода и теплообменник-охладитель, подключенные заправочной магистралью к заправочной емкости и бортовому трубопроводу заправки бака окислителя. Теплообменник-охладитель выполнен в виде криогенной емкости, в которой размещен с зазором внутренний сосуд, образуя в ней герметичную полость для жидкого криогенного хладагента, например азота, верхняя часть которой сообщена со всасывающим патрубком вакуумного насоса или эжектора, при этом нижняя часть внутреннего сосуда через запорные клапаны, установленные в заправочной магистрали, сообщена с криогенной заправочной емкостью и с бортовым трубопроводом заправки, а верхняя часть внутреннего сосуда имеет дренажный патрубок и подключена к источнику подачи газа наддува - баллону со сжатым гелием (пат. РФ № 2241645, кл. B 64 G 5/00, F 17 C 6/00, 2003). Данная система заправки дает возможность размещать в теплообменнике-охладителе полное количество заправляемого в бак окислителя РБ жидкого кислорода, предварительно переохлаждать его в течение заданного расчетного времени и затем выдавать его с заданной температурой переохлаждения в бак окислителя. Это позволяет повысить уровень переохлаждения заправляемого жидкого кислорода и увеличить точность получения требуемой температуры переохлаждения. Повышается также технологичность процесса заправки, уменьшаются потребная мощность и габариты насоса жидкого кислорода.Closest to the proposed one is a system for refueling the supercooled oxygen tank of the booster block oxidizer, containing a liquid oxygen refueling tank, a liquid oxygen pump, and a heat exchanger-cooler connected to the refueling tank and the on-line oxidizer tank refueling pipe. The heat exchanger-cooler is made in the form of a cryogenic tank in which the inner vessel is placed with a gap, forming an airtight cavity for a liquid cryogenic refrigerant, such as nitrogen, the upper part of which communicates with the suction pipe of a vacuum pump or ejector, while the lower part of the inner vessel is through shut-offs valves installed in the filling line are in communication with the cryogenic refueling tank and with the on-line filling pipe, and the upper part of the inner vessel has a drainage pipe and is connected and to the source of pressurization gas supply to a cylinder with compressed helium (US Pat. RF No. 2241645, CL B 64 G 5/00, F 17 C 6/00, 2003). This refueling system makes it possible to place in the heat exchanger-cooler the full amount of liquid oxygen charged into the RB oxidizer tank, pre-cool it for a predetermined estimated time and then issue it with a predetermined supercooling temperature to the oxidizer tank. This allows you to increase the level of subcooling refueling liquid oxygen and to increase the accuracy of obtaining the required temperature of subcooling. The processability of the refueling process is also increased, the required power and dimensions of the liquid oxygen pump are reduced.

Недостатки данной системы заправки связаны с относительно невысокой интенсивностью теплопередачи между жидким кислородом и криогенным хладагентом в теплообменнике-охладителе, поскольку охлаждение жидкого кислорода во внутреннем сосуде происходит за счет естественной конвекции жидкого кислорода вдоль стенки сосуда при небольшой разности их температур, величина которой ограничена степенью вакуумирования паров криогенного хладагента в криогенной емкости. Это обуславливает значительную продолжительность процесса переохлаждения жидкого кислорода, а также большие затраты электроэнергии на обеспечение вакуумирования холодных паров хладагента из криогенной емкости и подогрев их перед эжектором. Кроме того, в процессе переохлаждения жидкого кислорода конвективное движение его у стенки во внутреннем сосуде вызывает температурное расслоение кислорода по высоте внутреннего сосуда, что дополнительно ухудшает условия теплообмена, снижает точность получения требуемой температуры переохлаждения кислорода и увеличивает погрешность определения массы заправленного в бак РБ кислорода. Поскольку для выдачи переохлажденного кислорода из теплообменника-охладителя, для поддержания в нем рабочего давления, используется гелий с температурой окружающей среды, имеет также место существенный прогрев верхнего слоя жидкого кислорода, что приводит к увеличению количества незабираемого из внутреннего сосуда жидкого кислорода и непроизводительной затрате средств на его переохлаждение, а также к дополнительной погрешности заправляемой массы кислорода в баке окислителя РБ. Указанные недостатки снижают технологичность процесса заправки переохлажденным кислородом бака окислителя РБ и отрицательно сказываются на эксплуатационных характеристиках РБ.The disadvantages of this filling system are associated with the relatively low heat transfer between liquid oxygen and the cryogenic refrigerant in the heat exchanger-cooler, since the cooling of liquid oxygen in the inner vessel occurs due to the natural convection of liquid oxygen along the vessel wall at a small temperature difference, the value of which is limited by the degree of vaporization cryogenic refrigerant in a cryogenic tank. This leads to a significant duration of the process of supercooling liquid oxygen, as well as high energy costs to ensure the evacuation of cold refrigerant vapor from a cryogenic tank and heating them in front of the ejector. In addition, during the process of supercooling of liquid oxygen, convective movement of it near the wall in the inner vessel causes temperature separation of oxygen along the height of the inner vessel, which further worsens the heat transfer conditions, reduces the accuracy of obtaining the required oxygen supercooling temperature, and increases the error in determining the mass of oxygen charged into the RB tank. Since helium with an ambient temperature is used to transfer supercooled oxygen from the heat exchanger-cooler, to maintain the working pressure in it, there is also a significant heating of the upper layer of liquid oxygen, which leads to an increase in the amount of liquid oxygen that cannot be taken from the internal vessel and the waste of money on its subcooling, as well as to the additional error of the refilled mass of oxygen in the oxidizer tank of the Republic of Belarus. These disadvantages reduce the manufacturability of the process of refueling with supercooled oxygen of the RB oxidizer tank and adversely affect the operational characteristics of the RB.

Задачей, решаемой изобретением, является повышение технологичности процесса переохлаждения кислорода перед заправкой бака окислителя разгонного блока за счет сокращения времени переохлаждения кислорода, снижения затрат и повышения точности заправки в бак окислителя заданной массы кислорода и улучшение эксплуатационных характеристик разгонного блока.The problem solved by the invention is to increase the manufacturability of the process of oxygen subcooling before refueling the oxidizer tank of the booster unit by reducing the time of oxygen subcooling, reducing costs and improving the accuracy of filling the oxidizer with a given mass of oxygen and improving the operational characteristics of the booster unit.

Решение поставленной задачи обеспечивается за счет того, что в системе заправки переохлажденным кислородом бака окислителя разгонного блока, содержащей заправочную емкость с жидким кислородом, заправочную магистраль с насосом жидкого кислорода, подключенную к бортовому трубопроводу заправки бака окислителя, и теплообменник-охладитель, выполненный в виде криогенной емкости, в которой размещен внутренний сосуд, образуя в ней герметичную полость для жидкого криогенного хладагента, верхняя часть которой сообщена со всасывающим патрубком вакуумного насоса или эжектора, при этом нижняя часть внутреннего сосуда через запорные клапаны, установленные в заправочной магистрали, сообщена с криогенной заправочной емкостью и с бортовым трубопроводом заправки, а верхняя часть внутреннего сосуда имеет дренажный патрубок и подключена к источнику подачи гелия наддува, в соответствии с изобретением, во внутреннем сосуде теплообменника-охладителя вблизи его днища и по длине его размещен трубчатый коллектор, имеющий по своей длине отверстия, подключенный через запорный и регулирующий клапаны к источнику подачи гелия наддува.The solution to this problem is provided due to the fact that in the system of refueling with supercooled oxygen of the oxidizer tank of the booster block, which contains a fuel tank with liquid oxygen, a fuel line with a liquid oxygen pump connected to the side pipe of the oxidizer tank refueling, and a heat exchanger-cooler made in the form of a cryogenic the container in which the inner vessel is placed, forming in it an airtight cavity for liquid cryogenic refrigerant, the upper part of which is in communication with the suction pipe m of a vacuum pump or ejector, while the lower part of the inner vessel through the shut-off valves installed in the filling line is in communication with the cryogenic refueling tank and the on-line pipe of the filling, and the upper part of the inner vessel has a drainage pipe and is connected to the supply source of helium boost, in accordance with the invention, in the inner vessel of the heat exchanger-cooler near its bottom and along its length there is a tubular collector having a hole along its length, connected through a shut-off and adjustable valves to the supply source of helium boost.

Наличие трубчатого коллектора во внутреннем сосуде теплообменника-охладителя предлагаемой системы заправки, имеющего по своей длине отверстия, расположенного вблизи днища сосуда на расстоянии одного, двух диаметров трубчатого коллектора и подключенного через запорный и регулирующий клапаны к источнику подачи гелия наддува, позволяет, за счет подачи гелия в нижнюю часть внутреннего сосуда, создать циркуляционное движение жидкого кислорода в объеме сосуда, обеспечивающее перемешивание кислорода и выравнивание его температуры по всему объему сосуда. При этом повышается интенсивность теплообмена жидкого кислорода по всей поверхности, омываемой криогенным хладагентом, значительно сокращается время переохлаждения кислорода, снижаются расходы на вакуумирование паров хладагента. Устранение температурного расслоения жидкого кислорода во внутреннем сосуде теплообменника-охладителя позволяет также повысить точность заправки в бак окислителя требуемой массы кислорода. Кроме того, гелий, вводимый под уровень жидкого кислорода, при всплытии охлаждается до температуры кислорода и после всплытия накапливается в сосуде в нижних слоях газовой подушки непосредственно над поверхностью жидкости.The presence of a tubular collector in the inner vessel of the heat exchanger-cooler of the proposed refueling system, having a hole along its length, located near the bottom of the vessel at the distance of one, two diameters of the tubular collector and connected via shut-off and control valves to the supply source of helium boost, allows, due to the supply of helium in the lower part of the inner vessel, create a circulating movement of liquid oxygen in the volume of the vessel, providing mixing of oxygen and equalization of its temperature for all at the volume of the vessel. At the same time, the heat exchange rate of liquid oxygen increases over the entire surface washed by a cryogenic refrigerant, the time of oxygen supercooling is significantly reduced, and the cost of evacuating the refrigerant vapor is reduced. Elimination of the temperature separation of liquid oxygen in the inner vessel of the heat exchanger-cooler can also improve the accuracy of filling the required mass of oxygen into the oxidizer tank. In addition, helium, which is introduced under the level of liquid oxygen, is cooled to the temperature of oxygen during ascent, and after ascent accumulates in a vessel in the lower layers of the gas cushion directly above the surface of the liquid.

А так как расход и время подачи гелия выбираются (расчетно-экспериментальным путем) из условия наддува внутреннего сосуда до требуемого рабочего давления (например, 10 кгс/см²) к моменту окончания переохлаждения кислорода, т.е. достижения им заданной температуры, над поверхностью переохлажденного кислорода в сосуде образуется холодная газовая подушка гелия. При заправке бака окислителя и понижении уровня жидкости во внутреннем сосуде холодный гелий опускается вместе с поверхностью жидкости, предохраняя переохлажденный кислород от контакта с теплым газом наддува, что позволяет значительно сократить тепловую стратификацию кислорода в процессе заправки и тепловые остатки незабора.And since the flow rate and time of helium supply are selected (by calculation and experimentally) from the condition of pressurizing the inner vessel to the required working pressure (for example, 10 kgf / cm ² ) to the moment of the end of oxygen overcooling, i.e. when it reaches a predetermined temperature, a cold gas helium pillow is formed above the surface of supercooled oxygen in the vessel. When refueling the oxidizer tank and lowering the liquid level in the inner vessel, cold helium lowers along with the liquid surface, protecting supercooled oxygen from contact with warm boost gas, which can significantly reduce the thermal stratification of oxygen during the refueling process and the thermal residues of the intake.

Конструкция предлагаемой системы заправки переохлажденным кислородом бака окислителя разгонного блока поясняется с помощью прилагаемых чертежей, где:The design of the proposed system of refueling with supercooled oxygen of the oxidizer tank of the upper stage is illustrated using the attached drawings, where:

на фиг.1 изображен общий вид системы заправки;figure 1 shows a General view of the refueling system;

на фиг.2 (вид А-А) - расположение трубчатого коллектора с отверстиями во внутреннем сосуде теплообменника-охладителя, где:figure 2 (view aa) - the location of the tubular manifold with holes in the inner vessel of the heat exchanger-cooler, where:

1 - криогенная заправочная емкость с жидким кислородом;1 - cryogenic filling tank with liquid oxygen;

2 - заправочная магистраль жидкого кислорода;2 - a line of liquid oxygen;

3 - насос жидкого кислорода;3 - liquid oxygen pump;

4 - бортовой трубопровод заправки;4 - on-board refueling pipeline;

5 - бак окислителя разгонного блока;5 - oxidizer tank of the upper stage;

6 - теплообменник-охладитель;6 - heat exchanger-cooler;

7 - криогенная емкость;7 - cryogenic capacity;

8 - внутренний сосуд;8 - inner vessel;

9 - герметичная полость с жидким криогенным хладагентом;9 - sealed cavity with liquid cryogenic refrigerant;

10 - трубопровод заправки хладагента;10 - refrigerant charge line;

11 - клапан;11 - valve;

12 - агрегат откачки паров хладагента;12 - unit for pumping refrigerant vapor;

13 - патрубок дренажа паров хладагента;13 - pipe drainage of refrigerant vapor;

14 - первый запорный клапан;14 - the first shutoff valve;

15 - второй запорный клапан;15 - second shutoff valve;

16 - дренажный патрубок;16 - drainage pipe;

17 - трубопровод наддува газообразным гелием;17 - a pipeline of pressurization with gaseous helium;

18 - клапан наддува;18 - boost valve;

19 - источник подачи гелия;19 - source of helium supply;

20 - трубчатый коллектор подачи газообразного гелия;20 - a tubular collector for supplying gaseous helium;

21 - отверстия подачи газообразного гелия;21 - holes for the supply of gaseous helium;

22 - трубопровод подачи гелия в трубчатый коллектор;22 - pipeline supply of helium to the tubular manifold;

23 - клапан подачи гелия;23 - helium supply valve;

24 - клапан, регулирующий расход гелия;24 - valve that controls the flow of helium;

25 - третий запорный клапан;25 - third shutoff valve;

26 - четвертый запорный клапан;26 - fourth shutoff valve;

27 - разъемное соединение;27 - detachable connection;

28 - бортовой заправочный клапан;28 - side refueling valve;

29 - дренажный клапан испаряющихся паров хладагента;29 - drain valve of evaporating refrigerant vapor;

30 - дренажно-предохранительный клапан;30 - drainage safety valve;

31 - источник энергии;31 - source of energy;

32 - пятый запорный клапан;32 - fifth shutoff valve;

33 - уровнемер в полости хладагента;33 - level gauge in the cavity of the refrigerant;

34 - уровнемер во внутреннем сосуде.34 - level gauge in the inner vessel.

Система заправки включает в себя криогенную заправочную емкость с жидким кислородом 1, теплообменник-охладитель 6, заправочную магистраль жидкого кислорода 2 с насосом жидкого кислорода 3, подключенную через разъемное соединение 27 к бортовому трубопроводу заправки 4, который через бортовой заправочный клапан 28 подключен к баку окислителя разгонного блока 5 ракетно-космической системы. Теплообменник-охладитель 6 представляет собой криогенную емкость 7, в которой размещен внутренний сосуд 8, установленный с образованием между ним и стенкой криогенной емкости 7 герметичной полости с жидким криогенным хладагентом 9, заполняемой через трубопровод заправки хладагента 10 с пятым запорным клапаном 32 жидким криогенным хладагентом - жидким азотом или бинарной смесью жидких азота и кислорода. Верхняя часть герметичной полости с жидким криогенным хладагентом 9 через трубопровод с клапаном 11 сообщена со всасывающим патрубком агрегата откачки паров хладагента 12, обеспечиваемого рабочим телом или энергией от источника энергии 31. Кроме того, верхняя часть герметичной полости с жидким криогенным хладагентом 9 имеет патрубок дренажа паров хладагента 13 с дренажным клапаном испаряющихся паров хладагента 29. При открытом дренажном клапане испаряющихся паров хладагента 29 герметичная полость с жидким криогенным хладагентом 9 сообщается с атмосферой. Нижняя часть внутреннего сосуда 8 теплообменника-охладителя 6 подключена к заправочной магистрали жидкого кислорода 2 и через первый и второй запорные клапаны соответственно 14 и 15, насос жидкого кислорода 3 и третий запорный клапан 25 сообщена с криогенной заправочной емкостью с жидким кислородом 1. Также нижняя часть внутреннего сосуда 8 через первый и четвертый запорные клапаны 14 и 26 и разъемное соединение 27 сообщена с бортовым трубопроводом заправки 4 и через бортовой заправочный клапан 28 - с баком окислителя разгонного блока 5. Газовая полость внутреннего сосуда 8 имеет дренажный патрубок 16 с дренажно-предохранительным клапаном 30. Газовая полость внутреннего сосуда 8 трубопроводом наддува газообразным гелием 17 с клапаном наддува 18 подключена к источнику подачи гелия, например баллону со сжатым гелием 19. Во внутреннем сосуде 8 теплообменника-охладителя 6 по длине его и вблизи его днища размещен трубчатый коллектор подачи газообразного гелия 20, имеющий по своей длине отверстия подачи газообразного гелия 21, подключенный к источнику подачи гелия 19 с помощью трубопровода подачи гелия в трубчатый коллектор 22, на котором установлены клапан подачи гелия 23 и клапан, регулирующий расход гелия 24.The filling system includes a cryogenic filling tank with liquid oxygen 1, a heat exchanger-cooler 6, a filling line for liquid oxygen 2 with a liquid oxygen pump 3 connected via a plug-in connection 27 to the on-board filling pipe 4, which is connected to the oxidizer tank through the on-board filling valve 28 booster block 5 of the space rocket system. The heat exchanger-cooler 6 is a cryogenic tank 7, in which an internal vessel 8 is placed, which is installed between it and the wall of the cryogenic tank 7 of an airtight cavity with liquid cryogenic refrigerant 9, filled through the refrigerant charge line 10 with the fifth shut-off valve 32, liquid cryogenic refrigerant - liquid nitrogen or a binary mixture of liquid nitrogen and oxygen. The upper part of the sealed cavity with liquid cryogenic refrigerant 9 through the pipeline with the valve 11 is in communication with the suction pipe of the refrigerant vapor pumping unit 12 provided by the working fluid or energy from the energy source 31. In addition, the upper part of the sealed cavity with liquid cryogenic refrigerant 9 has a vapor drain pipe refrigerant 13 with a drain valve for evaporating refrigerant vapor 29. When the drain valve for evaporating refrigerant vapor 29 is open, an airtight cavity with liquid cryogenic refrigerant 9 communicates I'm with the atmosphere. The lower part of the inner vessel 8 of the heat exchanger-cooler 6 is connected to the liquid oxygen supply line 2 and through the first and second shut-off valves 14 and 15, respectively, the liquid oxygen pump 3 and the third shut-off valve 25 are in communication with the cryogenic filling tank with liquid oxygen 1. Also, the lower part the inner vessel 8 through the first and fourth shut-off valves 14 and 26 and detachable connection 27 is in communication with the on-board pipe of the filling 4 and through the on-board filling valve 28 with the oxidizer tank of the booster unit 5. Gas the spine of the inner vessel 8 has a drainage pipe 16 with a drainage safety valve 30. The gas cavity of the inner vessel 8 is connected to a helium supply source, for example, a cylinder with compressed helium 19. in the inner vessel 8 of the heat exchanger-cooler 6 along its length and near its bottom there is a tubular helium gas supply manifold 20 having along its length the helium gas supply openings 21 connected to the helium supply source 19 by means of a hearth pipeline and helium in a tubular collector 22, on which the helium supply valve 23 and a valve 24 regulating the flow of helium.

Система заправки функционирует следующим образом.The fueling system operates as follows.

За заданное расчетное время до начала заправки бака окислителя разгонного блока 5 через пятый запорный клапан 32 осуществляется подача жидкого криогенного хладагента, например жидкого азота, по трубопроводу заправки хладагента 10 в теплообменник-охладитель 6 и производится заполнение герметичной полости с жидким криогенным хладагентом 9, например жидким азотом, до требуемого расчетного уровня заправки хладагента, фиксируемого по уровнемеру в полости хладагента 33. Одновременно при этом происходит захолаживание внутреннего сосуда 8 теплообменника-охладителя 6, заполненного гелием. После захолаживания внутреннего сосуда 8 производится заполнение его жидким кислородом, подаваемым из криогенной заправочной емкости с жидким кислородом 1 при открытых первом, втором и третьем запорных, соответственно, клапанах 14, 15, 25 с помощью насоса жидкого кислорода 3, при закрытом четвертом запорном клапане 26. Заполнение внутреннего сосуда 8 ведут до заданного уровня, фиксируемого по уровнемеру во внутреннем сосуде 34, соответствующего массе, необходимой для заправки бака окислителя разгонного блока 5 переохлажденного кислорода, при этом объем газовой подушки над жидким кислородом при достижении им заданного уровня также соответствует заданной расчетной величине этого объема. За счет теплообмена кислорода с хладагентом в процессе последующей после заправки внутреннего сосуда 8 стоянки с дренированием паров хладагента через патрубок дренажа паров хладагента 13 и дренажный клапан испаряющихся паров хладагента 29 в атмосферу осуществляется охлаждение кислорода до температуры, близкой к температуре хладагента. По достижении требуемого уровня температуры кислорода во внутреннем сосуде 8 перекрывается патрубок дренажа паров хладагента 13 закрытием дренажного клапана испаряющихся паров хладагента 29 теплообменника-охладителя 6 и включается агрегат откачки паров хладагента 12, создающий в герметичной полости с жидким криогенным хладагентом 9 разрежение, понижающее температуру хладагента и обеспечивающее получение заданной температуры переохлаждения жидкого кислорода во внутреннем сосуде 8. За заданное расчетное время до подачи переохлажденного кислорода в бак окислителя разгонного блока 5 открываются клапаны подачи гелия 23 и регулирующий расход гелия 24 и производится подача гелия из источника подачи гелия 19 в трубчатый коллектор подачи газообразного гелия 20, расположенный в нижней части внутреннего сосуда 8. Гелий, поступающий в трубчатый коллектор подачи газообразного гелия 20, расположенный в плоскости симметрии, проходящей через продольную ось внутреннего сосуда 8 на его нижнем днище, выходит через отверстия подачи газообразного гелия 21 в виде множества пузырьков, всплывающих в жидком кислороде в газовую подушку сосуда. При этом создается устойчивое циркуляционное движение жидкого кислорода в объеме внутреннего сосуда 8, турбулизирующее объем жидкости и обеспечивающее перемешивание слоев жидкого кислорода и выравнивание его температуры во всем объеме сосуда. Это значительно повышает интенсивность процесса теплопередачи через оболочку внутренней емкости между криогенным хладагентом и переохлаждаемым жидким кислородом, позволяет значительно сократить время переохлаждения жидкого кислорода, а также повысить точность заправки бака РБ. Всплывающие пузырьки гелия охлаждаются жидким кислородом и образуют холодную газовую подушку над поверхностью жидкого кислорода, при этом по мере поступления гелия давление в газовой подушке повышается. При этом расход и время подачи гелия в трубчатый коллектор подачи газообразного гелия 20 устанавливаются расчетно-экспериментальным путем из условия наддува внутреннего сосуда до требуемого рабочего давления выдачи кислорода к моменту (или несколько позже) окончания переохлаждения кислорода. По достижении заданной температуры переохлаждения кислорода в теплообменнике-охладителе 6 закрываются клапаны подачи гелия 23 и регулирующий расход гелия 24, открываются клапан наддува 18 на трубопроводе наддува газообразным гелием 17 и первый и четвертый запорные клапаны 14 и 26, на заправочной магистрали жидкого кислорода 2 и через открытый бортовой заправочный клапан 28 производится заправка переохлажденным кислородом бака окислителя разгонного блока 5.For a predetermined estimated time before the charging of the oxidizer tank of the booster unit 5 through the fifth shut-off valve 32, liquid cryogenic refrigerant, for example liquid nitrogen, is supplied through the refrigerant 10 filling pipeline to the heat exchanger-cooler 6 and the hermetic cavity is filled with liquid cryogenic refrigerant 9, for example, liquid nitrogen, to the required calculated level of refrigerant charge, fixed by the level gauge in the cavity of the refrigerant 33. At the same time, the internal vessel is cooled 8 heat exchanger-cooler 6 filled with helium. After cooling the inner vessel 8, it is filled with liquid oxygen supplied from a cryogenic filling tank with liquid oxygen 1 with the first, second and third shut-off valves 14, 15, 25, respectively, using the liquid oxygen pump 3, with the fourth shut-off valve 26 closed The filling of the inner vessel 8 is carried out to a predetermined level, fixed by the level gauge in the inner vessel 34, corresponding to the mass necessary for refueling the oxidizer tank of the supercooled oxygen accelerating unit 5, at The volume of the gas cushion over liquid oxygen when it reaches a predetermined level also corresponds to a predetermined calculated value of this volume. Due to the heat exchange of oxygen with the refrigerant in the process of parking after refueling the inner vessel 8 with drainage of the refrigerant vapor through the drain pipe of the refrigerant vapor 13 and the drain valve of the evaporating refrigerant vapor 29 into the atmosphere, oxygen is cooled to a temperature close to the temperature of the refrigerant. Upon reaching the required level of oxygen temperature in the inner vessel 8, the refrigerant vapor drainage pipe 13 is closed by closing the drain valve of the evaporating refrigerant vapor 29 of the heat exchanger-cooler 6 and the pumping unit of refrigerant vapor 12 is turned on, creating a vacuum in the sealed cavity with liquid cryogenic refrigerant 9, which reduces the temperature of the refrigerant and providing a predetermined temperature of supercooling of liquid oxygen in the inner vessel 8. For a given estimated time before supply of supercooled oxygen into the oxidizer tank of the booster unit 5 opens the helium supply valves 23 and the helium flow rate control 24 and helium is supplied from the helium supply source 19 to the tubular helium gas supply 20 located at the bottom of the inner vessel 8. Helium entering the gaseous supply manifold helium 20, located in the plane of symmetry passing through the longitudinal axis of the inner vessel 8 on its lower bottom, exits through the supply holes of the gaseous helium 21 in the form of many bubbles, I pop up them in liquid oxygen into the gas vessel pillow. This creates a stable circulating movement of liquid oxygen in the volume of the inner vessel 8, turbulizing the volume of the liquid and providing mixing of the layers of liquid oxygen and equalizing its temperature throughout the volume of the vessel. This significantly increases the intensity of the heat transfer process through the shell of the internal tank between the cryogenic refrigerant and supercooled liquid oxygen, significantly reduces the time of supercooling of liquid oxygen, and also improves the accuracy of filling the RB tank. Helium pop-up bubbles are cooled by liquid oxygen and form a cold gas cushion above the surface of liquid oxygen, while the pressure in the gas cushion increases as helium enters. At the same time, the flow rate and time of helium supply to the tubular collector of gaseous helium gas 20 are established by calculation and experimentation from the condition of pressurizing the internal vessel to the required working pressure of oxygen production at the time (or somewhat later) of the end of oxygen supercooling. Upon reaching the set temperature of oxygen subcooling in the heat exchanger-cooler 6, the helium supply valves 23 and the helium flow control valve 24 are closed, the boost valve 18 on the boost gas pipeline with helium 17 and the first and fourth shut-off valves 14 and 26 are opened, on the liquid oxygen filling line 2 and through open side refueling valve 28 refills the supercooled oxygen of the oxidizer tank of the upper stage 5.

В процессе выдачи переохлажденного кислорода и понижения уровня его во внутреннем сосуде 8 первоначально образованная в сосуде холодная гелиевая подушка опускается с уровнем жидкости, предохраняя переохлажденный жидкий кислород от теплового контакта с теплым газом наддува, что существенно уменьшает объем верхнего слоя жидкого кислорода с температурой выше температуры, заданной на заправку (тепловые остатки незабора жидкого кислорода).In the process of issuing supercooled oxygen and lowering its level in the inner vessel 8, the cold helium pad originally formed in the vessel lowers with the liquid level, protecting the supercooled liquid oxygen from thermal contact with the warm boost gas, which significantly reduces the volume of the upper layer of liquid oxygen with a temperature above the temperature, preset for refueling (thermal residues of liquid oxygen intake).

Таким образом, предложенное техническое решение позволяет повысить технологичность процесса подготовки кислорода к заправке и заправки переохлажденным жидким кислородом бака окислителя разгонного блока, а также улучшить эксплуатационные характеристики разгонного блока.Thus, the proposed technical solution allows to increase the manufacturability of the process of preparing oxygen for refueling and refueling the oxidizer tank of the booster block with supercooled liquid oxygen, and also to improve the operational characteristics of the booster block.

Claims

Система заправки переохлажденным кислородом бака окислителя разгонного блока, содержащая криогенную заправочную емкость с жидким кислородом, заправочную магистраль с насосом жидкого кислорода, подключенную к бортовому трубопроводу заправки бака окислителя разгонного блока, и теплообменник-охладитель, выполненный в виде криогенной емкости, в которой размещен внутренний сосуд, при этом между внутренней поверхностью криогенной емкости и внешней поверхностью внутреннего сосуда образована герметичная полость с жидким криогенным хладагентом, верхняя часть которой сообщена через клапан с агрегатом откачки паров хладагента, при этом нижняя часть внутреннего сосуда через два запорных клапана, насос жидкого кислорода и третий клапан сообщена с криогенной заправочной емкостью с жидким кислородом и через первый и четвертый запорные клапаны, а также через разъемное соединение и бортовой заправочный клапан сообщена с баком окислителя разгонного блока, а верхняя часть внутреннего сосуда имеет дренажный патрубок с дренажно-предохранительным клапаном, отличающаяся тем, что во внутреннем сосуде вблизи его днища по длине внутреннего сосуда в плоскости его симметрии размещен трубчатый коллектор подачи газообразного гелия, имеющий по своей длине отверстия подачи газообразного гелия, при этом указанный коллектор подключен через клапан, регулирующий расход гелия, и клапан подачи гелия к источнику гелия, к которому также через клапан наддува подключен трубопровод наддува внутреннего сосуда газообразным гелием.The system of refueling the supercooled oxygen tank of the booster unit oxidizer, containing a cryogenic filling tank with liquid oxygen, a fuel line with a liquid oxygen pump connected to the side pipe of the booster oxidizer tank refueling pipe, and a heat exchanger-cooler made in the form of a cryogenic tank, in which an internal vessel is placed , while between the inner surface of the cryogenic tank and the outer surface of the inner vessel formed a sealed cavity with liquid cryogenic refrigerant the agent, the upper part of which is communicated through a valve with a refrigerant vapor pumping unit, while the lower part of the inner vessel is connected through two shut-off valves, a liquid oxygen pump and a third valve to a cryogenic filling tank with liquid oxygen and through the first and fourth shut-off valves, as well as through a detachable connection and an onboard filling valve is in communication with the oxidizer tank of the booster unit, and the upper part of the inner vessel has a drainage pipe with a drainage safety valve, characterized in that about the inner vessel near its bottom along the length of the inner vessel in the plane of symmetry there is placed a tubular helium gas supply manifold having a helium gas supply opening along its length, wherein said collector is connected through a helium flow control valve and a helium supply valve to a helium source, to which also through the boost valve is connected the boost pipe of the inner vessel with gaseous helium.