Технические средства автоматизации процесса заправки ракеты-носителя окислителем

Ракетно-космическая промышленность - это приоритетная отрасль машиностроения России и мира. Представляет собой совокупность предприятий, научно-исследовательских учреждений и проектноконструкторских организаций по разработке, производству, ремонту и модернизации боевых ракетных комплексов и ракетных комплексов космического назначения, наземного оборудования космических систем и образцов космической техники гражданского и военного назначения. Ракетно-космическая отрасль играет ведущую роль в обеспечении военно-экономической безопасности, оказывая существенное влияние на уровень военного, экономического, научного потенциалов страны.

Ракетно-космическая отрасль условно подразделяется на военную и гражданскую. Гражданская занимается изучением Земли, планет и космического пространства с помощью космических аппаратов. Средствами доставки космических аппаратов на орбиту служат ракеты-носители. Ракета-носитель - это ракета, предназначенная для выведения полезной нагрузки в космическое пространство. В настоящее время Россия располагает целым рядом современных ракет-носителей нескольких классов, способных выводить на разные орбиты различную полезную нагрузку.

Но несмотря на такое разнообразие, все ракеты-носители имеют много общего в своем устройстве (рисунок 1).

Космический KUJMjff,! t

Приборный отсек Бак с окислителем

Бак с горючим

Насосы

Камера сгорания

Сопло

Рисунок 1 – Устройство ракеты-носителя

Поэтому последовательность и содержание операций по подготовке к пуску производится по определенному алгоритму. Неотъемлемым пунктом такого алгоритма является заправка ракеты-носителя топливом, которое делится на горючее и окислитель. Классификация химического топлива для ракетных двигателей представлена на рисунке.2.

Рисунок 2 - Классификация химического топлива для ракетных двигателей

Для заправки ракет-носителей используется преимущественно жидкое и твердое топливо. Применяемое топливо на 90% определяет характеристики ракетных двигателей, а значит и эксплуатационные характеристики ракеты-носителя. При использовании жидкого ракетного топлива существует возможность контролировать поток топлива в двигатель и регулировать производимую тягу, жидкостный ракетный двигатель можно включить или выключить по мере необходимости. После же воспламенения твердого ракетного топлива тягу регулировать невозможно. Система с твердым топливом более простая, безопасная и дешевая, но менее эффективная. Питаемый жидким ракетным топливом реактивный двигатель, имеет колоссальную мощность и скорость.

Топливо тем лучше, чем больше энергии оно запасает. Поэтому вещества для ракетного топлива чрезвычайно химически активны, окислители либо взрывоопасны, либо ядовиты, либо нестойки. Жидкий кислород - единственное исключение.

Россия долгие годы занимала лидирующее место по количеству космических пусков. Однако, после рекордных показателей в 2014 году, число удачных запусков начало сильно снижаться (рисунок 3). Неудачные запуски ракет-носителей приводят к большим финансовым и временным затратам, а также отражаются на репутации ракетнопромышленной отрасли страны.

Рисунок 3 – Число удачных запусков в разных странах по годам

Для удачного запуска ракеты-носителя необходимы точность и согласованность работы систем ракеты-носителя, стартового и технического комплексов, а также высокий уровень качества их составных частей и компонентов. Таким образом, любые неточности в работе систем стартового комплекса могут привести к неудачному запуску ракеты-носителя. Не является исключением и система заправки ракеты-носителя окислителем, что говорит о необходимости модернизации и автоматизации этой системы с целью повышения точности ее работы.

Схема автоматизируемой системы заправки представлена на рисунке 4. Задачей, автоматизируемой системы заправки, является повышение технологичности процесса переохлаждения кислорода перед заправкой бака окислителя ракеты-носителя за счет снижения погрешности получения требуемой температуры кислорода , снижения энергозатрат системы и повышения точности заправки в бак окислителя заданной массы кислорода и улучшение эксплуатационных характеристик ракеты-носителя.

Рисунок 4 - Схема автоматизируемой системы заправки

Система заправки функционирует следующим образом.

За заданное расчетное время до начала заправки бака окислителя ракеты-носителя блока 5 через запорный клапан 32 осуществляется подача жидкого криогенного хладагента, например, жидкого азота, по трубопроводу заправки хладагента 10 в теплообменник-охладитель 6 и производится заполнение герметичной полости с жидким криогенным хладагентом 9, например, жидким азотом, до требуемого расчетного уровня заправки хладагента, фиксируемого по уровнемеру в полости хладагента 33. Одновременно при этом происходит захолаживание внутреннего сосуда 8 теплообменника-охладителя 6, заполненного гелием. После захолаживания внутреннего сосуда 8 производится заполнение его жидким кислородом, подаваемым из криогенной заправочной емкости с жидким кислородом 1 при открытых 14, 15 и 25 запорных клапанах с помощью насоса жидкого кислорода 3, при закрытом запорном клапане 26. Заполнение внутреннего сосуда 8 ведут до заданного уровня, фиксируемого по уровнемеру во внутреннем сосуде 34, соответствующего массе, необходимой для заправки бака окислителя ракеты-носителя 5 переохлажденного кислорода, при этом объем газовой подушки над жидким кислородом при достижении им заданного уровня также соответствует заданной расчетной величине этого объема. За счет теплообмена кислорода с хладагентом в процессе последующей после заправки внутреннего сосуда 8 стоянки с дренированием паров хладагента через патрубок дренажа паров хладагента 13 и дренажный клапан испаряющихся паров хладагента 29 в атмосферу осуществляется охлаждение кислорода до температуры, близкой к температуре хладагента. По достижении требуемого уровня температуры кислорода во внутреннем сосуде 8 перекрывается патрубок дренажа паров хладагента 13 закрытием дренажного клапана испаряющихся паров хладагента 29 теплообменника-охладителя 6 и включается агрегат откачки паров хладагента 12, создающий в герметичной полости с жидким криогенным хладагентом 9 разрежение, понижающее температуру хладагента и обеспечивающее получение заданной температуры переохлаждения жидкого кислорода во внутреннем сосуде 8. За заданное расчетное время до подачи переохлажденного кислорода в бак окислителя разгонного блока 5 открываются клапаны подачи гелия 23 и регулирующий расход гелия 24 и производится подача гелия из источника подачи гелия 19 в трубчатый коллектор подачи газообразного гелия 20, расположенный в нижней части внутреннего сосуда 8. Гелий, поступающий в трубчатый коллектор подачи газообразного гелия 20, расположенный в плоскости симметрии, проходящей через продольную ось внутреннего сосуда 8 на его нижнем днище, выходит через отверстия подачи газообразного гелия 21 в виде множества пузырьков, всплывающих в жидком кислороде в газовую подушку сосуда. При этом создается устойчивое циркуляционное движение жидкого кислорода в объеме внутреннего сосуда 8, турбулизирующее объем жидкости и обеспечивающее перемешивание слоев жидкого кислорода и выравнивание его температуры во всем объеме сосуда. Это значительно повышает интенсивность процесса теплопередачи через оболочку внутренней емкости между криогенным хладагентом и переохлаждаемым жидким кислородом, позволяет значительно сократить время переохлаждения жидкого кислорода, а также повысить точность заправки бака РН. Всплывающие пузырьки гелия охлаждаются жидким кислородом и образуют холодную газовую подушку над поверхностью жидкого кислорода, при этом по мере поступления гелия давление в газовой подушке повышается. При этом расход и время подачи гелия в трубчатый коллектор подачи газообразного гелия 20 устанавливаются расчетноэкспериментальным путем из условия наддува внутреннего сосуда до требуемого рабочего давления выдачи кислорода к моменту (или несколько позже) окончания переохлаждения кислорода. По достижении заданной температуры переохлаждения кислорода в теплообменнике-охладителе 6 закрываются клапаны подачи гелия 23 и регулирующий расход гелия 24, открываются клапан наддува 18 на трубопроводе наддува газообразным гелием 17 и запорные клапаны 14 и 26, на заправочной магистрали жидкого кислорода 2 и через открытый бортовой заправочный клапан 28 производится заправка переохлажденным кислородом бака окислителя разгонного блока 5.

В процессе выдачи переохлажденного кислорода и понижения уровня его во внутреннем сосуде 8 первоначально образованная в сосуде холодная гелиевая подушка опускается с уровнем жидкости, предохраняя переохлажденный жидкий кислород от теплового контакта с теплым газом наддува, что существенно уменьшает объем верхнего слоя жидкого кислорода с температурой выше температуры, заданной на заправку.

А-А

Рисунок 5 - Циркуляционное движение жидкого кислорода в объеме внутреннего сосуда.

В данной системе было  определенно,  что необходимо контролировать следующие параметры:

• -    уровень азота в емкости криогенной камеры;

• -    уровень кислорода в емкости криогенной камеры;

• -    давление в трубопроводе;

• -    температуру азота в криогенной камере;

• -    температуру кислорода в криогенной камере;

• -    расход кислорода .

Для повышения надежности дозирования кислорода системы контроля количества кислорода дублируются. Одна указывает текущее значение выданной дозы, другая - указывает достижение предельного уровня.

Контроль параметров осуществляется при помощи датчиков установленных по месту. Помимо контроля производится регистрация, аварийная сигнализация и индикация всех параметров.

Учитывая специфику системы и область ее применения главными критериями в подборе различных датчиков были возможность работы при очень низких температурах (температура кипения кислорода -183ºС, температура кипения азота -195,8 ºС) и преимущественно отечественный производитель оборудования, так как иностранное оборудование требует специальной сертификации. В качестве датчика температуры был выбран датчик ТП227, для измерения расхода кислорода - расходомер вихревой РВ 298, для контроля уровня кислорода и азота в емкостях криогенной камеры - дискретный сигнализатор уровня ДСУ 313, для измерения давления – датчик давления CCQ-062 фирмы Kulite.

Основой системы управления является программируемый логический контроллер (ПЛК). Для разрабатываемой системы был выбран ОВЕН ПЛК160-220.И-M. Оптимален для построения распределенных систем управления и диспетчеризации с использованием как проводных, так и беспроводных технологий. Одной из областей его применения является АСУ водоканалов. Для наглядного отображения значений параметров и оперативного управления используются сенсорные панели оператора. Для совместного использования с выбранным ПЛК была выбрана панель ОВЕН СП310-Б.