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 жидкого 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 кислородно-азотного завода (впоследствии законсервированного) жидкого кислорода и азота на стартовом комплексе ракеты Р-7А или из железнодорожных цистерн.

Рис.3.1. Хранилище

жидкого кислорода и азота

на стартовом комплексе ракеты Р-7А

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 «Криогснмаш») 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 «Стерлинга», 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 размешено 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.

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.

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

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. 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. Это 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.

Рис.3.3. Площадка дожигания

дренируемых паров водорода.

На заднем плане — резервуары

системы заправки ракеты

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).

При создании водородных систем были решены многие технические вопросы, в первую очередь связанные с технологией обращения с жидким водородом, техникой безопасности и пожаро-взрыво-предупреждения, 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.

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.

Рис.3.4. Фрагмент эстакады

криогенного комплекса на СК МТКС «Энергия — Буран»

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. 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.

Рис.3.5. Криогенный центр СК

МТКС «Энергия — Буран»

(на переднем плане емкости

и испарители жидкого кислорода)

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.

Рис.3.6. Газификатор жидкого азота и

средства управления системы обеспечения азотом высокого давления

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 (Г- 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».

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 х 10⁶ % 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-ЗБЬ» значительный вклад в создание криогенных систем в составе оборудова­ния этих объектов и в дальнейшее развитие криогенной техники внесли ОАО «Криоген-маш» и ОАО «Уралкриомаш».