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. Это 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 Г-З-диаграммы для кислорода показывает, что охлаждение жидкого кисло­рода от температуры его кипения при атмосферном давлении (Т₀) до более низкого темпера­турного уровня (Т\) 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.

Средства для охлаждения продуктов непосредственно в резервуарах хранилища

Рис.3.6.1. Охлаждение

вакуумированием Рис.3.6.2. Охлаждение

парового пространства вакуумированием парового

вакуум-насосом пространства эжектором

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 эжек-торных установок, использующих в качестве активного газа воздух или азот (см. рис. 3.6.1

и 3.6.2).

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 теплопри-токов. 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.

В однофазной области «жидкость» процесс охлаждения компонентов ракетного топ­лива выполняется в теплообменнике за счет энергии хладоносителя, имеющего более низ могут иметь относительно малую производительность, так как охлаждение выполняется во внетехнологическое время и может быть растянуто по времени. кую 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 теплообмен-ной ванне доводится до требуемой величи­ны за счет вакуумирования парового про-

странства 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.