Наддув баков нагревом

[Гусев_А]

Читая, тему про взрыв фалькона на старте, где одной из версий есть проблемы с баллоном гелия, для наддува бака с ЖК.

Не возможно ли обойтись, просто нагревом ЖК от РД. Так скорость расхода ЖК известна зарание, и остается только подвести нужное количество тепла, для частичного газообразования, который создаст нужное давление. Возможно что масса теплообменников с теплоносителем будет заметно меньше массы баллонов.

[Salo]

http://novosti-kosmonavtiki.ru/forum/forum13/topic13794/

[SN]

Конструкция и проектирование жидкостных ракетных двигателей, Г. Г. Гахун, и др., 1989.

Спойлер

13.3. АГРЕГАТЫ НАДДУВА
Агрегаты наддува предназначены для создания заданного давления в
газовой подушке топливных баков при работе ДУ путем подачи в нее
газа. Поэтому системы наддува баков во многом аналогичны вытеснитель-
ным системам подачи компонентов топлива, но давление наддува баков
существенно меньше давления в баках при вытеснительной подаче и 
составляет 0,2 ... 0,4 МПа и лишь в отдельных случаях достигает 0,6 МПа.
Для наддува топливных баков используют как холодный, так и 
горячий газ. Наддув горячим газом, например с помощью специальных ЖГГ,
вызывает некоторое усложнение ДУ, но обеспечивает, как и применение
теплообменников, заметное снижение ее массы и поэтому находит 
применение, особенно для баков горючего крупных РН.
Наиболее простым является наддув гелием, хранящимся в 
специальном баллоне. Гелий подается через магистрали наддува и редукторы 
давления в каждый бак. С помощью такой системы легко обеспечить высокую
точность поддержания давления наддува баков. Наддув топливных баков
гелием использовался в ДУ экспериментального самолета Х-15 и 
применяется в настоящее время во второй ступени РН "Ариан", ракетной 
ступени "Центавр" и кислородного бака второй ступени японской РН Н-1.
В ДУ более ранних разработок использовался наддув баков 
окислителя и горючего (или только бака горючего, как в первой ступени РН
"Сатурн-1") газообразным азотом, хранящимся в баллоне.
Однако выигрыш в массе залитой и сухой ДУ обеспечивает наддув
горячим газом. В некоторых кислородно-водородных ЖРД (J-2, SSME,
LE-5 и др.) для наддува бака жидкого водорода используется отбор 
нагретого газообразного водорода из того места в охлаждающем тракте камеры,
где он имеет необходимые значения температуры и давления. В ЖРД J-2
третьей ступени РН "Сатурн-5" для наддува бака используется часть 
водорода, отбираемого из охлаждающего тракта для перезарядки пускового
баллона, причем эта часть используется при пониженном давлении.
Давление наддува водородного бака основной ДУ МТКК "Спейс
шаттл" составляет 0,27 ... 0,28 МПа.
В системах наддува широко применяют теплообменники. Их обычно
устанавливают на линии отработанного турбинного газа (после турбины).
В ЖРД с дожиганием теплообменник размещают в газоводе, В ЖРД
SSME он размещается на выходе из турбины кислородного ТНА, при этом
теплообменник жидкого кислорода контактирует с турбинным газом,
имеющим избыток горючего, поэтому любая негерметичность 
теплообменника может привести к катастрофическим последствиям.
Указанный теплообменник представляет собой сложный сварной
узел и расположен в таком месте, где его дефектоскопия затруднительна,
Поэтому надежности такого теплообменника должно быть уделено особое
внимание,
Расход подогретого кислорода, поступающего в кислородный бак
основной ДУ МТКК "Спейс шаттл", регулируется с помощью редуктора
давления, расположенного в баке.
Давление наддува указанного кислородного бака равно 0,137 ... 0,147
МПа- Давление наддува в обоих баках основной ДУ МТКК "Спейс шаттл"
перед стартом (до начала работы бортовой системы наддува) 
обеспечивается гелием от наземного источника.
В ЖРД без дожигания теплообменник размещается непосредственно в
выхлопном коллекторе турбины (в двигателях РД-107 л РД-108 или в
выхлопном патрубке турбины (ЖРД F-1 и Н-1 и др.). Теплообменник 
двигателя РД-119 для наддува кислородного бака размещался между 
выхлопным коллектором турбины и трубопроводом рулевых сопел.
В теплообменник может подаваться гелий из специального баллона;
баллон может размещаться не только вне топливных баков, но и внутри
бака с криогенным компонентом топлива. Например, бак горючего первой
ступени РН "Сатурн-5" наддувался гелием из баллонов, прикрепленных к
шпангоутам внутри кислородного бака.
Чаще в теплообменник подается небольшая часть основного 
компонента топлива из магистрали за главным клапаном. Таким компонентом
может быть любой криогенный компонент топлива, а также четырехокись
азота*
Теплообменник (испаритель) двигателя РД-119 (рис, 13.4) для 
наддува кислородного бака состоит из сварных между собой корпуса 1, двух
змеевиков 4 и 5, входного штуцера 6, выходного штуцера 3 и фланца 2.
Корпус 1 представляет собой тонкостенную оболочку, сваренную из двух
штампованных половин. Со стороны 
входа обработанного турбинного газа 
корпус имеет отбортовку, к которой 
приваривается фланец 2, служащий для
подсоединения теплообменника к 
выхлопному коллектору турбины. С другой
стороны корпуса имеется отбортовка
для приварки трубопровода рулевой
системы. На корпусе имеются две
штамповки с отверстиями, в 
которые вставляются и привариваются
входной штуцер 6 и выходной 
штуцер 3. Внутри корпуса имеются два
змеевика 4 и 5, вставленные один в
другой. Жидкий кислород подается в змеевики через входной штуцер
в котором устанавливается жиклер, обеспечивающий заданный расход
@,17 кг/с). Зазор между витками каждого из змеевиков обеспечивается
обвязкой их проволокой в двух взаимно перпендикулярных плоскостях.
Все детали теплообменника выполнены из коррозионно-стойкой стали.
Фланцем 2 теплообменник подсоединяется к выхлопному коллектору
турбины.
Проходя по змеевику, жидкий кислород испаряется и затем в 
газообразном состоянии подогревается отработанным турбинным газом, посту,
пающим из выхлопного коллектора турбины, до требуемой температуры
D50 ... 550 К), после чего отводится через выходной штуцер для наддува
кислородного бака.
Для разобщения змеевиков теплообменника и магистрали окислителя
до запуска двигателя в трубопроводе, подводящем кислород к нему, 
имеется обратный клапан. При раскрутке ротора ТНА окислитель своим 
давлением преодолевает силу сжатия пружины и давление предстартового 
наддува и открывает обратный клапан.
Для наддува топливных баков ДУ первой ступени РН "Титан-2" 
используется теплообменник, в который поступает отработанный турбинный
газ и, отдавая свою теплоту четырехокиси азота (она отбирается за насосом
ТНА), охлаждается и поступает в бак горючего (аэрозин-50). В свою 
очередь, образовавшиеся газообразные продукты четырехокиси азота идут на
наддув бака окислителя (N2O4).
Наддув топливных баков наиболее целесообразно осуществлять без
использования вспомогательного рабочего тела, так как для него нужен
свой бак (для жидкого рабочего тела) или баллон (для газа) и 
соответствующая система. Наличие вспомогательного рабочего тела в составе ДУ
усложняет ее заправку и эксплуатацию» Однако в ДУ ранней разработки
для наддува топливных баков использовалась система с баком жидкого
азота и теплообменником.
Для наддува всех баков (окислителя, горючего, перекиси водорода и
жидкого азота) первой и второй ступеней РН "Восток и "Союз" 
использован газообразный азот, образующийся в теплообменнике, размещенном
как уже отмечалось, непосредственно в выхлопном коллекторе турбины.
Жидкий азот подается из специального бака вспомогательным насосом,
входящим в состав ТНА. Для наддува керосинового бака ракеты "Блю
Стрик" применяли газообразный азот, полученный путем испарения 
жидкого азота в теплообменнике, расположенном в выхлопном патрубке ТНА
одного из двух ЖРД ДУ. Бак жидкого кислорода этой ракеты наддувался
до давления 0,179 МПа газообразным кислородом. Он образовывался
в теплообменнике, размещенном в выхлопном патрубке второго ЖРД-
Для этого отбирался жидкий кислород от трубопровода ЖГГ через 
жиклер, обеспечивающий расход 1кг/с.
Газообразный кислород при температуре примерно 455 К направ-
лялся по газопроводу с расширительными сильфонами к верхней части
бака.
Если в ЖРД основной ЖГГ является восстановительным, то роль 
агрегата наддува бака горючего может играть смеситель. Смеситель двигателя
РД-119 (рис. 13,5) представляет собой цельносварной узел, изготовленный
из коррозионно-стойкой стали. Смеситель состоит из корпуса 1 с 
приваренными к нему конусом 3, кронштейном 2 и штуцером 4. Штуцер 4 приварен
к корпусу под углом 45°. В корпусе в месте приварки штуцера 
просверлено (также под углом 45°) отверстие, через которое вводится во 
внутреннюю полость смесителя горючее. Газ из однокомпонентного ЖГГ 
подводится через конус 3. Образовавшийся газ отводится через штуцер корпуса
на наддув бака горючего (НДМГ).
Баки первой ступени РН "Ариан" наддуваются продуктами сгорания,
отобранными из ЖГГ всех четырех ЖРД ступени; температура продуктов
сгорания, поступающих в баки, равна 675 К, а их давление - 0,4 МПа.
Для наддува топливных баков применяют также ЖГГ: 
окислительные - для наддува бака окислителя и восстановительные — для наддува
баков горючего. ЖГГ наддува могут устанавливаться непосредственно на
верхних днищах баков, при этом от двигателя к ним должен подводиться
соответствующий (относительно малый) расход основных компонентов.
Если ЖГГ входят в состав ЖРД, то газы наддува, вырабатываемые в них, по
теплоизолированным трубопроводам подводятся к верхней части баков,
В последнем случае масса трубопроводов наддува получается большей.
При вводе горячих продуктов сгорания в газовую полость бака 
необходимо исключить турбулизацию поверхности компонента топлива, что
обеспечивается соответствующей конструкцией узлов ввода газа наддува
в бак,

[свернуть]

[SN]

Пневмогидравлические системы двигательных установок с жидкостными
ракетными двигателями. Под ред. В. Н. Челомея, 1978

Спойлер

2.3. СИСТЕМА НАДДУВА ТОПЛИВНЫХ БАКОВ
Система наддува топливных баков обеспечивает 
предпусковой наддув баков до давлений, необходимых для безаварийного
запуска двигателей, а также основной наддув баков в полете от
бортовых подсистем наддува. Система наддува взаимосвязана
со многими системами, улучшение ее характеристик оказывает
существенное влияние на повышение эффективности 
двигательной установки и ракеты в целом.
Для наддува топливных баков перед пуском и в полете 
обычно применяют газобаллонные, испарительные или 
газогенераторные системы, использующие жидкие или твердые компоненты
топлива (рис. 2.8, 2.9, 2.10, 2.11).
Известны также системы наддува баков с газофицированны-
ми основными компонентами топлива. Такие системы 
целесообразно применять на ракетах-носителях, использующих в 
качестве основных компонентов криогенные топлива, например,
жидкий кислород+жидкий водород (рис. 2.12).
В стадии разработки находятся химические системы 
наддува, «эснованные на впрыске реагирующего компонента в бак.
В газобаллонных системах наддува (см. рис. 2. рабочее
тело представляет собой газ (обычно воздух, азот или гелий),
который хранится в баллонах под высоким давлением, что 
является серьезным источником ненадежности.
Известные системы наддува, использующие летучие 
жидкости, работают следующим образом. В процессе перехода 
летучего вещества из жидкого состояния в газообразное в 
ограниченном объеме происходит повышение давления, которое может
быть использовано для вытеснения топлива из баков (см. рис.
2.9). В отличии от описанных систем такую систему 
целесообразно применять в двигательных установках малой тяги. 
Постоянное давление наддува в такой системе поддерживается путем
стабилизации температуры летучего вещества. В качестве 
источников тепловой энергии для нагрева летучего вещества могут
использоваться электрические батареи, теплопоглотительные
системы и т. п. Теплонагреватели включаются по командам 
сигнализаторов давления в топливном баке. Такие системы 
применяются на управляющих двигательных установках. Для 
вытеснения топлива из баков применяются герметичные сильфоны,
а в качестве летучего вещества используются аммиак, фреон
и т. д.
Преимуществом газогенераторной системы наддува (см. рис.
2.10) является возможность использования в качестве 
источника газа жидких или твердых топлив, которые занимают мало
места и удобны в хранении. Рабочие характеристики газа 
выбираются с учетом обеспечения максимальной эффективности 
такой системы. Для наддува баков окислителя и горючего 
необходимо две отдельные газогенераторные системы (во избежание
неконтролируемых реакций между компонентами топлива в
баках), что в конечном итоге приводит к усложнению 
двигательной установки.
Наиболее компактным источником рабочего газа обычно
являются твердые топлива (см. рис. 2.11), у которых 
температура продуктов сгорания лежит в пределах 1370—1470 К. В 
течение многих лет для этих целей использовались топлива двух
типов — двухосновные с большим недостатком окислителя
(жидкие нитроэфиры) и смесевые топлива на основе нитрата
аммония. Жидкие нитроэфиры могут диффундировать к 
границам заряда, уменьшая его прочность. Продукты сгорания этих
топлив имеют чрезмерно высокую температуру или содержат в
большом количестве твердые частицы углерода. С другой 
стороны, составы на основе нитрата аммония имеют относительно
низкую плотность, гигроскопичны и сравнительно плохо 
воспламеняются.
Если для наддува используется сжатый газ, то с целью 
экономии в габаритах системы его удобно хранить при криогенной
температуре (см. рис. 2.12.). В ракетах, работающих на 
криогенных компонентах топлива (Титан-1, Сатурн-1В, Сатурн-5) для
этой цели баллоны с сжатым газом помещают в тошшвные баки
и топливо играет роль теплопоглотителя.
В двигательной установке лунного экспедиционного корпуса
космического корабля «Аполлон», где используются высококи-
пящие компоненты топлива (четырехокись азота и аэрозин-50),
а для наддува применяется гелий, естественная среда с 
криогенной температурой отсутствует, поэтому для нее разработана
специальная криогенная система, последующие испытания 
которой показали ее высокую эффективность и надежность. Гелий,
применяемый для наддува топливных баков, хранится в 
сферическом сосуде Дьюара с вакуумной рубашкой при 
сверхкритическом давлении и криогенной температуре.
Можно получать газ наддува в процессе контролируемой 
реакции, протекающей непосредственно в баках между одним 
компонентом топлива и дополнительным компонентом (так 
называемый химический наддув). Такая система наддува особенно
привлекательна для ракеты длительного хранения на 
самовоспламеняющихся компонентах топлива и является предметом
интенсивных исследований [32, 33]. Дополнительный реагент
можно впрыскивать на свободную поверхность жидкости в баке
или в массу жидкости ниже ее поверхности. Установлено, что в
первом случае дополнительный реагент необходимо впрыскивать
в виде сплошной струи; при этом следует избегать дробления
струи в процессе впрыска и разбрызгивания при ее контакте со
свободной поверхностью жидкости в баке, поскольку 
увеличение глубины проникновения струи в массу жидкости 
способствует снижению температуры получаемого газа до приемлемого
уровня, а дробление и разбрызгивание может привести к 
интенсивному горению капель. Горящие капли не должны попадать
на стенку бака. Лучше впрыск осуществлять подальше от 
стенки и под большим углом для лучшего проникновения струи
D0^7^90°). При поверхностном впрыске требуется меньший
расход дополнительного реагента. Впрыск на свободную 
поверхность обеспечивает большой удельный объем продуктов 
реакции, меньшие засорение и меньшее повышение температуры 
массы основного компонента топлива и более высокую температуру
газа. При экспериментальных исследованиях получали 
температуру газа в подушке 9204-1070 К. Температура топлива через
15 с повышалась на 1 —1,5 К, при этом реакции в баке 
протекали с соотношениями компонентов 0,14—0,42 (все данные 
приведены для бака горючего, заправленного гидрозином). В 
качестве реагента использовался пятифтористый хлор.
Опыты по наддуву окислителя не дали положительных 
результатов, а привели к разрушению конструкций. Вследствие
комплексной природы явления точный расчет коэффициентов
соотношения компонентов топлива не представляется 
возможным и является главной причиной ошибок при расчете 
характеристик наддува. Данные по составу газов после химических ре*
акций, полученные экспериментально, отличаются на 10—15%
°т данных, рассчитанных известными методами теории химичес-
кого равновесия для соответствующих значений коэффициентов
соотношения компонентов топлива. Установлено, что такие 
параметры, как характер распыла, расход реагента и давление,
влияют на колебания характеристик наддува. Основные 
преимущества химического наддува: возможность точного 
регулирования давления и приемлемый уровень температур стенок баков
и топлива, а также высокая эффективность.
Реагент хранится под давлением в небольшом баке и 
периодически впрыскивается в главный топливный бак при помощи
клапана, которым управляет реле давления. Существенным 
недостатком химического способа наддува является сложность
организации одинаковых условий впрыска топлива при 
перемещении уровня в процессе выработки топлива из баков.
Экспериментально установлено, что такая система наддува
может регулировать давление в баке с точностью ±1% при 
частоте впрыска от 2 до 5 Гц при начальном объеме газовой 
подушки, составляющей 5% полного объема бака. Химический
наддув можно использовать при наддуве закольцованных 
газовых подушек окислителя и горючего, однако в этом случае 
требуются устройства для поддержания стабильности разных 
величин давлений в каждом баке.
В настоящее время изучается возможность использования
химического наддува для криогенных и тиксотропных топлив, а
также для наддува баков высокого давления [32, 33].

 

[свернуть]

[Штуцер]

Гусев_А пишет:
Не возможно ли обойтись, просто нагревом ЖК от РД. Так скорость расхода ЖК известна зарание, и остается только подвести нужное количество тепла, для частичного газообразования, который создаст нужное давление.

Даже если удастся организовать стабильный процесс наддува, в паузах между включениями будет провал до Ps  кислорода. Перед последующим включением придется организовывать наддув.

[Сергей]

Экзотический вариант - наддув газами  двух твердотопливных газогенераторов глубокого регулирования с безметальным топливом с регулированием по давлению в баке - количество регуляторов в разводящей цепи  по потребности , один с кислым газом, другой со сладким, причем можно использовать и дожигание в баках.
Применяется ТТ с сильной зависимостью от давления в КС генератора. Размыкается зависимость газогенераторов наддува от режима работы газогенераторов маршевых ЖРД, системы становятся автономны, минимальный расход топлива на наддув. Аналогичные системы (ДГР) используются в платформах разведения МБР(Россия, МИТ).

[Leonar]

Короче с гелием легче система в любом случае получится...

[Плейшнер]

Штуцер пишет: 
Даже если удастся организовать стабильный процесс наддува, в паузах между включениями будет провал до Ps кислорода. Перед последующим включением придется организовывать наддув.

Если кислород не переохлажденный а кипящий, разве не будет этого достаточно чтобы поддерживать наддув в паузах?

[Apollo13]

Вроде ж наддув компоненами топлива в сумме (включая расходуемое топливо) тяжелее чем гелием, но проще.

[Плейшнер]

Apollo13 пишет:
Вроде ж наддув компоненами топлива в сумме (включая расходуемое топливо) тяжелее чем гелием, но проще.

И дешевле.
Но вот если компонент не криогенный, тогда то о чем говорит Штуцер, действительно добавит проблем