Заправка
ЗАПРАВКА ракеты-носителя — заполнение топливных баков PH жидкими компонентами топлива и бортовых баллонов высокого давления сжатыми газами. Время на заправку регламентируется. Количество топлива, заправляемого в топливные баки, указывается в полётном задании и выражается в единицах массы. Технологически процесс заправки состоит из двух этапов — подготовки топлива и заправочной системы и собственно заправки.
Подготовка топлива к заправке заключается в установлении химического состава и плотности при заданной температуре. Температура топлива должна быть не только определённой, но и постоянной по всему объёму заправочной ёмкости, что достигается барботированием топлива перед заправкой. Температурное расслоение жидкости в заправочной ёмкости происходит в результате конвекции (свободной или вынужденной) или в результате радиационного воздействия Солнца и Земли. В некоторых случаях для получения определённой плотности и температуры в специальных теплообменных системах топливо охлаждают (или нагревают) и подвергают термостатированию. Знание истинной температуры топлива позволяет с достаточно высокой точностью определять его плотность, по которой можно вычислить необходимый объём заправляемого топлива.
Заправка осуществляется по заправочным системам, включающим трубопроводы и арматуру заправочных систем. Трубопроводы соединяют заправочную ёмкость с магистралями топливной системы ДУ PH. Для транспортировки (подачи) топлива по трубопроводам используют источники энергии, сообщающие топливу определённое давление при соответствующем расходе, который определяется временем заправки (временем, за которое расчётное количество топлива окажется в баках PH). По типу источника энергии заправка может быть насосной или вытеснительной. При насосной заправке топливо из заправочной ёмкости подаётся в баки PH, как правило, центробежными насосами, которые могут работать в режиме закрытой задвижки (такой режим может возникнуть при внезапном перекрытии напорного трубопровода в случае экстренного прекращения заправки); при этом максимальное давление в напорных трубопроводах не будет превышать рабочее более чем на 20—30%. При вытеснительной заправке в газовой подушке заправочной ёмкости создаётся избыточное давление, которое и определяет расход топлива при заданном режиме, т.к. объёмный расход поступающего из ресиверной и редуцированного до необходимого давления сжатого газа приблизительно равен объёмному расходу заправляемого топлива. Основное достоинство насосной системы подачи — сравнительно малая металлоёмкость, т.к. источником энергии являются малогабаритные высоконапорные и большерасходные насосы. Расходы топлива составляют десятки м3/мин, а напоры — до 100-150 м столба жидкости, однако мощности, потребляемые электроприводами насосных установок (обычно асинхронные электродвигатели), составляют сотни кВт, что требует наличия на стартовой позиции специальных электростанций. При вытеснительной подаче сжатый газ можно предварительно накопить в баллонных батареях ресиверных.
Расход топлива при заправке регулируется с помощью элементов арматуры заправочных систем (гидроклапанов, дросселей, задвижек и т.д.). Перед началом заправки производится наддув заправочной ёмкости, а корпус насоса и гидравлические магистрали, соединяющие трубопроводы заправочной системы с системой трубопроводов топливных баков PH, заливаются топливом. Заливка насоса и магистралей топливом необходима для обеспечения бескавитационного режима работы насоса и плавного (без провалов и колебаний в расходе и напоре) выхода на расчётный режим заправки. Следующий этап — включение насосной установки при открытой запорной и регулирующей расход топлива гидравлической арматуре. В начале и конце заправки используется режим малого расхода, позволяющий устранить возникновение гидравлического удара, а также обеспечивающий более точное дозирование топлива. Ракетные топлива, как правило, токсичны, пожароопасны или коррозионно-активны и обладают повышенной летучестью и испаряемостью, поэтому в процессе заполнения топливных баков PH происходит сброс (через дренажно-предохранительные клапаны) в систему нейтрализации паров топлива, смешанных с воздухом и вытесняемых из баков поступающим туда топливом (см. Нейтрализация топлива). При насосной системе подачи топлива можно применять закольцовку, т.е. соединение трубопроводом топливного бака PH с заправочной ёмкостью для отвода туда воздуха с парами топлива; в этом случае нет необходимости иметь систему нейтрализации паров топлива. В заправочной ёмкости для обеспечения бескавитационной работы насосной установки создаётся избыточное давление, которое в процессе заправки должно или оставаться постоянным, или меняться по определённому закону. Для этого в заправочную ёмкость подаётся газ, редуцированный до определённого давления и замещающий выдаваемый объём топлива. При больших расходах топлива трудно обеспечить стабильную работу редуктора, понижающего давление газа, поступающего в заправочную ёмкость. При применении системы закольцовки необходимо в начале заправки с помощью внешней системы наддуть ёмкость до определённого давления, а далее объёмы топлива, выдаваемые из заправочной ёмкости, будут замещаться в ней смесью паров топлива с воздухом, вытесняемой из баков PH топливом. Поэтому система внешнего наддува, поддерживающая необходимый закон изменения давления, работает на малых расходах. При заполнении баков PH топливом примерно на 95% расход топлива через насосы уменьшается, и при достижении заданного количества закрывается запорная арматура, останавливаются насосы, и прекращается наддув заправочной ёмкости. Регистрация суммарного количества топлива, заправленного в баки PH, осуществляется системой контроля уровня (СКУ), в которую входят уровнемер (градуированный вместе с топливным баком), вторичная регистрирующая аппаратура или дозатор. По методу измерения дозаторы топлива могут быть объёмные или массовые.
Поскольку в качестве ракетного топлива могут применяться сжиженные газы (криогенные топлива) — кислород, водород и т.п., имеющие низкую температуру кипения (ниже -180°С), в процессе нахождения PH на ПУ происходит испарение топлива и выбросы через дренажно-предохранительные клапаны баков его паров, что компенсируется подпиткой, т.е. периодической дозаправкой топливом с помощью подпитчика — заправочного агрегата. Подпитчик имеет термоизолированную ёмкость с криогенным топливом, систему автоматического управления и комплект трубопроводов с запорной и регулирующей арматурой и шлангами. Топливо подаётся насосной установкой или методом вытеснения. Система управления подпитчиком связана с СКУ бака PH и автоматически включает и выключает подпитку. Когда уровень топлива в баке вследствие испарения опускается ниже нормы, система управления подпитчиком получает командный сигнал и топливо (малым расходом) поступает в бак PH; по достижении топливом заданного уровня СКУ выдаёт командный сигнал на прекращение подпитки. Перед пуском система подпитки отключается от PH. Для предотвращения потерь криогенного топлива, заправленного в PH, применяют его охлаждение или обратную конденсацию (превращение паров топлива в жидкость).
В этом случае пары топлива конденсируются в специальных холодильных машинах (см. Холодильный центр) и возвращаются в жидком состоянии обратно в топливные баки PH.
Для регистрации в процессе заправки давления, температуры, расхода, уровня топлива в заправочных ёмкостях и баках PH, наличия топлива в магистралях заправочной системы, частоты вращения электродвигателей насосных установок, напряжения и силы тока, давления рабочего газа в пневмосистеме, управляющей исполнительными органами гидравлической запорной и регулирующей арматуры, и др. параметров применяется контрольно-измерительная система.
Давление измеряется датчиками, которые преобразуют энергию давления в электрический сигнал. Используются датчики давления с потенциометрическим, индуктивным, ёмкостным преобразователем, вырабатывающим электрический сигнал, пропорциональный давлению и передаваемый па показывающий прибор, шкала которого градуирована в единицах давления. Датчики давления (называемые также сигнализаторами, пневматическими реле) являются первичными датчиками дистанционных манометров. Контроль заполнения гидравлических магистралей заправочной системы осуществляется сигнализатором наличия жидкости — датчиком, срабатывающим при наличии жидкости в данном участке трубопровода. Сигнализатор представляет собой нормально разомкнутый контакт, который замыкается электропроводящим топливом; он может также быть выполнен в виде пьезокристалла; является одним из элементов системы контроля за процессом заправки и системы блокировки. Температура измеряется дистанционными термометрами, в качестве которых применяют термопары, термисторы и т.п., реже газо- или жидкостнонаполненные ампулы, в которых под воздействием температуры окружающей среды изменяется давление или объём рабочего тела. Расход топлива измеряется расходомерами, входящими в состав дозатора. Частота вращения контролируется электротахометрами. Положение исполнительных органов гидроарматуры определяется по показаниям датчиков пути или конечных выключателей. Первые представляют собой потенциометры, вторые — размыватели электроцепи. Выходные сигналы всех первичных датчиков контрольно-иэмерительной системы в виде электрических сигналов поступают в различные системы управления заправкой.
Для управления заправкой применяется специальный пульт (панели, собранные на приборных стойках), с которого оператор, производящий заправку PH топливом и сжатыми газами, контролирует прохождение команд. На панелях расположены: световые табло, сигнализирующие о степени готовности заправки и режимах процесса заправки; пневмо-гидравлическая схема системы заправки, на которой фиксируются с помощью световых сигналов положения управляющих элементов гидросистемы; регистрирующие приборы системы измерения и контроля параметров процесса заправки. Система дистанционного управления заправкой предназначена для последовательного осуществления технологических операций, обеспечивающих заправку PH в ручном и автоматическом режимах. Работа этой системы фиксируется на панелях пульта, поэтому оператор контролирует по соответствующим сигналам любое нарушение в последовательности выполнения операций и исправляет его. Система автоматического управления технологическими операциями с пульта представляет собой совокупность приборов на стартовом комплексе для управления операциями, связанными с хранением топлива, пристыковкой исполнительных и дренажных магистралей, электро- и пневморазъёмов, заправкой PH, сливом топлива из неё и некоторыми вспомогательными операциями. Приборы связаны (в части выдачи и получения команд) с системами нейтрализации, термостатирования топлива, вентиляции хранилищ топлива, транспортно-установочным агрегатом, системами управления технологическими параметрами, противопожарной защиты и др. Разрешающие команды поступают с системы дистанционного управления технологическими операциями.
Заправка PH топливом и сжатыми газами, подготовка PH к пуску производятся автоматически, слив топлива — полуавтоматически, заполнение хранилищ топливом, термостатирование и барботирование топлива, слив топлива из заправочных магистралей и др. осуществляются вручную по командам оператора.
Заправка бортовых баллонов PH сжатыми газами происходит от систем газоснабжения, представляющих собой ресиверные с баллонными батареями, необходимой регулирующей и запорной арматурой, а также системой газовых редукторов для снижения давления сжатых газов, поступающих к потребителям. Газ, заправленный в бортовые баллоны PH, используется для наддува топливных баков PH (разгрузки от сжимающих усилий и создания бескавитационного режима работы ТНА ДУ). Основные требования, предъявляемые к газам — нейтральность по отношению к топливу, малая растворимость в нём; отсутствие конденсации при температуре компонента топлива. Особенно это важно при наддуве баков с криогенными топливами (см. Газы сжатые). Транспортировка сжатых газов производится по трубопроводам со скоростями до десятков м/с. Особенно важны начало и конец заправки: в начале заправки сжатый газ, поступающий в трубопровод, давление в котором относительно мало, приобретает сверхзвуковые скорости, что может привести к появлению пневмо- и теплового удара, при котором давление и температура газа могут повыситься в десятки раз. В конце заправки эти явления могут возникнуть при внезапном перекрытии заправочных пневмомагистралей. Для ликвидации этих явлений создаются тупиковые участки трубопроводов, где и реализуются повышенные температуры и давления. Процесс заправки баллонов сжатым газом и его давление контролируются дистанционными манометрами на баллонной батарее PH.
Источник: Космонавтика: Энциклопедия / Гл. ред. В. П. Глушко…
