ТАК ЗАПРАВЛЯЮТ ЗВЕЗДОЛЕТЫ
Н. Новиков
Один из второстепенных, казалось бы, этапов каждой космической эпопеи - заправка топливом ракеты-носителя и космического корабля - состоит из множества сложных, точных и очень ответственных операций.
За эффектным зрелищем старта космической ракеты всегда угадывается огромный труд больших коллективов людей, труд рабочих, инженеров, ученых, тех, кто создает и готовит в путь всю эту фантастическую сложность, которую мы сухо называем ракетно-космической техникой.
Со всех концов страны на космодром стекаются приборы, оборудование, отдельные блоки и многоагрегатные системы. И лишь сравнительно небольшой коллектив работников космодрома непосредственно занимается подготовкой ракеты-носителя и космического аппарата к старту и самим их запуском. Сборка отдельных ступеней ракеты-носителя и соединение их между собой, окончательная сборка космического аппарата и пристыковка его к носителю, бессчетные проверки узлов, агрегатов, приборов, комплексные проверки всей подготовленной к запуску космической системы, доставка ее на стартовую позицию, установка в вертикальное положение, проведение огромного комплекса предстартовых операций - вот далеко не полный перечень того, что предшествует последней команде «Подъем!»
В длинной технологической цепочке подготовительных работ важное место занимает заправка ракеты и самого космического аппарата топливными компонентами. От заправки, как, разумеется и от большинства других операций, во многом зависит успех всего космического эксперимента. Недозаправить ракету-носитель - значит поставить под угрозу само выведение полезной нагрузки в заданную точку пространства с заданной конечной скоростью. Из-за нехватки топлива, пусть даже незначительной, двигатели проработают меньше расчетного времени, головной блок сойдет с расчетной траектории, а то, и вовсе не получит космической скорости. Перезаправить ракету, залить в нее топливных компонентов больше, чем требуют расчеты, тоже плохо. Хотя бы потому, что весь режим полета рассчитан, причем с высокой точностью, на определенный стартовый вес. Ну, а облить ракету при заправке агрессивными или легко воспламеняющимися компонентами топлива - значит подвергнуть ее опасности быть уничтоженной прямо на стартовом столе.
Многие факторы заставляют выделить заправочные средства в разряд, как принято говорить, специальной техники, предъявить особо высокие требования к технологии проведения заправки.
Попробуем проследить, в, какой последовательности, и, каким образом реализуются основные операции в технологической схеме заправки ракетно-космической системы топливными компонентами.
Перед нами светлое, просторное помещение, напоминающее цех современного завода. Большие ворота, через которые ввозят детали, материалы, сырье и вывозят готовую продукцию. Плакаты, призывающие к соблюдению правил техники безопасности при работе с оборудованием. Слышатся резкие звонки, они доносятся откуда-то сверху, «с небес». Поднимаете голову и все ясно это крановщик мостового крана напоминает, что здесь, в этом цехе, нужно быть настороже, нужно быть повнимательней.
И все же цех, в который мы попали, чем-то не похож на заводской. Хотя бы потому, что не слышно гула станков, хотя их, как будто довольно много. Станки эти, разных размеров кубы, параллелепипеды, цилиндры, тихо стоят двумя шеренгами с обеих сторон железнодорожной колеи, которая проходит через все помещение.
Мы с вами на одной из заправочных станций космодрома. Здесь производится заправка не всего космического комплекса, а лишь его головного блока - пилотируемого корабля, автоматического спутника или межпланетной станции, иногда с последней ступенью ракеты-носителя. Происходит это примерно так. Будущий космический объект на платформе движется по железнодорожной колее мимо «станков» - заправочных колонок. Во все стороны разбегаются от них трубопроводы, шланги, кабели. По одним к колонке из хранилища подается топливный компонент, другие связывают ее с расположенными на значительном расстоянии пультами, откуда осуществляется управление заправкой. Сами колонки - это лишь оконечное оборудование сложной заправочной системы. Они, как часто говорят, лишь осуществляют коммутацию между «Землей», и «Бортом», обеспечивают герметичное соединение гидравлических коммуникаций «заправщика», и «заправляемого»
В цехе, куда мы пришли, колонок довольно много. И это вполне понятно двигательные установки космических аппаратов в зависимости от их назначения (маршевые, корректирующие, двигатели торможения, микродвигатели ориентации) работают на различных видах химического топлива, используя разные окислители. (Вы, конечно, знаете, что в ракетных двигателях топливо горит совсем не так, как, скажем, горит спичка, отбирающая окислитель - кислород, - прямо из воздуха. В ракетный двигатель окислитель вводится в готовом, причем очень концентрированном виде.) Кроме того, нужны еще и газовые колонки, например, для заправки аппаратов азотом и гелием, а также колонки вакуумирования, то есть создающие в некоторых объемах разрежение.
Если от заправочной колонки пойти вдоль топливной магистрали, то попадешь в дозаторную. Здесь осуществляется одна из самых ответственных операций заправки - набор определенного полетным заданием количества топливного компонента, тщательный контроль набранной дозы.
На высокоточных весах установлена емкость-дозатор, снизу или сверху к ней подходят гибкие шланги. Поскольку вес шлангов и их жесткость влияют на результаты взвешивания, количество связей дозатора с внешним миром сведено к минимуму наполнение дозатора и выдача компонента из него производится по одному и тому же гибкому шлангу. Кроме него, имеются шланги наддува и дренажирования (отвода газов), часто тоже объединенные в один. После того, как набрано необходимое количество топливного компонента, в дозатор подается под давлением газ, который выталкивает компонент топлива к заправочной колонке.
Дозаторная соединена переходом со следующим сооружением - хранилищем топливного компонента. На высоких подставках-ложементах покоятся емкости для приема компонента из железнодорожных или автоцистерн и его длительного хранения. Хранить компоненты ракетного топлива тоже не так-то просто - нужно строго поддерживать заданные параметры компонента, в частности температуру, контролировать содержание примесей, влаги. Емкости хранилища оборудованы приемными и сливными коммуникациями, контрольными и предохранительными устройствами, пробоотборниками и многими другими устройствами. Многочисленными разнокалиберными трубопроводами емкости хранилища связаны между собой, а все вместе - с насосной станцией, куда сейчас лежит наш путь.
На станции имеется несколько насосных блоков, в каждом из которых скомпоновано несколько однотипных центробежных насосов. Благодаря этой однотипности обеспечивается взаимозаменяемость насосов в случае неисправности, какого-нибудь из них. С помощью насосной установки компоненты перекачиваются из транспортных средств в емкости хранилища, а также производится перемешивание компонента, когда нужно выровнять его температуру по всему объему емкости. Кроме того, насосы прокачивают компонент через теплообменные устройства, которые вместе с емкостями хранилища и регулирующей аппаратурой образуют огромный термостат. Ну и, конечно, насосная станция выполняет главную свою работу - подает компоненты в дозатор.
Здесь же, в насосной, в заглублении пола, располагаются и вспомогательные емкости, куда сливают остатки компонентов из магистралей и насосов после окончания заправки. Остатки эти удаляются потом с помощью системы пневматического выдавливания в емкости для «утиля»
В других помещениях заправочной станции, а их немало - можно встретить похожие агрегаты и системы, которые служат для заправки самыми разнообразными компонентами топлив. Их тоже немало. Отдельно располагается холодильный центр заправочной станции. Его оконечное оборудование - теплообменники можно увидеть в разных местах станции их имеет каждая нуждающаяся в этом система. Холод подается потребителям так же, как подаются обычно сжатый воздух, вода, газ.
На втором этаже здания многочисленные, как их здесь называют, пультовые, то есть комнаты и залы, где установлены пульты управления. Совершенная аппаратура и хороший обзор рабочих помещений облегчают контроль за исполнением поданных команд, дают возможность следить за тем, как головной блок проходит технологический цикл заправки. А цикл этот для заправочной станции начинается задолго до того, как в нее ввозят головной блок.
Пока в монтажно-испытательном корпусе космических объектов (сокращенно он называется довольно забавно - МИК КО) проходит последнюю проверку собранный головной блок, заправочная станция готовится к его приему. Прежде всего компоненты топлив охлаждают до минимально допустимых температур, для того, чтобы максимально повысить их удельный вес. Такое охлаждение компонентов заложено в технологическую схему заправки еще при разработке аппарата. Оно, охлаждение, позволяет наилучшим образом использовать объем топливных баков космического аппарата и в конечном итоге дает возможность при конструировании аппарата ставить на него баки минимального (для данного количества топлива) объема, а значит и минимального веса. Для охлаждения, какого-либо компонента его прокачивают по кольцу, включающему одну или несколько емкостей хранилища и теплообменники, к которым подводится холод.
Наряду с охлаждением (на заправочных станциях обычно говорят «захолаживание») производится деаэрация топливных компонентов. Известно, что газ, содержащийся в жидкости в растворенном или взвешенном состоянии, на участках магистралей с пониженным давлением выделяется из жидкости и скапливается в большие пузыри. Это приводит к резкому увеличению гидравлического сопротивления магистралей, к срыву в работе насосных установок. Особенно страшны такие газовые пузыри в невесомости, где отсутствует четкая граница раздела между жидкой и газовой фазами. Что было бы, если бы, скажем, при последней коррекции траектории автоматической станции «Венера» из-за попадания в двигательный тракт газового пузыря не включился корректирующий двигатель? Точно предсказать последствия этого довольно трудно, но одно можно сказать определенно они были бы печальными.
Для борьбы с подобными неприятностями можно, конечно, перед включением корректирующего двигателя создать на борту аппарата искусственную силу тяжести (например, включением газовых микродвигателей), и с ее помощью отогнать газовый пузырь от топливной магистрали двигателя. Но такой способ усложнит систему управления аппаратом, снизит его надежность. Естественно поэтому, что концентрацию газа в топливных компонентах стараются уменьшить на Земле, перед заправкой их в баки космического аппарата.
Идеальным было бы полное удаление газов из жидкости, например, вакуумированием. Однако вакуумирование способствует интенсивному испарению наиболее летучих фракций топливного компонента, а это приводит к изменению его состава, а значит и химических свойств. Да, и само это испарение летучих фракций исключает создание глубокого вакуума, с помощью которого можно было бы удалять растворенные газы. Выход есть только один - заменить хорошо растворимые в жидкости газы, такие, как кислород, азот, на менее растворимый, например, на гелий. Это и значит подвергнуть жидкость деаэрации, то есть удалить из нее основные составляющие воздуха, одновременно растворив до насыщения гелий.
Охлаждение и деаэрацию можно считать основными операциями при подготовке топлива к заправке, хотя в принципе обе они могут проводиться и непосредственно в процессе заправки головного блока.
После того, как получены положительные результаты контрольных проверок в МИК КО, космический аппарат на специальной тележке подается на заправочную станцию. Оттуда после заправки компонентами и сжатыми газами его отвезут в основной монтажно-испытательный корпус, в основной МИК. Здесь головной блок состыкуют с ракетой-носителем, проверят полностью собранную ракетно-космическую систему и, наконец, отправят ее на старт. Давайте оставим на время космический объект на заправочной станции, а сами отправимся к стартовому комплексу, где будет происходить заправка самой ракеты-носителя и заправка головного блока недостающими компонентами.
В отличие от уже знакомой нам заправочной станции, находящейся на удалении в несколько километров от места старта, системы для заправки носителя располагаются в непосредственной близости от стартового сооружения. Все заправочное оборудование установлено в заглубленных помещениях, надежно укрытых сверху на случай аварийного пуска ракеты. Под мощными бетонными сводами мы видим те же в принципе емкости, насосы, трубопроводы, какие встречали на заправочной станции. Однако их значительно больше и выглядят они более солидно, более фундаментально. И это понятно здесь объемы компонентов уже не сотни литров, а сотни кубических метров. По-другому выглядят и сами помещения, хранилища, насосные станции, совсем другое здесь «жизненное пространство». Бесконечные подземные лабиринты - потерны - соединяют одно сооружение с другим, все смотрится внушительно, впечатляюще.
Здесь сейчас тоже готовятся к заправке - идет охлаждение компонентов топлива. Вспомогательные насосы прокачивают горючее через теплообменные аппараты и возвращают его в емкости хранилища. Мощные эжекторы (это устройство по своим функциям напоминает пылесос) отсасывают парожидкостную смесь из резервуаров, где хранится окислитель - кислород. Удаление смеси способствует интенсивному испарению жидкого кислорода. На это, как всегда (вспомните свой домашний холодильник), расходуется тепло и температура кислорода снижается. Попадая в специальный теплообменник-конденсатор, пары конденсируются, а выделяемое при этом тепло отбирается жидким азотом. Сжиженный в конденсаторе кислород возвращается в хранилище.
Если по подземному бетонированному лабиринту пойти из помещения заправщика в сторону стартового сооружения, то на всем пути (а это сотни метров!) вас будут сопровождать огромного диаметра трубы, покрытые мощной теплоизоляцией. Это магистральные трубопроводы, по которым компоненты топлива подаются к стартовому сооружению. Трубопроводы оборудованы компенсаторами тепловых деформаций, содержат средства обслуживания и контроля. Здесь производится фильтрация компонента, замеряются выходные параметры агрегата расход жидкости, ее давление, температура. Из подземных лабиринтов трубопроводы выходят под стартовый стол, на котором стоит ракета и через гибкий шланг-переходник^ (удобно ли его называть шлангом диаметр чуть ли не пол метра!) соединяются с трубопроводами фермы обслуживания. На соответствующих высотах эти трубопроводы разветвляются, расходятся каждый к своей ступени ракеты. В каждой такой ветви устанавливаются приборы, которые последний раз контролируют параметры компонента перед тем, как он попадет в баки ракеты.
Заправочный агрегат может соединяться с баками ракеты и не одним трубопроводом. Совершенно необходим, например, трубопровод не только для заправки, но, и для слива нагревшегося при стоянке ракеты компонента - без циркуляции невозможно термостатировать баки, то есть с помощью аппаратуры автоматического регулирования поддерживать в них постоянную температуру. Третьим может быть так называемый трубопровод закольцовки - он соединяет между собой незаполненные жидкостью полости баков ракеты и емкостей заправщика. Такое соединение совершенно необходимо при заправке ракеты компонентами, которые содержат летучие токсичные фракции. Если учесть, что, кроме топливных коммуникаций (а топливо - это горючее плюс окислитель) по ферме обслуживания проходят еще и газовые (азот, воздух, гелий) магистрали, силовые кабели, кабели теле-. метрии, связи и многие другие коммуникации, то станет ясно, какую сложную систему представляет собой эта ферма, соединяющая ракету с внешним миром на все время подготовки к старту.
Давно отъехал транспортно-установочный агрегат, доставивший из МИКа, и нацеливший в небо эту многотонную громадину. Уже пристыкованы к ракете всевозможные, в том числе и заправочные, коммуникации, снова, уже в который раз, подвергаются ракета-носитель и головной блок тщательной проверке, по особой, тщательно отработанной схеме проверяется правильность функционирования всех систем, причем вместе с «Бортом» проверяется, и «Земля». Частью такой комплексной проверки является так называемая «сухая» заправка ракеты, когда, как на генеральной репетиции, проигрывается весь цикл заправки (но без подачи компонентов), контролируется правильность срабатывания всей запорно-распределительной арматуры, всех этих бесчисленных дистанционно управляемых кранов, заслонок, дозаторов.
Наконец все окончательно проверено самыми придирчивыми контролерами - здесь ведь тоже есть свой ОТК, и можно приступать к «мокрой» заправке. С центрального поста подготовки ракеты к пуску - его для краткости называют просто центральный пост подготовки, ЦПП, - получено разрешение на начало заправки. Включаются и выводятся «на режим» насосы и после заполнения заправочных коммуникаций компонентам открывают путь в баки ракеты. Контролируется уровень жидкости по каждому баку, за этим следит СКУ - система контроля уровня. Геометрия баков известна, температура компонента тоже и по показаниям датчиков уровня определяется количество жидкости в заправляемом баке. Независимо от системы контроля уровня контролируется и расход топлива в магистралях.
В процессе заполнения баков производится их дренажирование - сброс газовой фазы вместе с парами компонента (через дренажно-предохранительный клапан в емкости заправщика). Дренажирование кислородных баков, то есть выбрасывание из них паров кислорода, производится прямо в атмосферу, в результате чего ракета окутывается белыми облачками, которые вы, наверное, видели на экранах своих телевизоров во время репортажа с космодрома.
Заправка окончена. Отведена ферма обслуживания. Лишь вспомогательные трубопроводы, уложенные на небольшой мачте, соединяют кислородный заправщик с баками ракеты. Идет подпитка баков - компенсация кислорода, испаряющегося во время стоянки и выбрасываемого при дренажировании. За несколько секунд до старта заправочная мачта отходит от борта ракеты-носителя, рвется последняя ниточка в системе заправщик - ракета. Пройдут секунды и будет подана команда «Зажигание!» Компоненты топлива вырвутся на свободу, заполыхают в камерах сгорания могучих двигателей, многотонная громада, все больше и больше набирая скорость, двинется в далекое космическое путешествие.
На первый взгляд в работе служб заправки нет больших сложностей. И аппаратура у них нехитрая емкость, насос, труба, клапан. Однако достаточно даже просто просмотреть список специальных и общетехнических систем, обеспечивающих заправку, чтобы понять масштабы работы заправщиков, лежащую на них ответственность, чтобы понять сложность задач, которые стоят перед разработчиками систем заправки. Вот этот список, разумеется, очень сокращенный системы термостатирования, нейтрализации токсичных компонентов (их можно назвать системами химической безопасности), дистанционного и автоматического управления, телеметрии, связи, оповещения, газового анализа, сигнализации, пожаротушения, вентиляции, водоснабжения и промышленной канализации, освещения, отопления, энергоснабжения, огневой защиты, грозозащиты, герметизации помещений и еще много-много других систем. Появление каждой из них в заправочном комплексе продиктовано насущной необходимостью.
Взять, к примеру, химические свойства применяемых в ракетной технике топливных компонентов, таких, как азотная кислота и ее производные, несимметричный диметилгидразин, керосин, перекись водорода, спирт, жидкие водород и кислород. Все это, за небольшим исключением, токсичные или огнеопасные и очень агрессивные вещества или даже соединяющие в себе сразу несколько этих прекрасных качеств. Самая обыкновенная перекись водорода, растворы которой без особых мер предосторожности применяются в медицине и в салонах красоты, в концентрированном состоянии становится весьма опасной повышение температуры, резкий удар, быстрое изменение освещенности, соприкосновение с медью или острой кромкой в магистрали - - все это может привести к быстрому разложению перекиси, сопровождающемуся взрывом. Отсюда первая проблема должна быть обеспечена полная безопасность работы всех средств заправки.
Общая проблема безопасности распадается на многие десятки частных проблем, требует бессчетного множества конкретных технических и организационных решений. Вот некоторые из них.
Как правило, заправка различных компонентов топлива производится с раздельных площадок обслуживания при максимальной изоляции друг от друга самовоспламеняющихся компонентов топливных пар, таких, скажем, как азотная кислота и несимметричный диметилгидразин. Все управление подготовкой агрегата к заправке и самой заправкой осуществляется дистанционно с больших расстояний или с помощью автоматических систем. Автоматика позволяет резко сократить необходимое количество специалистов, обслуживающих систему, а в некоторых операциях вовсе обходиться без людей.
С точки зрения специалистов по технике безопасности, на заправочных станциях «враг номер один» - это утечка компонента. Вот почему при сборке, какого-либо заправочного агрегата осуществляется не только тщательная герметизация всех его полостей, но, и предусматривается возможность периодического, а иногда и непрерывного контроля за состоянием стыков. Оборудование и арматура изготовляются из нержавеющих материалов, внутренние полости коммуникаций и емкостей подвергаются химической обработке, снижающей коррозионное воздействие агрессивных топливных компонентов. Все кабельные линии (силовые, контрольные, линии управления), и вводы прокладываются в металлических трубах, делаются в так называемом взрывобезопасном исполнении. Чтобы избежать накопления статического электричества, все оборудование соединяется электрически и заземляется.
Все заправочные агрегаты снабжены устройствами, которые предотвращают пролив компонентов или быстро удаляют пролитую жидкость, если она все-таки появляется. Предусматривается нейтрализация компонента (его газовой и жидкой фаз) при дренажировании емкости хранилища. На выходе и входе всех вентиляционных магистралей устанавливается огневая защита - она полностью предотвращает проникновение пламени, если оно вдруг появится, в помещения, где хранятся компоненты или идет заправка. Основные коммуникации заправщика и баки ракеты связаны соединительными магистралями (закольцованы) с емкостями хранилища. Это исключает выброс токсичных паров в атмосферу, например, при дренажировании баков ракеты. Перед устройствами отсечки, проще говоря, дистанционно управляемыми заслонками, перекрывающими тот или иной трубопровод, устанавливаются специальные гасители ударной гидравлической волны. Они предотвращают резкие скачки давления, которые могли бы нарушить герметичность системы, разорвать ее. Все помещения, где находятся заправочные агрегаты, оборудуются мощной вентиляцией, разнообразными средствами пожаротушения, системами контроля газового состава воздуха и предупреждения о пожарной, химической или иной опасности. Все помещения герметизируются, отделяются от внешнего мира с его вечными непредвиденными случайностями.
Как видим, забот у конструктора заправочных систем немало. Но ведь мы коснулись только безопасности. А безопасность не самоцель, заправочный агрегат существует не для того, чтобы от него защищаться. Он должен перекачать в баки головного блока и ракеты-носителя определенные дозы различных топливных компонентов. И не просто перекачать, а отмерить с очень высокой точностью. Элементарный расчет показывает, что погрешность при заправке ракеты-носителя всего лишь в 2 процента может дать отклонение в весе, соизмеримое с весом полезной нагрузки и свести на нет самую возможность вывода на орбиту полезного груза. И за безопасностью следует второй комплекс проблем под общим названием «точность дозирования»
Существует несколько методов дозирования жидких и газообразных веществ. В ракетной технике наибольшее распространение получили два из них весовое и объемное дозирование. Для взвешивания дозы компонента чаще всего используются рычажные механические весы и тензометрические датчики. В основе объемного дозирования лежит измерение полного объема заправляемого компонента или его секундного расхода, что при известном времени заправки дает величину всей выданной дозы.
В принципе могут быть созданы и создаются высокоточные устройства для дозирования жидкостей любым из двух названных способов. Однако практика показывает, что высокой точности измерителя не всегда достаточно для получения точных окончательных результатов.
Например, при объемном дозировании очень важно знать истинную температуру компонента в баках ракеты. Поэтому и в процессе подготовки компонента и при самой заправке компонент этот непрерывно термостатируется. Но оказывается, что иногда и этого недостаточно. Длина заправочных коммуникаций достигает сотен метров, а их температура может сильно отличаться от температуры компонента. (Представьте себе трубопровод на нагретой солнцем ферме обслуживания, по которому идет жидкий кислород, охлажденный, скажем, до - 190° С.) Из-за этого заправочные магистрали отберут у компонента часть холода и конечная температура в баках ракеты будет отличаться от заданной. Вот почему перед началом заправки сами магистрали предварительно охлаждаются - по ним пропускают переохлажденный компонент, который затем возвращается в емкости хранилища. Правда, при заправке из-за теплового обмена между коммуникациями и окружающей средой снова произойдет некоторое изменение температуры компонента. Но здесь уже вся надежда на термоизоляцию.
Чтобы температура баков ракеты меньше отличалась от температуры компонента, перед заправкой кислородом баки также подвергаются предварительному охлаждению на их внутренние стенки подают жидкий кислород и одновременно, дренажируют баки, освобождая их от образующихся паров.
Ракета заправлена. Но до старта остается, какое-то время. Продолжаются работы предпускового периода. Баки ракеты обмениваются теплом с окружающей атмосферой (их же не покроешь мощной термоизоляцией!), и температура компонентов топлива изменяется, причем изменяется неравномерно. Ну, скажем, из-за ветра, сильнее обдувающего, какую-нибудь одну сторону ракеты, или из-за солнца, неравномерно нагревающего ее. Происходит температурное расслоение самих компонентов топлива более теплые слои высококипящих компонентов оказываются вверху, низкокипящих - внизу.
Вот, и опять появилась целая цепочка проблем. Для того, чтобы выровнять температуру компонента, его барботируют - через жидкость пропускают газ, как правило, гелий. Гелий подается в нижнюю часть бака и газовые пузырьки устремляются вверх, перемешивают жидкость. При этом температура хотя и выравнивается, но оказывается выше нормальной - нагрев все же произошел. Чтобы восстановить температуру, в баки подают несколько переохлажденный компонент и одновременно сливают, какую-то часть нагревшейся жидкости. Но после этого может еще понадобиться коррекция уровня дозаправка баков или, наоборот, слив избыточной жидкости в емкости хранилища. Вообще же за время подготовки ракеты на стартовом столе может быть проведено несколько таких выравниваний температуры и уровня.
Коррекцию дозы компонента можно производить только в баках носителя. Корректировать дозу в баках головного объекта (кроме низкокипящих компонентов, которыми он заправляется одновременно с носителем) на стартовой позиции нечем. Поэтому в течение всего времени подготовки ракеты к пуску в баках головного блока поддерживается постоянная температура с помощью воздушной или жидкостной системы внешнего термостатирования.
И еще одна проблема из числа тех, с которыми сталкивается разработчик заправочных систем.
Идет заправка баков ракеты-носителя. Очень точно выдерживается заданная температура компонента. Система контроля уровня своевременно подает сигнал на перекрытие магистрали, по которой компонент поступает в баки. Однако из-за инерционности автоматики и самого перекрывающего устройства своевременной отсечки дозы не произошло (это, конечно, жаргон, но, невидимому, понятный отсечка дозы - это просто прекращение подачи компонента). Происходит так называемый проскок дозы, в баки поступает лишняя жидкость. Избыток ее тем больше, чем выше был расход компонента при заправке и чем дольше закрывалось устройство отсечки - автоматическая заслонка в трубопроводе. Сократить время срабатывания этого устройства, заставить его срабатывать быстро, резко тоже нельзя. Это значило бы подвергнуть заправочную систему опасности гидравлического удара. А уменьшить скорость компонента в заправочных магистралях - значит во много раз увеличить и без того длительное время заправки.
Выход один в систему контроля уровня вводятся дополнительные датчики, сигнализирующие о приближении к номинальному уровню компонента. По сигналам этих датчиков система переходит на другой режим работы, скорость подачи компонента уменьшается во много раз. Если теперь проскок дозы и произойдет, то «перебор» будет очень незначительным.
Снижение погрешности при дозировании компонентов требует учета и многих других факторов, таких, скажем, как изменение состава газовой фазы в баке, влияние гибких трубопроводов на показания весовых дозаторов, потери жидкости из баков ракеты в виде паров при дренажировании, влияние колебаний уровня (проще говоря, легкого волнения) в баках ракеты при заправке, из-за чего может произойти преждевременная отсечка дозы. Список этот можно было бы продолжать, причем достаточно долго.
Здесь было рассказано лишь о малой части тех задач, тех конкретных дел, с которыми сталкиваются конструктор систем заправки и персонал, обслуживающий такие системы. Как видите, дел немало. Но не нужно забывать, что если даже собрать все эти дела вместе, то они составят лишь небольшую часть огромной и чрезвычайно ответственной работы, которую ведут создатели ракетно-космической техники и все службы, обеспечивающие успешное выполнение массовых теперь уже космических экспериментов.
Упрощенная схема заправки ракеты-носителя (1974_02_09_11.jpg)
Охлажденное до заданной температуры и деаэрированное горючее из емкостей 1 при открытых вентилях 2 самотеком или под небольшим давлением заполняет полости основных насосов 3. При включении насосов по магистральному трубопроводу 4 горючее поступает в блок очистки от примесей 5. Выйдя на ферму обслуживания, трубопровод разветвляется к бакам 6 всех трех ступеней ракеты. После того, как уровень компонента (горючего) в том или ином баке носителя достигнет расчетной величины, закроется соответствующий клапан и подача компонента прекратится. Возникающие при этом гидроударные давления «сбрасываются» через предохранительный клапан 7 в постороннюю емкость 8.
Во избежание чрезмерного нагрева горючего за время стоянки ранеты производится термостатирование ее баков. Вспомогательные насосы 9, забрав часть горючего из емкости хранилища, прокачивают его через теплообменник 10, и подают в соответствующий бак ракеты, из которого предварительно сливается часть нагревшейся жидкости. Этот же теплообменник используется и для захолаживания горючего при подготовке его к заправке ракеты.
Для управления пневматическими устройствами для наддува емкостей хранилища, а также выдавливания компонента из различных полостей заправочного агрегата имеется комплект баллонов сжатого воздуха 11.
С «внешним миром» агрегат для заправки горючим соединяют приемные колонки воздуха 12, хладоагента 13, и горючего 14. К внешней связи можно отнести и линию дренажа (изображена пунктиром), через которую сбрасывается давление из заправочных трубопроводов (после выдавливания из них горючего подачей сжатого воздуха по воздухопроводу 15). Аналогичным образом производится дренаж кислородных заправочных коммуникаций после выдавливания из них кислорода подачей гелия по трубопроводу 25.
Теперь о заправке ракеты окислителем (в нашей схеме это кислород). Если, открыв соответствующие вентили, пустить жидкий кислород из емкости хранилища 16 и, включив насосы 17, начать заправку ракеты, то вследствие значительного различия температуры жидкого кислорода (около - 186°С) и трубопроводов (например, 4-30° С) жидкий кислород будет мгновенно испаряться и длительное время в баки будут поступать лишь его пары. Чтобы этого не случилось, кислородные коммуникации захолаживаются заранее. Лишь после этого сжатым гелием из баллонов 18 наддувают баки ранеты 19 и начинают заправку.
Термостатирование окислителя в баках ракеты в данной упрощенной схеме осуществляется лишь сливом части нагревшегося кислорода и последующей дозаправкой баков. Для охлаждения кислорода в емкостях хранилища служит теплообменник - конденсатор 20, в который по магистралям 21 подается жидкий азот с температурой около - 196°С. С помощью эжектора 22, подавая в него по трубопроводу 28 «побудитель», из емкости хранилища отсасываются пары кислорода. Это приводит к интенсивному испарению жидкого кислорода, снижению его температуры. Попадая в теплообменник 20, пары конденсируются и сжиженный кислород возвращается обратно в хранилище.
Приемные колонки 23, и 24 обеспечивают «зарядку» самого заправочного агрегата гелием и кислородом.
Заправка кислородного бака 26 головного блока (она производится на стартовой позиции в отличие от баков 27, заправленных другими компонентами топлива на заправочной станции) осуществляется одновременно с заправкой баков носителя.
Читайте в любое время
