Криогенные заправочные системы стартовых ракетно-космических комплексов

Москва
Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана
2006

Под редакцией доктора технических наук,
профессора И.В. Бармина

Криогенные
заправочные
системы стартовых
ракетно-космических
комплексов

УДК  621.59(075.8) 
ББК 31.392 
     А873 

Рецензент ведущий специалист ФГУП КБОМ Т.К. Соболева 

Архаров А.М., Кунис И.Д. 
А873 
Криогенные  заправочные  системы  стартовых  ракетно-косми- 
ческих комплексов / Под. ред. И.В. Бармина. – М.: Изд-во МГТУ 
им. Н.Э. Баумана, 2006. – 252 с.: ил.  
ISBN 5-7038-2739-6 

Впервые предпринята попытка обобщения многолетнего опыта 
специалистов КБ общего машиностроения им. В.П. Бармина, ОАО 
«Криогенмаш», ОАО «Уралкриомаш» и других организаций по созданию криогенных заправочных систем. 
Кратко описана история развития криогенных заправочных 
систем, проведен анализ применяемых криогенных компонентов 
ракетного топлива, средств их доставки на стартовые комплексы, 
процессов, происходящих в криогенных системах при хранении и 
заправке ракет космического назначения, рассмотрены вопросы 
получения в условиях стартовой позиции охлажденных криогенных 
продуктов, особенности их заправки. Впервые приведены данные о 
фазовых равновесиях пар – жидкость систем кислород – азот в диапазоне температур 65...54 K. Изложены конструктивные особенности криогенного оборудования, приведены данные об используемых в криогенной технике материалах, отражены вопросы техники 
безопасности. 
Для инженеров и студентов, специализирующихся в области 
создания и эксплуатации криогенных заправочных систем. 

УДК 621.59(075.8) 
                                                                                               ББК 31.392 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
© А.М. Архаров, И.Д. Кунис, 2006 
 
 
© Оформление. Издательство МГТУ  
ISBN 5-7038-2739-6 
 им. Н.Э. Баумана, 2006 

ВВЕДЕНИЕ 

Криогенная техника – это техника низких температур, связанная с получением и использованием веществ, имеющих температуру ниже 120 K. Такое определение было принято на Международном ХIII конгрессе по холоду в 1971 г. Специалисты на базе 
фундаментальных исследований в области низких температур 
осуществляют разработку и эксплуатацию систем, в которых используются криогенные среды. 
Области применения криогенной техники постоянно расширяются, создаются новые типы криогенных устройств и систем. История развития криогенной техники неразрывно связана с физикой, 
разработкой методов получения низких температур, ожижения и 
разделения газов, хранения криогенных жидкостей, а также с исследованиями физических свойств веществ при различных низких 
температурах и давлениях. 
Для разработки и создания криогенных заправочных систем 
ракетно-космической техники необходимо иметь глубокую теоретическую подготовку в области основ термодинамики, гидравлики и физики низких температур. Принципиальные вопросы  
тепловых и гидродинамических процессов, происходящих в системах криогенной техники и физики, освещены в многочисленных учебниках по термодинамике и общей физике, а также в специальных справочниках и ряде изданий по криогенным системам 
и технологиям. 
В книге изложены основные особенности систем криогенной 
техники и требования к ним, необходимые для проектирования 
и эксплуатации криогенных заправочных систем ракетнокосмических комплексов, представлен по возможности широкий 
круг проблем, интересующих инженера, исследователя, конструктора и испытателя таких систем. 
Материалы книги являются обобщением опыта инженеров КБ 
общего машиностроения им. В.П. Бармина и специализированных 
предприятий криогенной техники (в первую очередь ОАО «Криогенмаш» и ОАО «Уралкриомаш»); в работе над ними были использованы литературные источники, ссылки на которые приведены в книге.  

 
Введение 
4

Проблемы, связанные с созданием криогенных заправочных 
систем для различных компонентов, имеют много общих понятий, 
схемных и конструктивных решений. При этом в принимаемых 
решениях необходимо учитывать физико-химические свойства 
данного компонента топлива, особенности конкретного объекта, а 
также конструктивные особенности стартового комплекса, так как 
криогенные системы не работают обособленно, а увязаны с другими системами комплекса и функционируют в едином технологическом цикле. 
В материалах книги проведен анализ криогенных компонентов 
ракетного топлива, нейтральных криогенных продуктов, используемых в ракетной технике, представлены данные о способе их 
получения и о средствах доставки на стартовый комплекс (СК). 
Рассмотрены пневмогидравлические схемы заправочных систем, 
процессы, происходящие при хранении продуктов и заправки ими 
баков ракет (космических кораблей), технологические особенности заправки. Приведены типовые тепловые и гидравлические расчеты, отражены вопросы приборного обеспечения криогенных 
систем. Вместе с тем значительное внимание уделено вопросам 
получения и использования охлажденных (не догретых до точки 
кипения) криогенных продуктов. Впервые приведены данные, позволяющие осуществлять охлаждение жидкого кислорода вплоть 
до температуры тройной точки с помощью бинарной смеси кислород – азот. Рассмотрены вопросы дренажа и рассеивания паров с 
открытой поверхности. 
Достаточно подробно изложены конструктивные особенности 
криогенного оборудования: резервуаров, трубопроводов, арматуры, изоляции, теплообменных аппаратов, газификационных установок. Приведены данные о материалах, используемых в криогенной технике. 
Должное внимание уделено вопросам техники безопасности, 
пожаро- и взрывопредупреждения. 
Авторы выражают искреннюю благодарность Т.К. Соболевой, 
взявшей на себя труд по рецензированию рукописи и сделавшей 
ряд ценных замечаний, и Н.М. Фроловой за помощь в уточнении и 
оформлении данных материалов. Кроме того, авторы выражают 
благодарность редактору Э.Я. Ахадовой за большую работу по 
редактированию книги. 

Г л а в а  1  

ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ КЗС 

Криогенные заправочные системы (КЗС) стартовых комплексов 
предназначены для накопления, хранения и заправки криогенных 
продуктов в баки ракеты-носителя разгонного блока и космического 
корабля с заданными параметрами, а также для поддержания в них 
определенного уровня компонента и необходимой температуры 
жидкости в течение заданного времени. При этом в процессе подготовки ракеты к пуску кроме заправки могут осуществляться подпитка баков компонентом топлива, термостатирование продукта в 
баке ракеты, слив продукта, обеспечение «стоянки ракеты на самоиспарении», повторная заправка. 
Все эти операции определяются требованиями технического задания на стартовый комплекс и конкретную заправочную систему. 
Помимо заправки ракеты, разгонного блока и космического 
корабля, системы заправки должны обеспечивать: 
– прием криогенного компонента из железнодорожных или автомобильных цистерн в резервуары хранилища; 
– хранение продукта в резервуарах без изменения кондиции и  
с минимальными потерями; 
– стыковку магистралей системы к соответствующим элементам ракеты, а также их отстыковку (часто автоматически дистанционно) и отвод от изделия; 
– захолаживание (охлаждение) магистралей заправочной системы, заполнение их жидкостью и проливку; 
– захолаживание баков (иногда эта операция может осуществляться в процессе захолаживания магистралей системы); 
– охлаждение компонента топлива ниже температуры его кипения при атмосферном давлении (при необходимости охлаждение 
может проводиться в резервуарах компонентов во внетехнологическое время или в процессе заправки); 
– подпитку баков для компенсации потерь при стоянии ракеты 
или термостатировании баков с обеспечением необходимого уровня компонентов в баке для последующего пуска; 

 
Гл. 1. Общие принципы построения КЗС 
6

– дренаж магистралей системы перед их отстыковкой от ракеты; 
– прием жидкого криогенного компонента в резервуары хранилища из баков ракеты при несостоявшемся пуске. 
Высокая эффективность и надежность жидкостных криогенных систем органически связаны с разработкой принципиальной 
пневмогидравлической схемы заправки, выбором и конструктивным решением основного оборудования (резервуаров, трубопроводов, арматуры), а также с разработкой технологии заправки. При 
этом особое внимание следует уделять выбору экономичных 
схемных решений, анализу и сравнению альтернативных технических решений, а также вопросам безопасности и безаварийности 
работ. 
Общие принципы проектирования оборудования, разработки 
схемных решений, технологии работы системы, хранения и выдачи продуктов отличаются рядом особенностей, вызванных свойствами криогенных продуктов. Эти продукты имеют значительно 
более низкие температуры, чем окружающий воздух. Диапазон 
температур и давлений, соответствующих жидкому состоянию 
криогенных компонентов топлив, достаточно узок, а теплота фазового перехода жидкости в пар сравнительно невелика. Низкая температура существования криогенных продуктов обусловливает 
теплоподвод к ним из окружающей среды, вследствие чего параметры системы изменяются. 
При хранении продуктов в резервуарах с открытым газосбросом происходит их испарение, изменение кондиции из-за выкипания более низкокипящих фракций, а при хранении с закрытым газосбросом – повышение температуры и давления, что приводит к 
ограничению времени хранения по соображениям сохранения 
прочности. 
Весьма сложные и пока недостаточно изученные процессы 
протекают при заполнении отепленного оборудования – изменение 
видов кипения; при срабатывании арматуры и заполнении тупиковых участков – гидроудары, превышающие гидроудары в высококипящих жидкостях. При наддуве парового пространства резервуара и его опорожнении происходят сложные процессы тепло- и 
массопереноса вблизи раздела фаз, а при течении жидкости по 
трубопроводам вследствие изменения температуры и давления 
также возможен фазовый переход жидкости в пар. Для криогенных горючих (жидкий водород, сжиженный природный газ), кото

 
Гл. 1. Общие принципы построения КЗС 
7

рые могут при определенных концентрациях образовывать взрывоопасные смеси с атмосферным воздухом, необходима разработка специальных технологий, исключающих такие контакты. 
Создание высокоэффективных и надежных жидкостных криогенных систем связано с конструктивным совершенствованием 
основного оборудования (резервуаров, трубопроводов, арматуры), 
с созданием высокопрочных материалов, пластичных в области 
низких температур, и совершенствованием изоляции (рис. 1.1). 
Для надежной работы криогенного оборудования должное внимание необходимо уделять компенсационным элементам систем, 
исключающим аварии из-за перемещений, вызванных температурными деформациями трубопроводов. 
 

Рис. 1.1. Фрагмент эстакады криогенных трубопроводов 

Разработку систем следует начинать с тщательного анализа 
исходных данных ракеты, разгонного блока и космического  
корабля, особенностей заправляемого продукта, его физикохимических свойств. При этом с учетом заданного времени стоянки заправленной ракеты, разгонного блока и космического  
корабля перед пуском и необходимости повторного пуска определяют количество компонента, требуемого для обеспечения заправки и пуска ракеты. 

 
Гл. 1. Общие принципы построения КЗС 
8

Резервуары хранилища (рис. 1.2) выбирают по возможности из 
унифицированного ряда, выпускаемого заводами промышленности, 
с учетом условий их транспортировки на СК. Это позволяет обеспечить их минимальную стоимость и надежность. Количество резервуаров в хранилище выбирают из соображений минимизации длины 
трубопроводов и количества арматуры обвязки. 
 

Рис. 1.2. Резервуары, блоки клапанов и испарители системы обеспечения азотом низкого давления СК многоразовой космической системы 

«Энергия – Буран» 

Размещение резервуаров хранилища относительно стартового 
сооружения, откуда осуществляется пуск ракеты, определяется, 
как правило, из условия сохранения хранилища при аварийном 
пуске ракеты. За критерий принимают тротиловый эквивалент 
взрыва в пересчете на величину давления во фронте ударной волны. Резервуары в хранилищах целесообразно размещать торцом к 
ракете, что позволяет уменьшить их восприимчивость к воздействию ударной волны. В последнее время для удешевления системы 
криогенные резервуары принято располагать на открытом воздухе. 
В этом случае не требуется строительства сооружений для размещения резервуаров с техническими системами вентиляции, газового контроля и т. п. 

 
Гл. 1. Общие принципы построения КЗС 
9

На стартовых космических комплексах размещаются хранилища нескольких компонентов: окислителя, горючего, нейтральных криогенных жидкостей. Наиболее экономически выгодно  
располагать эти системы в едином криогенном центре. Между 
хранилищем окислителя и горючего размещают хранилище нейтрального компонента (азота).  
В соответствии с требованиями Госгортехнадзора техническое 
освидетельствование резервуаров производят перед их пуском в 
работу и через 10 лет эксплуатации путем проведения пневмогидравлических испытаний пробным давлением и проверки герметичности изоляционной полости. 
Криогенные трубопроводы предназначены для транспортировки криогенных продуктов в баки ракеты. Внутренние трубопроводы изготавливают из цельнотянутых высоколегированных труб. 
Для обеспечения заданного режима заправки в систему встраивают соответствующую арматуру. Обычно ее выполняют пневмоуправляемой от электроклапанов, работающих по заданному алгоритму. Кроме того, применяют и ручную арматуру, открываемую 
(закрываемую) обслуживающим персоналом. Соединение арматуры с трубопроводами, как правило, является сварным; арматуру 
удобно комплектовать в блоки. В настоящее время секции трубопроводов и арматура стандартизированы по типоразмерам. Преимущество следует отдавать секциям трубопроводов, сформированным, собранным и отвакуумированным на заводе-изготовителе. 
Такие секции поставляются на объект совместно со встроенными в 
них криосорбционными насосами и свариваются в единую систему; стыки изолируются невакуумной изоляцией. Между секциями 
трубопроводов устанавливают температурные компенсаторы в виде сильфонов на внутренних конструкциях и в виде линзовых конструкций на внешних. 
Транспортировку жидких криогенных продуктов по магистралям в баки ракет осуществляют двумя способами: либо с помощью 
насосов, либо путем их вытеснения из резервуаров газом наддува. 
При выдаче продукта посредством насосов повышение давления в 
резервуаре должно обеспечивать их бескавитационную работу; 
давление должно быть выше давления насыщенных паров. При 
выдаче продукта вытеснением повышение давления должно компенсировать гидравлические потери в магистралях, при этом необходимо учитывать разность высоты между резервуаром хранили

 
Гл. 1. Общие принципы построения КЗС 
10

ща и баком ракеты. Тот или иной вариант подачи жидкости в баки 
ракеты выбирают на основании технико-экономического анализа. 
При выдаче криогенных продуктов в резервуарах происходит 
ряд взаимосвязанных процессов: перемешивание продукта; тепломассообмен газа с зеркалом жидкости и со стенками сосуда, трубопровода и арматуры; образование и стекание пленки конденсата; 
конденсация газа на поверхности жидкости; гидроудары и др. Все 
это следует учитывать при проектировании. 
Для получения газообразных продуктов, необходимых для 
наддува заправочных резервуаров хранилища, продувок и других 
целей, используют освоенные промышленностью «холодные» газификаторы, в которых испарение и подогрев жидкости осуществляется в каналах двухслойных алюминиевых панелей в результате 
теплообмена с окружающим воздухом. 
Для горючих продуктов – жидкого водорода и сжиженного 
природного газа (СПГ) – коммуникации системы и баки ракеты 
необходимо подготовить к заправке, удалив из них воздух. Это 
осуществляется специальной технологией подготовки – «полосканием» и продувкой нейтральным газом. Для обеспечения заправки 
баков ракеты с требуемым расходом на заданном температурном 
уровне необходимо охлаждение заправочной системы и баков ракеты. Охлаждение коммуникаций и баков ракеты проводят теми 
же продуктами, что и заправку; оно характеризуется интенсивной 
генерацией паров. Наземную систему и баки ракеты можно охлаждать как в едином режиме, так и раздельно. При создании криогенных систем следует избегать образования двухфазных потоков, 
гидроударов и других негативных процессов, возникающих при 
заправке баков ракет низкокипящей жидкостью.  
Следует обращать внимание и на вопросы сохранения кондиции криогенных жидкостей в резервуарах и при подаче в баки ракеты. При выкипании криогенных жидкостей во время хранения 
концентрация малолетучих примесей и твердых частиц увеличивается. Повышение концентрации твердых частиц также может происходить в процессе подачи газа наддува при охлаждении жидкости. Для жидкого водорода особое внимание следует обратить на 
наличие диоксида углерода. Известны случаи, когда из-за испарения 
жидкого кислорода в процессе эксплуатации, а также при его охлаждении, концентрация диоксида углерода превышала предел его 
насыщения; при этом он выпадал в осадок, забивая фильтры.