2 / 14
Инновационная модель применения жидкого азота для охлаждения ракетного топлива…
ISSN 0236-3941. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Машиностроение. 2017. № 3
5
Одной из операций подготовки топлива является температурная подготовка в
целях его охлаждения (нагрева) до требуемой температуры. Количество ракетного
топлива, подвергаемого охлаждению (нагреву), для действующих РКН может со-
ставлять от нескольких десятков до нескольких сотен тонн, а для перспективных
РКН сверхтяжелого класса достигать тысячи тонн и более. Процессы температур-
ной подготовки ракетного топлива, предшествующей его заправке в топливные
баки ракет-носителей, разгонных блоков и космических аппаратов, являются
наиболее энергоемкими и длительными на стартовых и технических комплексах
космодромов [1]. Для реализации таких процессов требуется применение эффек-
тивных технологий и режимов охлаждения (нагрева) ракетного топлива.
В ряде действующих и перспективных систем заправки РКН для охлажде-
ния топлива используется жидкий азот [1–3, 7–14], получаемый из воздуха при
производстве на космодромах жидкого кислорода, широко применяемого в
РКН в качестве окислителя в паре с углеводородными горючими и жидким во-
дородом. В составе наземного оборудования РКН «Зенит-3SL», «Союз» и «Ро-
кот» используются три варианта построения систем охлаждения, основанные
на теплообменных процессах с жидким азотом [1, 9, 10]. К ним относятся бес-
контактное охлаждение топлива кипящим жидким азотом в теплообменнике,
непосредственный ввод жидкого азота через барботер в ракетное топливо, а
также понижение температуры топлива посредством теплообмена в теплооб-
меннике с антифризом, охлаждаемым в отдельном резервуаре при барботаже
жидким азотом. Процессы взаимодействия жидкого азота и других криогенных
продуктов с жидкими средами рассмотрены в [15–18].
Процессы охлаждения при подаче жидкого азота в массу топлива характе-
ризуются высокой эффективностью [3, 7, 11], однако их применение приводит к
насыщению топлива азотом, что требует проведения дополнительной операции
дегазации топлива с соответствующими временными и энергетическими затра-
тами. В процессе барботажа топлива азотом происходит унос легких фракций
углеводородного топлива, что приводит к снижению его энергетических харак-
теристик и требует создания специальных систем дренажа и нейтрализации
газов на стартовом комплексе.
Эксплуатация систем охлаждения ракетного топлива с применением тепло-
обменников и жидкого азота характеризуется недостаточной эффективностью
[3, 7] и громоздкостью теплообменного оборудования, что приводит к повы-
шенным затратам жидкого азота.
В работах [13, 14] для повышения эффективности применения жидкого азота
предлагается охлаждать топливо, используя теплообменник и антифриз, охлажда-
емый жидким азотом. Варианты охлаждения топлива, предложенные авторами
настоящей работы, более эффективны по сравнению с существующими система-
ми, в которых топливо охлаждается жидким азотом и в теплообменнике, и приме-
нимы для любых высококипящих компонентов ракетного топлива. Рассмотрен-
ные в [3, 13, 14] расчетные модели на основе численной реализации предпочти-
тельно использовать для поверочных расчетов систем температурной подготовки