ПУТИ ПОВЫШЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ ЗАПРАВОЧНОЙ СИСТЕМЫ РАКЕТЫ-НОСИТЕЛЯ «СОЮЗ»

Заправочный процесс содержит сложные операции, которые предусматривают наличие сложного технического оборудования, ёмкости для хранения топлива и рабочих компонентов, а технологический процесс заправки должен обладать высокой надежностью и безопасностью.

На современных космодромах используют стационарные хранилища топлив, которые более надежны и безопасны по сравнению с подвижными агрегатами заправки на космодроме «Байконур». В работе рассматривается вариант более современной заправки, которую можно адаптировать под условия эксплуатации для космодрома «Байконур» ракеты-носителя «Союз».

Актуальность работы состоит в том, что для сокращения времени заправочного цикла возможет вариант изменения порядка операций по заправке высококонцентрированным пероксидом водорода и рассмотрение возможности замены подвижных заправочных агрегатов на стационарные, что тем самым повысит надежность и безопасность выполнения работ по заправке ракеты-носителя компонентами топлива на стартовом комплексе.

Заправка ракеты-носителя – основная операция, проводимая на стартовом комплексе, которая подразумевает заполнение топливных баков ракеты-носителя жидкими компонентами топлива и бортовых баллонов высокого давления сжатыми газами.

На космодроме Байконур для заправки ракеты-носителя «Союз» применяются подвижные агрегаты заправки, которые выполнены в виде железнодорожных заправщиков (рисунок 1).

Недостатками этой заправочный системы является:

• постоянная необходимость заправки в стационарных хранилищах;
• возможность разгерметизации баков-цистерн;
• утечка компонентов топлива;
• затраты на техническое обслуживание подвижных агрегатов.

Подача компонентов топлива в двигательную установку ракеты-носителя осуществляется за счет работы центробежных насосов. Достоинством насосного вида подачи компонентов топлива является малая металлоёмкость, но необходимо наличие специальных электростанций для работы насосов.

На современных космодромах России заправка ракеты-носителя «Союз» компонентами топлива производится из стационарных хранилищ (рисунок 2). Этот метод позволяет сократить количество операций на этапе подготовки заправочного оборудования к заправке ракеты-носителя, а также сократить количество обслуживающего персонала и личного состава, что повышает надежность и безопасность заправочной системы.

Рисунок 1. Подвижные агрегаты заправки

Рисунок 2. Стационарные хранилища компонентов топлива

Подача компонентов топлива в двигательную установку ракеты-носителя осуществляется вытеснительным методом – за счет создания избыточного давления в газовой подушке заправочной ёмкости. При подаче компонентов топлива вытеснительным методом сжатые газы заранее накапливаются в баллонных батареях ресиверных. Этот метод подачи также является более надежным и безопасным.

Предлагается вариант адаптации современных технологических операций к технологическим операциям на космодроме Байконур. Заправочные операции на космодроме Байконур имеют недостатки, поэтому их необходимо устранить за счет проведения усовершенствования различных операций заправки. Так как существует более современный подход к заправочным системам, то основой усовершенствования будет сравнение и рассмотрение возможности применения новой последовательности операций по заправке на космодроме Байконур.

Учитываем условие, что исходное состояние пред началом работ следующее:

1. Ракета-носитель установлена на стартовый стол.
2. Ракета-носитель прошла полный цикл испытаний.
3. Компоненты топлива подготовлены к заправке.
4. Резервуары подачи компонентов топлива заправлены (для современных космодромах России).
5. Комплекс наземного технологического оборудования стартового комплекса подготовлен к проведению работ по пуск ракеты-носителя.
6. Подвижные средства заправки находятся на нулевой отметке (для космодрома Байконур).
7. Работы по подготовке заправочного оборудования к заправке ракеты-носителя проведены.

Принятый порядок проведения работ по заправке ракеты-носителя «Союз» в пусковой день на космодроме Байконур:

1. Подготовка заправочного оборудования.
2. Заправка ракеты-носителя жидким кислородом.
3. Заправка ракеты-носителя жидким азотом.
4. Заправка ракеты-носителя керосином.
5. Заправка ракеты-носителя высококонцентрированным пероксидом водорода.
6. Отстыковка всех заправочных коммуникаций.
7. Эвакуация заправщиков (жидкого кислорода, жидкого азота, керосина, высококонцентрированного пероксида водорода) со стартового комплекса.

Предлагаемый усовершенствованный порядок проведения работ по заправке ракеты-носителя «Союз» в пусковой день на космодроме Байконур:

1. Подготовка заправочного оборудования.
2. Заправка ракеты-носителя высококонцентрированным пероксидом водорода.
3. Эвакуация заправщика высококонцентрированного пероксида водорода со стартового комплекса.
4. Заправка ракеты-носителя жидким кислородом.
5. Заправка ракеты-носителя жидким азотом.
6. Заправка ракеты-носителя керосином.
7. Отстыковка всех заправочных коммуникаций.
8. Эвакуация заправщиков (жидкого кислорода, жидкого азота, керосина) со стартового комплекса.

Таким образом, на космодроме Байконур операция «Заправка ракеты-носителя высококонцентрированным пероксидом водорода» начинается после операции «Заправка ракеты-носителя керосином».

Отличительной особенностью усовершенствованного порядка заправки ракеты-носителя «Союз» является то, что начало операции «Заправка ракеты-носителя высококонцентрированным пероксидом водорода» перед началом операции «Заправка ракеты-носителя жидким кислородом».

Такой порядок проведения операций обусловлен надежностью и безопасностью дальнейшей заправки ракеты-носителя, так как высококонцентрированный пероксид водорода нестабильный компонент топлива и в случае развития нештатной или аварийной ситуации производится аварийный слив, и таким образом затраты по заправке другими компонентами топлива не производятся.

Предлагается замена операций заправочных систем на космодроме Байконур, то есть перестановка операций по заправке высококонцентрированным пероксидом водорода. Для подтверждения правильности выбранного решения проведем расчёт вероятности безотказной работы заправочной системы на космодроме Байконур для принятого порядка проведения заправочных операций и для усовершенствованного варианта.

Для расчета назначим доверительную вероятность для каждой операции, которые перечислены выше и занесем их в таблицу 1 и 2.

Доверительная вероятность назначается при проведении инженерных расчетов на основе опыта эксплуатации, по которой производится оценка технической системы.

Таблица 1

Оценка доверительной вероятности для используемой заправочной системы на космодроме Байконур

Таблица 2

Оценка доверительной вероятности для усовершенствованной заправочной системы на космодроме Байконур

Проведем математический расчет надежности систем заправки на космодроме Байконур и на современных космодромах России. Для расчета используем формулы безотказной работы при последовательных операциях.

где  вероятность безотказной работы каждой операции.

Для космодрома Байконур до усовершенствования заправочных операций, согласно данным по таблице 1, общая формула расчета имеет вид:

Для космодрома Байконур после усовершенствования заправочных операций, согласно данным по таблице 2, общая формула расчета имеет вид:

По полученным данным надежности заправочных систем строим гистограмму (рисунок 3), на которой видно, что вероятность безотказной работы при применении усовершенствованного варианта заправочных операций больше на 5%. Таким образом можно судить, что замена порядка заправочных систем на космодроме Байконур приведет к увеличению надежности и безопасности работ.

Рисунок 3. Гистограмма результатов расчета заправочных систем

По результатам проведенной работы можно сделать вывод о том, что:

1. Повышение надежности заправочных систем ракеты-носителя «Союз» на космодроме Байконур возможно достигнуть путем изменения порядка операций заправочных систем.
2. Изменение графика заправки приведет к сокращению количества жидкого азота и кислорода для подпитки ракеты-носителя «Союз».
3. Уменьшение количества людей, необходимых для данных операций, повысит надежность и безопасность проведения операций.

Полученные данные применимы в области проектирования и конструирования ракет-носителей.

Список литературы:

1. Блинов В.Н. Ракеты-носители. Проекты и реальность: справ. пособие: в 1 кн. В. Н. Блинов, Н. Н. Иванов, Ю. Н. Сеченов, В. В. Шалай. - Омск : Изд-во ОмПУ,2011, кн. 2 : Зарубежные ракеты-носители.
2. Блинов В.Н. Ракеты-носители. Проекты и реальность: справ. пособие: в 2 кн. В. Н. Блинов, Н. Н. Иванов, Ю. Н. Сеченов, В. В. Шалай. - Омск : Изд-во ОмПУ,2011, кн. 2 : Зарубежные ракеты-носители.
3. Ракеты-носители. Космодромы. С.П. Уманский – М.: Изд-во Рестатр+, 2001.