Again hydrogen

To the beginning of works with liquid hydrogen by way of creation of a booster rocket of "Energia" to l977 scientific and technical maintenance of this direction has been carried out. Manufacture of liquid hydrogen with capacity{power} up to 10 thousand т in a year has been created. The park of railway tanks with экранно-vacuum isolation for transportation of liquid hydrogen is created. Test beds for engines with liquid hydrogen on draft 50 т in Zagorsk and 300 т in Bottom Салде are constructed. There is practically begun working off of two liquid engines on hydrogen with draft 7,5 т (main designer V.F.Bogomolov) and 40 т (main designer A.M.Lyulka). The криогенно-machine-building complex (director of Institute of cryogenic technics{technical equipment} of V.P.Belyakov) is created. A number{line} of works on materiology in conditions of cryogenic temperatures and influences of liquid hydrogen on constructional metals in Physicotechnical institute, the Central scientific research institute of materiology and the State institute of applied chemistry is spent. Explosive properties of systems (hydrogen and oxygen in various combinations) on a physical condition (gas, a liquid and a firm body) are studied{investigated}. Works spent institutes of chemical physics of the Academy of sciences and applied chemistry. In 1976 the flying laboratory by plane Tu-154 with engine NK-88 is developed, the first flights were spent a little bit later. Engine NK-88 had draft 29 т and a resource up to 50 ч. However consumption of liquid hydrogen did not grow up to the declared level. The government the decision in the end of the seventieth years about the termination{discontinuance} of construction and designing of industrial bases "Куйбышевазот", "Навоиазот" and in the city of Salda was accepted.
In the United States after end of the program "Apollo" manufacture of liquid hydrogen has fallen and made on the beginning of works with " the Space the Shuttle " 70 thousand т in a year.
To 1980 manufacture of liquid hydrogen in the USSR in Chirchik, Zagorsk and Dneprodzerzhinsk, but with full occupancy function. In Chirchik and Zagorsk the installations using gaseous hydrogen, received электролизом waters operated{worked}. In Навои and other combines of the nitric industry the installations using a водородно-nitric mix, selected of units of synthesis of ammonia operated{worked}.
Wide introduction of hydrogen fuel restrained, for example, in aircraft, because of necessity of question of operation of hydrogen systems more confident the decision and ground service Cost of liquid hydrogen in 1980 was 5,6 rbl. for kg. After ten years' operation of installations at their design occupancy it was planned to reach{achieve} cost 2,5 rbl. for kg of hydrogen.
In searches of reduction in price of manufacture application плазмохимического and термоэлектрохимического methods of reception of hydrogen was considered{examined} in the long term. The opportunity of application of a nuclear energy in processes электролиза, thermochemical decomposition was studied{investigated}. НИКИЭТ and institute of name Курчатова have shown, that the radioactive units which have fulfilled the term for cheap splitting water can be used. Reception of firm hydrogen in the form of a snow was carried out дросселированием водородно-гелиевой mixes and дросселированием liquids in vacuum.
German branch " Airbus " approves{confirms} the following. For last hundred years the population of the Earth has promptly grown. Consumption of an Energia has raised{increased}. Till now energy sources were: coal, oil, natural gas, wood. At their combustion the carbonic gas collecting in an atmosphere is formed. There are questions: whether the mineral raw material for a long time will suffice and how long still it is possible to create a hotbed effect on the Earth. Industrially developed reserves of oil will suffice for 40 years, the further extraction is connected with increase of expenses. The aircraft though consumes less, than 3 % of extracted{obtained} power resources, demands cardinal decisions, not dependent on a situation developing with топливами.
Firms under direction of the German company " Deutche Aerospace Airbus " with the basic partners - КБ and N.D.Kuznetsova's impellent bureau - conduct A.N.Tupoleva joint work on creation of the transport plane on hydrogen fuel "Криоплан". The first generation of planes on liquid hydrogen will be created on the basis of traditional types of air buses А-300В. The general problem at accommodation of liquid hydrogen is in 4 times greater volume in comparison with kerosene, and extremely low temperature which demands special constructive measures. Advantage of liquid hydrogen - smaller three times, in comparison with kerosene, weight that reduces weight of the plane.
In Russia liquid hydrogen was considered{examined} as fuel of the future. The way to it{this} is through the intermediate stage - natural gas. In КБ A.N.Tupoleva works above projects of the plane on сжиженном natural gas - Ту-156 extend. The cryogenic complex at the airport consists from электролизера for manufacture of liquid hydrogen of water or the converter for manufacture from natural gas, clearing constructions, the device for сжижения. For deprecication of manufacture of complexes their serial manufacturing and installation at the airports is conceived. The small airports will receive transported modules.
About safety. Yes, there is a certain psychological barrier. But in fact and petrol engines once caused fear. An automobile hydrogen tank tested on the high-speed carriage, simulating destruction or instant разгерметизацию a tank - hydrogen also almost instantly disappeared, and explosion was never. Across Moscow with 1978 almost ten years went two cars, РАФ and "Volga", worked on hydrogen. Harmlessness of an exhaust even on бензоводородной mixes sharply raises{increases} due to fuller combustion of gasoline.
At creation of a booster rocket of "Energia" with a view of improvement of its{her} mass characteristics there was a task in view of maintenance of a rocket overcooled components of fuel and maintenance of the set temperatures at its{her} parking on a starting complex.
At the decision of this problem{task} the limited capacities{powers} of systems of power supply of a starting complex were considered. Therefore at creation of ground systems of refuelling the preference was given those ways of overcooling of components which are characterized by the minimal power inputs, and also provide long storage of components without change of their standard.
For improvement of mass characteristics of a rocket by increase of density of filled components of fuel for the first time in domestic rocket technics{technical equipment} the problem{task} of refuelling of a booster rocket in lots{plenties} переохлажденными has been successfully solved by hydrogen and oxygen. The United States used so-called boiling hydrogen. Переохлажденный oxygen was applied for a long time - with Р-9.
The created system of refuelling provided with hydrogen submission in a rocket in a mode of refuelling переохлажденного (up to-255 ╟С) liquid hydrogen and maintenance of its{his} temperature there at a level-253 ╟С in a mode термостатирования at the final stage of preparation of a rocket to start-up.
Alongside with the primary goal of overcooling of components a number{line} of the problems{tasks} interconnected with it{this}, including on maintenance of cleanliness of cryogenic components, осушке fuel РГ-1 has been solved.
"Energia" of system created for refuelling have no analogues in domestic and world{global} technics{technical equipment} and are unique samples of refueling systems.
Cryogenic systems of refuelling by liquid oxygen and liquid hydrogen have been developed and made{produced} by the enterprise of p.b. А-3605, system of refuelling by fuel РГ-1 - the enterprise ON "Ждановтяжмаш" under technical projects КБОМ on the basis of initial data НПО of "Energia".
For cooling cryogenic liquids below temperature of boiling, that is reception переохлажденные liquids, various refrigerating processes which can be carried out in three ways are applied:
- By means of теплообменника with use of a coolant at a demanded temperature level (refridgerators, теплообменники with the cryogenic liquids boiling at temperature, lower, than cooled);
- барботированием not condensed gas;
- Direct pumping out of a bath with a liquid.
In a way of cooling of cryogenic liquids by means of refridgerators the choice of type of refridgerators is made. Now two their types are applied. The first covers the refrigerating machineries realizing низкотемпературный a cycle in classical set of units: the compressor, a refrigerator, расширительная the machine{car}, a cooler or теплообменник for removal of thermal loading. The second are refridgerators with internal regeneration of heat. In such machines{cars} теплообменник the regenerator is located in dead space расширительной machines{cars}, process of expansion proceeds simultaneously with process of heat exchange in a regenerator. Regeneration of heat is carried out simultaneously with process of compression of a working body. Cooling of cryogenic liquids in gas refridgerators occurs{happens} in теплообменнике due to effect of cooling - expansions of working gas to fulfilment of external work.
The method of cooling of cryogenic liquids by means of refridgerators is applied, as a rule, in cases when it is necessary to exclude losses of a cooled liquid during its{her} cooling and long storage. At storage of lots{plenties} of cryogenic liquids application of this way demands installation of bulky and expensive machines{cars}, that economically is not justified.
Refridgerators with internal regeneration of heat are compact and rather simple in operation, they can be easily automated, but have small холодопроизводительность and can be applied to cooling and термостатирования only small amounts of cryogenic liquids.
Way of cooling by means of теплообменника equally we shall apply to cooling any cryogenic liquid. As a coolant the liquid boiling at temperature by lower, than cooled, or the gas cooled up to the demanded temperature level by means of an extraneous refrigerating cycle can be used.
As coolants for overcooling hydrogen the liquid hydrogen boiling under vacuum can be used. For cooling liquid oxygen liquid nitrogen and the liquid nitrogen boiling under vacuum, a binary mix (liquid oxygen plus liquid nitrogen under vacuum) and liquid hydrogen can be used. The way of cooling of a liquid by барботажа through it{her} of not condensed gas, for example, helium, consists that пузырьки helium, passing{taking place} through weight of a liquid, are sated{saturated} with pairs a liquid up to an equilibrium condition. Carrying{bearing} пузырьки helium the liquid lowers the temperature as steam formation follows the bill of an internal Energia of a liquid. This method differs reliability and high холодопроизводительностью. Its{his} lack is the big charge of expensive and scarce helium during cooling. For this purpose on a launching site it is necessary to have the big stock of helium in cylinders, and also complex{difficult} system of clearing of impurity of a cooled liquid. It reduces efficiency of the given method.
In a way of cooling of a liquid by pumping out of steam space cooling is made due to partial evaporation of a liquid at continuous tap{removal} паров by the vacuum unit. Pumping out is the simple, reliable way demanding only presence of corresponding{meeting} means откачки pair. Such way can be used for overcooling liquid hydrogen, however he is poorly suitable for deep cooling liquid oxygen owing to small pressure sated{saturated} паров oxygen at these temperatures. Vacuum units give very small productivity at such pressure upon an input{entrance}.
One of the most comprehensible means of pumping out, despite of low efficiency, installation with gas эжектором is. Advantages of such installation is simplicity, safety in operation and an opportunity of tap{removal} from a cooled liquid of lots{plenties} of heat.
Refridgerators are applied to cooling высококипящих liquids. Depending on a degree of cooling the corresponding{meeting} type of machines{cars} gets out.
The way of cooling of liquid oxygen for refuelling "Energia" with application gas эжектора at the minimal cost is simple in management, does not demand regulation and in connection with absence of the machine equipment possesses maximal reliability. Besides for its{his} realization it is not required creations of special storehouse of nitrogen. For maintenance of autonomy the system of cooling includes two coolers which provide cooling up to the demanded temperature of the oxygen going on refuelling separately of the block of the second step and blocks of the first step. The total charge of liquid nitrogen on one refuelling makes 200 т.
The principle of work of system of overcooling consists in the following: in a cooler costing{standing} on a line of submission in the block of the second step, oxygen due to heat exchange with nitrogen boiling under atmospheric pressure is cooled up to temperature-195 ╟С then goes on refuelling of the block. In a cooler costing{standing} on a line of refuelling of blocks of the first step, oxygen is cooled up to the same temperature, and then mixs up with the stream of liquid oxygen acting on байпасной of a line therefore heats up to temperature-190 ╟С and acts on refuelling of blocks of the first step. The temperature of liquid oxygen on an output{exit} from a cooler of blocks of the first step is set in advance and reached{achieved} due to redistribution of streams through a cooler and байпасную a line by means of corresponding{meeting} valves.
In connection with necessity of overcooling of oxygen the problem{task} of maintenance of cleanliness of a product has been solved. The analysis of possible{probable} ways of cooling of liquid hydrogen has shown, that the most expedient is cooling a refueling stream in теплообменнике, placed in a bath with the liquid hydrogen boiling under vacuum. In this connection application in system of cooling of liquid hydrogen of various types of means vacuum откачки was analyzed. Thus the following basic requirements shown to system were considered:
- Certain холодопроизводительность at the set temperature of boiling in a bath of a cooler;
- Explosion safety;
- Economic efficiency;
- Simplicity of management and operation;
- The set parameters of reliability.
The size холодопроизводительности, a level of pressure and temperature of pumped out gas defines{determines} volumetric productivity of means vacuum откачки, and consequently, their type and quantity{amount}. Откачка подогретых up to normal temperatures паров hydrogen it is provided by the most high-efficiency means: axial, centrifugal vacuum pumps and эжекторами. However "warm" откачка demands application of a plenty of the machine equipment for performance of the requirements shown{presented} to system, and also a significant power consumption on heating of gas, that in a combination to the big power consumption is inefficient and complicates system because of necessity of application special теплообменных devices and maintenance with the heat-carrier. In this connection the variant of system of cooling of hydrogen with откачкой подогретых паров has been rejected. The specified lacks substantially are eliminated{erased; removed} at откачке "cold" паров. However, despite of enough big assortment of the vacuum pumps which are let out{are released} by the domestic industry, their choice for systems of cooling of cryogenic liquids it is limited. A principal cause is absence of reliable, high-efficiency pumps, efficient at cryogenic temperatures. On a condition of development of vacuum technics{technical equipment} for the period of 80th years, the most mastered means откачки "cold" паров hydrogen were gas эжекторы in which as active gas nitrogen is used. Thus the scheme{plan} and structure of the equipment for system of cooling of hydrogen have been certain.
Cooling of liquid hydrogen submitted to a rocket has been decided to carry out in tubular теплообменниках two consistently located coolers. A coolant is the liquid hydrogen boiling in intertrumpet space теплообменника at lowered pressure. Pairs hydrogen from steam space of coolers are pumped out эжекторами. The pneumatichydraulic scheme{plan} allows to provide various холодопроизводительность systems due to inclusion in work of various number эжекторов.
Coolers represent horizontal цельносваренные cylindrical two-wall devices with built in in an internal vessel (a bath of a cooler) теплообменниками. The capillary-porous covering which serves for an intensification of heat exchange is put{rendered} On an external surface трубок. Heat exchange is carried out between a stream of liquid hydrogen, moving on tubes теплообменника, and the hydrogen boiling in intertrumpet space at pressure below atmospheric.
Results of works with bench samples and the first flights rockets of "Energia" have proved accepted in ground systems of refuelling of technical decisions of a problem{task} of overcooling of components of fuel: liquid oxygen - during refuelling in a bath with the liquid nitrogen boiling at atmospheric pressure; liquid hydrogen - during refuelling in a bath with the liquid hydrogen boiling at lowered pressure; fuel РГ-1 - by means of refridgerators. Ground systems have provided refuelling a rocket with the set temperatures with a high degree of accuracy. The chosen schemes{plans} of overcooling of components have provided performance of a task in view with the minimal power inputs. Overcooling of cryogenic components during refuelling without preliminary захолаживания in storehouses has essentially increased reliability of refueling systems, has reduced terms of preparation of systems to work with a rocket, has allowed to provide long storage with a guarantee кондиционности components. Thus also have been solved questions of maintenance of demanded cleanliness of components.
The schemes{plans} of overcooling of lots{plenties} of components of fuel accepted in refueling systems due to heat exchange among themselves various cryogenic products differ minimal энергопотреблением, that has allowed to solve a task in view without creation on range of the additional large refrigerating centers and powerful systems of power supply of the stand and start. At creation of cryogenic systems the problem of the organization on range of workplaces (stands) for assembly of large-sized spherical capacities in volume 1430 м3 and their deliveries to a place of installation also has been solved. Welding capacities needed creation of the workplace protected from an environment and having inside stable positive temperature. This problem{task} has been solved by time{temporary} use of one of flights of the монтажно-test case of a booster rocket, and also creation of the workplaces closed by inflatable tents of great volume, on the stand-start and start when the монтажно-test case should be released{exempted} in connection with installation in him of the equipment for assembly of a booster rocket.

Original version of the text

Опять водород

К началу работ с жидким водородом в плане создания ракеты-носителя "Энергия" к I977 г. было осуществлено научно-техническое обеспечение этого направления. Было создано производство жидкого водорода с мощностью до 10 тыс. т в год. Создан парк железнодорожных цистерн с экранно-вакуумной изоляцией для перевозки жидкого водорода. Построены испытательные стенды для двигателей с жидким водородом на тягу 50 т в Загорске и 300 т в Нижней Салде. Практически начата отработка двух жидкостных двигателей на водороде с тягой 7,5 т (главный конструктор В.Ф.Богомолов) и 40 т (главный конструктор А.М.Люлька). Создан криогенно-машиностроительный комплекс (директор Института криогенной техники В.П.Беляков). Проведен ряд работ по материаловедению в условиях криогенных температур и воздействия жидкого водорода на конструкционные металлы в Физико-техническом институте, Центральном НИИ материаловедения и Государственном институте прикладной химии. Изучены взрывчатые свойства систем (водород и кислород в различных сочетаниях) по физическому состоянию (газ, жидкость и твердое тело). Работы проводили институты химической физики Академии наук и прикладной химии. В 1976 г. разработана летающая лаборатория на самолете Ту-154 с двигателем НК-88, первые полеты проводились несколько позднее. Двигатель НК-88 имел тягу 29 т и ресурс до 50 ч. Однако потребление жидкого водорода не вырастало до заявленного уровня. Правительством было принято решение в конце семидесятых годов о прекращении строительства и проектирования производственных баз "Куйбышевазот", "Навоиазот" и в городе Салда.
В Соединенных Штатах после завершения программы "Аполлон" производство жидкого водорода упало и составляло на начало работ с "Спейс Шаттлом" 70 тыс. т в год.
К 1980 г. функционировало производство жидкого водорода в СССР в Чирчике, Загорске и Днепродзержинске, но с полной загрузкой. В Чирчике и Загорске действовали установки, использующие газообразный водород, получаемый электролизом воды. В Навои и других комбинатах азотной промышленности действовали установки, использующие водородно-азотную смесь, отбираемую из агрегатов синтеза аммиака.
Широкое внедрение водородного топлива сдерживалось, например, в авиации, из-за необходимости более уверенного решение вопроса эксплуатации водородных систем и наземного обслуживания Стоимость жидкого водорода в 1980 г. была 5,6 руб. за килограмм. После десятилетней эксплуатации установок при проектной их загрузке планировалось достичь стоимости 2,5 руб. за килограмм водорода.
В поисках удешевления производства рассматривалось в перспективе применение плазмохимического и термоэлектрохимического методов получения водорода. Изучалась возможность применения ядерной энергии в процессах электролиза, термохимического разложения. НИКИЭТ и институт имени Курчатова показали, что могут быть использованы отработавшие свой срок радиоактивные агрегаты для дешевого расщепления воды. Получение твердого водорода в виде снега осуществлялось дросселированием водородно-гелиевой смеси и дросселированием жидкости в вакуум.
Немецкое отделение "Эрбас" утверждает следующее. За последние сто лет население Земли стремительно выросло. Повысилось потребление энергии. До сих пор источниками энергии были: уголь, нефть, природный газ, древесина. При их сгорании образуется углекислый газ, накапливающийся в атмосфере. Возникают вопросы: надолго ли хватит ископаемого сырья и как долго еще можно создавать парниковый эффект на Земле. Промышленно разрабатываемых резервов нефти хватит еще на 40 лет, дальнейшая добыча связана с повышением затрат. Авиация, хотя и потребляет менее, чем 3 % добываемых энергоресурсов, требует кардинальных решений, не зависящих от ситуации, складывающейся с топливами.
Фирмы под руководством немецкой компании "Deutche Aerospace Airbus" с основными партнерами - КБ А.Н.Туполева и двигательным бюро Н.Д.Кузнецова - ведут совместные работа по созданию транспортного самолета на водородном топливе "Криоплан". Первое поколение самолетов на жидком водороде будет создаваться на базе традиционных типов аэробусов А-300В. Генеральная проблема при размещении жидкого водорода - это в 4 раза больший объем по сравнению с керосином, и экстремально низкая температура, которая требует специальных конструктивных мер. Преимущество жидкого водорода - меньший втрое, по сравнению с керосином, вес, что снижает массу самолета.
В России жидкий водород рассматривался как топливо будущего. Путь к этому - через промежуточный этап - природный газ. В КБ А.Н.Туполева расширяются работы над проектами самолета на сжиженном природном газе - Ту-156. Криогенный комплекс в аэропорту состоит из электролизера для производства жидкого водорода из воды или конвертера для производства из природного газа, очистных сооружений, устройства для сжижения. Для снижения стоимости производства комплексов задумано серийное их изготовление и монтаж в аэропортах. Маленькие аэропорты будут получать транспортируемые модули.
О безопасности. Да, существует определенный психологический барьер. Но ведь и бензиновые двигатели когда-то вызывали страх. Автомобильный водородный бачок испытывали на скоростной тележке, имитируя разрушение или мгновенную разгерметизацию бака - водород также почти мгновенно улетучивался, а взрыва не было ни разу. По Москве с 1978 г. почти десять лет ходили два автомобиля, РАФ и "Волга", работавшие на водороде. Безвредность выхлопа даже на бензоводородной смеси резко повышается за счет более полного сгорания бензина.
При создании ракеты-носителя "Энергия" в целях улучшения ее массовых характеристик была поставлена задача обеспечения ракеты переохлаждаемыми компонентами топлива и поддержания заданных температур при стоянке ее на стартовом комплексе.
При решении этой задачи учитывались ограниченные мощности систем энергоснабжения стартового комплекса. Поэтому при создании наземных систем заправки предпочтение отдавалось тем способам переохлаждения компонентов, которые характеризуются минимальными энергозатратами, а также обеспечивают длительное хранение компонентов без изменения их кондиции.
Для улучшения массовых характеристик ракеты путем повышения плотности заправляемых компонентов топлива впервые в отечественной ракетной технике задача заправки ракеты-носителя в больших количествах переохлажденными водородом и кислородом была успешно решена. Соединенные Штаты использовали так называемый кипящий водород. Переохлажденный кислород применялся давно - с Р-9.
Созданная система заправки водородом обеспечивала подачу в ракету в режиме заправки переохлажденного (до -255 ╟С) жидкого водорода и поддержание его температуры там на уровне -253 ╟С в режиме термостатирования на заключительном этапе подготовки ракеты к пуску.
Наряду с основной задачей переохлаждения компонентов был решен ряд взаимосвязанных с этим задач, в том числе по обеспечению чистоты криогенных компонентов, осушке горючего РГ-1.
Созданные для заправки "Энергии" системы не имеют аналогов в отечественной и мировой технике и являются уникальными образцами заправочных систем.
Криогенные системы заправки жидким кислородом и жидким водородом были разработаны и изготовлены предприятием п/я А-3605, система заправки горючим РГ-1 - предприятием ПО "Ждановтяжмаш" по техническим заданиям КБОМ на основе исходных данных НПО "Энергия".
Для охлаждения криогенных жидкостей ниже температуры кипения, то есть получения переохлажденные жидкостей, применяются различные холодильные процессы, которые можно осуществить тремя способами:
- посредством теплообменника с использованием хладагента на требуемом температурном уровне (холодильные машины, теплообменники с криогенными жидкостями, кипящими при температуре, более низкой, чем охлаждаемая);
- барботированием неконденсирующимся газом;
- прямым вакуумированием ванны с жидкостью.
В способе охлаждения криогенных жидкостей с помощью холодильных машин производится выбор типа холодильных машин. В настоящее время применяются два их типа. Первый охватывает холодильные установки, реализующие низкотемпературный цикл в классической совокупности агрегатов: компрессор, холодильник, расширительная машина, охладитель или теплообменник для снятия тепловой нагрузки. Второй - это холодильные машины с внутренней регенерацией тепла. В таких машинах теплообменник регенератор расположен в мертвом пространстве расширительной машины, процесс расширения протекает одновременно с процессом теплообмена в регенераторе. Регенерация тепла осуществляется одновременно с процессом сжатия рабочего тела. Охлаждение криогенных жидкостей в газовых холодильных машинах происходит в теплообменнике за счет эффекта охлаждения - расширения рабочего газа с совершением внешней работы.
Метод охлаждения криогенных жидкостей с помощью холодильных машин применяется, как правило, в случаях, когда необходимо исключить потери охлаждаемой жидкости в процессе ее охлаждения и длительного хранения. При хранении больших количеств криогенных жидкостей применение этого способа требует установки громоздких и дорогостоящих машин, что экономически не оправдано.
Холодильные машины с внутренней регенерацией тепла компактны и относительно просты в эксплуатации, они легко могут быть автоматизированы, но имеют небольшую холодопроизводительность и могут применяться для охлаждения и термостатирования только небольших количеств криогенных жидкостей.
Способ охлаждения посредством теплообменника в одинаковой мере применим для охлаждения любой криогенной жидкости. В качестве хладагента может использоваться жидкость, кипящая при температуре более низкой, чем охлаждаемая, или газ, охлаждаемый до требуемого температурного уровня с помощью постороннего холодильного цикла.
В качестве хладагентов для переохлаждения водорода может быть использован жидкий водород, кипящий под вакуумом. Для охлаждения жидкого кислорода могут использоваться жидкий азот и жидкий азот, кипящий под вакуумом, бинарная смесь (жидкий кислород плюс жидкий азот под вакуумом) и жидкий водород. Способ охлаждения жидкости путем барботажа через нее неконденсирующегося газа, например, гелия, заключается в том, что пузырьки гелия, проходя через массу жидкости, насыщаются парами жидкости до равновесного состояния. Несущая пузырьки гелия жидкость понижает свою температуру, так как парообразование идет за счет внутренней энергии жидкости. Этот метод отличается надежностью и высокой холодопроизводительностью. Недостатком его является большой расход дорогостоящего и дефицитного гелия в процессе охлаждения. Для этого на стартовой позиции необходимо иметь большой запас гелия в баллонах, а также сложную систему очистки от примесей охлаждаемой жидкости. Это снижает эффективность данного метода.
В способе охлаждения жидкости путем вакуумирования парового пространства охлаждение производится за счет частичного испарения жидкости при непрерывном отводе паров вакуумным агрегатом. Вакуумирование является простым, надежным способом, требующим только наличия соответствующих средств откачки пара. Такой способ может быть использован для переохлаждения жидкого водорода, однако он мало пригоден для глубокого охлаждения жидкого кислорода вследствие малого давления насыщенных паров кислорода при этих температурах. Вакуумные агрегаты дают очень малую производительность при таком давлении на входе.
Одним из наиболее приемлемых средств вакуумирования, несмотря на низкий коэффициент полезного действия, является установка с газовым эжектором. Преимуществами такой установки является простота, надежность в работе и возможность отвода от охлаждаемой жидкости больших количеств тепла.
Для охлаждения же высококипящих жидкостей применяются холодильные машины. В зависимости от степени охлаждения выбирается соответствующий тип машин.
Способ охлаждения жидкого кислорода для заправки "Энергии" с применением газового эжектора при минимальной стоимости прост в управлении, не требует регулирования и в связи с отсутствием машинного оборудования обладает максимальной надежностью. Кроме того, для его реализации не требуется создания специального хранилища азота. Для обеспечения автономности система охлаждения включает в себя два охладителя, которые обеспечивают охлаждение до требуемой температуры кислорода, идущего на заправку отдельно блока второй ступени и блоков первой ступени. Суммарный расход жидкого азота на одну заправку составляет 200 т.
Принцип работы системы переохлаждения заключается в следующем: в охладителе, стоящем на линии подачи в блок второй ступени, кислород за счет теплообмена с кипящим под атмосферным давлением азотом охлаждается до температуры -195 ╟С, после чего идет на заправку блока. В охладителе, стоящем на линии заправки блоков первой ступени, кислород охлаждается до такой же температуры, а затем смешивается с потоком жидкого кислорода, поступающим по байпасной линии, в результате чего нагревается до температуры -190 ╟С и поступает на заправку блоков первой ступени. Температура жидкого кислорода на выходе из охладителя блоков первой ступени задается заранее и достигается за счет перераспределения потоков через охладитель и байпасную линию с помощью соответствующих клапанов.
В связи с необходимостью переохлаждения кислорода была решена задача обеспечения чистоты продукта. Анализ возможных способов охлаждения жидкого водорода показал, что наиболее целесообразным является охлаждение заправочного потока в теплообменнике, размещенном в ванне с жидким водородом, кипящим под вакуумом. В связи с этим анализировалось применение в система охлаждения жидкого водорода различных типов средств вакуумной откачки. При этом учитывались следующие основные требования, предъявляемые к системе:
- определенная холодопроизводительность при заданной температуре кипения в ванне охладителя;
- взрывобезопасность;
- экономическая эффективность;
- простота управления и эксплуатации;
- заданные показатели надежности.
Величина холодопроизводительности, уровень давления и температура откачиваемого газа определяет объемную производительность средств вакуумной откачки, а следовательно, их тип и количество. Откачка подогретых до нормальных температур паров водорода обеспечена наиболее высокопроизводительными средствами: осевыми, центробежными вакуумными насосами и эжекторами. Однако "теплая" откачка требует применения большого количества машинного оборудования для выполнения предъявленных к системе требований, а также значительного расхода энергии на подогрев газа, что в сочетании с большой потребляемой мощностью является неэффективным и усложняет систему из-за необходимости применения специальных теплообменных аппаратов и обеспечения теплоносителем. В связи с этим вариант системы охлаждения водорода с откачкой подогретых паров был отклонен. Указанные недостатки в значительной степени устраняются при откачке "холодных" паров. Однако, несмотря на достаточно большой ассортимент вакуумных насосов, выпускаемых отечественной промышленностью, их выбор для систем охлаждения криогенных жидкостей ограничен. Основной причиной является отсутствие надежных, высокопроизводительных насосов, работоспособных при криогенных температурах. По состоянию развития вакуумной техники на период 80-х годов, наиболее освоенными средствами откачки "холодных" паров водорода явились газовые эжекторы, в которых в качестве активного газа используется азот. Таким образом была определена схема и состав оборудования для системы охлаждения водорода.
Охлаждение подаваемого в ракету жидкого водорода решено было осуществлять в трубчатых теплообменниках двух последовательно расположенных охладителей. Хладагентом является жидкий водород, кипящий в межтрубном пространстве теплообменника при пониженном давлении. Пары водорода из парового пространства охладителей откачиваются эжекторами. Пневмогидравлическая схема позволяет обеспечить различную холодопроизводительность системы за счет включения в работу различного числа эжекторов.
Охладители представляют собой горизонтальные цельносваренные цилиндрические двухстенные аппараты со встроенными во внутренний сосуд (ванна охладителя) теплообменниками. На наружную поверхность трубок нанесено капиллярно-пористое покрытие, которое служит для интенсификации теплообмена. Теплообмен осуществляется между потоком жидкого водорода, движущимся по трубкам теплообменника, и водородом, кипящим в межтрубном пространстве при давлении ниже атмосферного.
Результаты работ со стендовыми образцами и первыми летными ракетами "Энергия" подтвердили правильность принятых в наземных системах заправки технических решений задачи переохлаждения компонентов топлива: жидкого кислорода - в процессе заправки в ванне с жидким азотом, кипящим при атмосферном давлении; жидкого водорода - в процессе заправки в ванне с жидким водородом, кипящим при пониженном давлении; горючего РГ-1 - с помощью холодильных машин. Наземные системы обеспечили заправку ракеты с заданными температурами с высокой степенью точности. Выбранные схемы переохлаждения компонентов обеспечили выполнение поставленной задачи с минимальными энергозатратами. Переохлаждение криогенных компонентов в процессе заправки без предварительного захолаживания в хранилищах существенно увеличило надежность заправочных систем, сократило сроки подготовки систем к работе с ракетой, позволило обеспечить длительное хранение с гарантией кондиционности компонентов. При этом были также решены вопросы обеспечения требуемой чистоты компонентов.
Принятые в заправочных системах схемы переохлаждения больших количеств компонентов топлива за счет теплообмена между собой различных криогенных продуктов отличаются минимальным энергопотреблением, что позволило решить поставленную задачу без создания на полигоне дополнительных крупных холодильных центров и мощных систем энергоснабжения стенда и старта. При создании криогенных систем была также решена проблема организации на полигоне рабочих мест (стендов) для сборки крупногабаритных сферических емкостей объемом 1430 м3 и их доставки к месту монтажа. Для сварки емкостей потребовалось создание рабочего места, защищенного от внешней среды и имеющего внутри стабильную положительную температуру. Эта задача была решена путем временного использования одного из пролетов монтажно-испытательного корпуса ракеты-носителя, а также создания рабочих мест, закрытых надувными палатками большого объема, на самих стенд-старте и старте, когда монтажно-испытательный корпус пришлось освободить в связи с монтажом в нем оборудования для сборки ракеты-носителя.