АНАЛИЗ ОПЫТА ПРИМЕНЕНИЯ СОВРЕМЕННЫХ СРЕДСТВ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИИ СИСТЕМ ЗАПРАВКИ КРИОГЕННЫМИ ПРОДУКТАМИ НА СК РН СРЕДНЕГО КЛАССА 1 ГИК

629.764

АННОТАЦИЯ

В статье представлен комплексный анализ практического опыта внедрения и эксплуатации современных теплоизоляционных материалов в системах заправки криогенными продуктами на стартовых комплексах (СК) ракет-носителей (РН) среднего класса 1 Государственного испытательного космодрома Министерства Обороны Российской Федерации (1 ГИК) - Плесецк.

Рассмотрены основные типы теплоизоляции, их физико-химические свойства, преимущества и недостатки в условиях экстремальных температурных перепадов и вакуумных нагрузок, применяемы в криогенной промышленности и на космодроме Плесецк. Особое внимание уделено вопросам обеспечения надежности и эффективности (минимизации теплопритоков, экономии криогенного продукта, возможности монтажа и продления ресурса криогенного оборудования).

Ключевые слова: Заправочные системы; Заправочное оборудование; Криогенная техника; Теплоизоляция криогенных систем; Криогенные компоненты ракетного топлива; 1 Государственный испытательный космодром Министерства Обороны Российской Федерации.

ВВЕДЕНИЕ

Развитие космических программ России и активное использование инфраструктуры 1 ГИК МО РФ – «космодром Плесецк» требуют постоянного совершенствования технологий хранения и транспортировки криогенных продуктов. Основной проблемой является интенсивный приток тепла из окружающей среды, приводящий к испарению продукта и росту давления в резервуарах. Для минимизации этих потерь применяются современные средства тепловой защиты.

На космодроме Плесецк применяются такие низкокипящие жидкости как жидкий кислород и жидкий азот, которые легко превращаются в газ даже при очень низких температурах и незначительном тепловом воздействии. Так температура кипения жидкого азота при нормальных условиях -196 °С, жидкого кислорода - 183°С [2, с.3]. Надежность и эффективность их эксплуатации являются критически важными факторами для успешной реализации космических миссий. В связи с этим, становятся актуальными вопросы обеспечения надежной и эффективной теплоизоляции криогенных заправочных систем.

Современная криогенная техника использует широкий спектр теплоизоляционных материалов, выбор которых зависит от рабочей температуры, габаритов объекта и условий эксплуатации.

На 1 ГИК МО РФ в качестве теплоизоляции криогенных заправочных систем с 1964 года применяются такие материалы как перлит, аэрогель, маты АТМ и ЭВИ [8, с.4].

Целью настоящей работы является проведение анализа современных средств теплоизоляции криогенных систем и сравнение их с существующими на космодроме Плесецк. Мы рассмотрим основные виды современных средств теплоизоляции, а также их положительные и отрицательные характеристики.

ОСНОВНЫЕ ТИПЫ СОВРЕМЕННОЙ ТПЕЛОИЗОЛЯЦИИ КРИОГЕННЫХ ПРОДУКТОВ В ПРОМЫШЛЕННОСТИ И НА КОСМОДРОМЕ ПЛЕСЕЦК

Современные криогенные системы используют различные виды теплоизоляции, в зависимости от рабочей температуры, габаритов оборудования, его назначения и условий эксплуатации.

Проводимый анализ опыта применения современных средств теплоизоляции систем заправки криогенными продуктами на СК РН среднего класса 1 ГИК основан на выделении положительных и отрицательных сторон применяемой в эксплуатации теплоизоляции, ее надежности и эффективности (минимизации теплопритоков, экономии криогенного продукта, возможности монтажа и продления ресурса криогенного оборудования), перспективах развития и инновациях.

1. Экранно-вакуумная изоляция ЭВИ

Самый эффективный и распространённый вариант для различных типов криогенных резервуаров [2, с.3], трубопроводов для транспортировки криогенных жидкостей [2, с.3], а также сосудов Дьюара. Вакуум исключает конвективный перенос тепла и значительно снижает теплопроводность газа.

Система состоит из множества параллельных отражающих экранов с низкой излучательной способностью, разделенных прокладками из волокнистых материалов с низкой теплопроводностью [1, с.3].

Вакуумные условия устраняют конвекцию, а фольга служит радиационным экраном, отражая тепловое излучение. Данный вид теплоизоляции широко применяется в системах заправки жидким кислородом для РН типа «Ангара» на космодроме Плесецк.

Преимущества:

• минимальные теплопотери;
• долговечность;
• стабильность при низких температурах;
• небольшой вес [7, с.24].

Недостатки:

• сложность в обслуживании;
• сложность монтажа;
• громоздкость оборудования;
• высокая стоимость;
• необходимость наличия дополнительного оборудования и датчиков.

2. Вакуумно-порошковая (перлит, силикагель)

Используется в стационарных резервуарах среднего и большого объема, где вакуумная полость между внутренним сосудом и кожухом дополняется засыпкой из теплоизоляционного материала [1, с.10].

Вспученный перлитовый песок — наиболее употребимый материал, обладающий низкой теплопроводностью, сравнительно малым весом и стоимостью [1, с.2]

Преимущества:

• высокая эффективность при относительно низкой стоимости;
• простота заполнения и обслуживания;
• высокие криосорбционные свойства;
• устойчивость к механическим и тепловым воздействиям.

Недостатки:

• сложность в обслуживании;
• сложность монтажа;
• громоздкость оборудования;
• высокая стоимость.

3. Аэрогелевая изоляция

Применяется для трубопроводов, газификационных линий и промышленного оборудования, где нет необходимости или возможности в создании вакуумных условий [4].

Изоляция создаёт защитный барьер и предотвращает конденсацию влаги на холодных поверхностях [2, с.8].

Аэрогель, сверхлёгкий наноструктурированный материал – который выступает современной альтернативой «классическому» пенополиуретану, сочетает прочность, сравнительную легкость монтажа и эксплуатации, а также рекордно низкую теплопроводность (до 0,013 Вт/м·К) [1, с.2].

Преимущества:

• лёгкость монтажа и эксплуатации;
• защита поверхности узлов от обмерзания и коррозии;
• высокая гидрофобность;
• защита от коррозии под изоляцией;
•  минимальная толщина материала без потери теплоизоляционных качеств;
• возможность восстановления без полной разборки оборудования.

Недостатки:

• высокая стоимость;
• зарубежные поставки.

4. Пеностекло

Пеностекло (ячеистое стекло); Жесткий теплоизоляционный материал из вспененного стекла с закрытой ячеистой структурой [1, с.2]

Применяется для трубопроводов, газификационных линий и промышленного оборудования,

Как правило, блочное пеностекло получают путём вспенивания силикатных стёкол при температурах 700–1000°C. В качестве газообразователя могут выступать углеродистые пенообразователи, например, уголь. В результате получаются блоки, которые после охлаждения доводятся до определённых геометрических размеров.

Преимущества:

• лёгкость монтажа и эксплуатации;
• защита поверхности узлов от обмерзания и коррозии;
• возможность восстановления без полной разборки оборудования;
• неогрючесть;
• низкая теплопроводность;
• высокий срок службы (до 100 лет).

5. Кремнеземные иглопробивные маты 

Кремнеземные иглопробивные маты  — это универсальная экологически чистая изоляция. Производятся иглопробивным способом без использования связующих элементов. Благодаря своим свойствам могут быть использованы как высокотемпературная термоизоляция, электроизоляция и шумоизоляция [5].

Данный вид теплоизоляции широко применяется в системах заправки жидким кислородом для РН типа «Союз» на космодроме Плесецк.

Материал не горючий. При воздействии открытого пламени не выделяет вредных веществ. Безопасен для дыхания человека.

Длительно сохраняет свои своиства при температурах до 1100С [6].

Поддается механической обработке, с легкостью принимает необходимую форму.

Преимущества:

• лёгкость монтажа и эксплуатации;
• защита поверхности узлов от обмерзания и коррозии;
• не горючий;
• низкая стоимость;
• возможность восстановления без полной разборки оборудования [5].

Недостатки:

• высокая стоимость;
• зарубежные поставки.

Современные технологии и инновации в теплоизоляции, перспективы их внедрения на космодроме Плесецк

Современные технические решения позволяют добиться максимальной энергоэффективности криогенных систем [2, с.3].

Аэрогель — изоляция будущего

Аэрогель состоит на 99 % из воздуха, но при этом выдерживает экстремальные температуры и имеет рекордно низкую теплопроводность [4].

Он используется в космической и криогенной промышленности, а сегодня доступен и в коммерческих установках. Благодаря своей структуре аэрогель позволяет уменьшить толщину изоляции без потери эффективности. Его теплопроводность ниже 0,012 Вт/(м·К) при атмосферном давлении, он отлично сохраняет механическую стабильность при многократных циклах нагрева-охлаждения. Единственным его недостатком является его цена.

Многослойные фольгированные материалы

Алюминизированные или металлизированные плёнки отражают до 97 % теплового излучения [1, с.10].

Их применяют в составе ЭВИ-защиты компактных и мобильных резервуаров для длительного хранения жидких газов.

Вакуумно-контролируемые оболочки

Применяемы на космодроме Плесецк современные резервуары оснащаются системами автоматического контроля вакуума. Специальные датчики отслеживают давление в межстенном пространстве, а при необходимости включают дополнительную вакуумную откачку — это позволяет поддерживать идеальные условия теплоизоляции даже через годы эксплуатации.

Композитные и гибридные решения

Современные корпуса внутренних сосудов криогенных резервуаров, хранящих жидкие газы, часто изготавливаются из нержавеющей стали с композитными опорными и фиксирующими внутренними элементами для установки во внешнем стальном кожухе, что снижает теплопередачу через конструкцию.

Такие решения повышают надёжность, уменьшают вес и продлевают срок службы оборудования.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Высокие стандарты качества остаются приоритетом. Криогенная изоляция — это инвестиция в надежность и экономичность оборудования на долгие годы. Правильный выбор материала экономит энергию, снижает потери криогенной жидкости и повышает безопасность всей системы, тем самым показывая высокую эффективность теплоизоляции.

Применяемые на космодроме Плесецк теплоизоляционные материалы криогенных систем являются надежными и эффективными, но современная наука не стоит на месте. Исследования в области криогенной изоляции сосредоточены на наноструктурированных материалах. Аэрогели с контролируемой мезопористой структурой уже демонстрируют теплопроводность ниже 0,012 Вт/(м·К) при атмосферном давлении и сохраняют механическую стабильность при многократных циклах нагрева-охлаждения.

При проектировании криогенных систем стоит учитывать все нюансы и особенности: от климатических условий эксплуатации до требований норм безопасности. Универсальной теплоизоляции нет — только оптимальное решение для конкретной задачи. Для теплоизоляции криогенных систем на космодроме Плесецк, в качестве инноваций в теплоизоляции , видится комбинированное применение ЭВИ и аэрогелей, что значительно повысит надежность, эффективность и безопасность теплоизоляции в целом.

Список литературы:

1. ГОСТ 31913 - 2022 «Материалы и изделия теплоизоляционные. Термины и определения» - М.: РИС, 2022. – 34 с.
2. ГОСТ Р 71142-2023 "Техника криогенная. Установки разделения воздуха криогенные и смежное оборудование отрасли криогенной техники. Термины и определения"- М.: РИС, 2024. – 28 с.
3. Криогенная изоляция: материалы и методы защиты // Промышленный портал InvestSteel. — URL: https://forum.investsteel.ru/topic/2167/kriogennaya-izolyaciya-materialy-i-metody-zashity (дата обращения: 01.06.2026).
4. Криогенная теплоизоляция ArmaGel DT // Официальный сайт поставщика. — URL: https://xn--b1agyekgek.xn--p1ai/product/armagel_dt/ (дата обращения: 01.06.2026).
5. Высокотемпературная кремнеземная изоляция для космодрома Плесецк // Superfelt.ru. — URL: https://superfelt.ru/portfolio/vysokotemperaturnaja_kremnezemnaja_izoljacija_dlja_kosmodroma_pleseck.html (дата обращения: 01.06.2026).
6. Стационарная система заправки жидким кислородом РН типа «Союз» – М.: Гелиймаш, 2021. – 98 с.
7. Стационарная система заправки жидким кислородом РН типа «Ангара» – М.: Аэродроммаш, 2019. – 118 с.
8. Эксплуатационная документация криогенных системы 1 ГИК МО РФ – М.: Аэродроммаш, 2025. – 165 с.