БЛОК БАКОВ Российский патент 1997 года по МПК B64G1/40 

Изобретение относится к ракетно-космической технике, а именно к устройству блоков баков двигательных установок разгонных блоков и космических аппаратов.

Известна конструкция блока баков разгонного блока "Центавр", включающая расположенные последовательно вдоль продольной оси баки горючего и окислителя, выполненные в виде тонкостенных оболочек, проставки и узлы крепления блока к смежной ступени носителя и полезной нагрузке, расположенные на верхнем и нижнем торце блока баков [1] Продольная компоновка блока "Центавр", включающая последовательное расположение основных емкостей блока, является удобной и обоснованной для блоков баков, рассчитанных на запас рабочего тела более 12-15 т. Однако использование такого устройства для блоков баков, рассчитанных на запас рабочего тела 2,5-6 т, приводит к нерациональному использованию зоны полезного груза обтекателей современных одноразовых ракет-носителей с характерным поперечным размером 3,5-4,5 м: оптимальные по массе конструкции блоки баков имеют поперечные габаритные размеры значительно меньшие, чем допускаемые обтекателями современных ракетоносителей.

Известен блок баков, содержащий основной сферический бак, расположенный по продольной оси блока, и дополнительные баки, соединенные с основным проставками, при этом каждая проставка соединяет основной и дополнительный бак [2] Недостатком данной конструкции является большой габаритный размер блока в продольном направлении. При размещении больших объемов топлива в блоке баков приходится выполнять баки большего диаметра, при этом возрастает строительная высота блока.

Наиболее близким аналогом (прототипом) к предлагаемому блоку баков является блок баков, использовавшийся в полетах автоматических межпланетных станций "Луна-16" "Луна-24" в составе унифицированной посадочной ступени [3]
Блок баков содержит расположенные в виде тонкостенных сферических оболочек, соединенные друг с другом проставками дополнительные баки, закрепленные на проставках, и узлы крепления блока баков, расположенные на верхнем и нижнем торце блока.

Окружность, на которой размещены центры основных баков, расположена в плоскости, перпендикулярной продольной оси блока. Блок баков имеет кольцеобразную форму, которая образована двумя баками горючего, двумя баками окислителя, соединенными в общую конструкцию с помощью цилиндрических проставок. Дополнительные баки выполнены на проставках. На верхнем и нижнем торце блока баков расположены узлы крепления блока к полезной нагрузке и к разгонному блоку. На верхнем и нижнем торце узлы крепления расположены на основных баках.

В полете блок баков воспринимает внутреннее давление топливных баков и инерционную нагрузку от полезной нагрузки. Инерционная нагрузка от полезной нагрузки от узлов крепления, расположенных на верхнем торце блока, передается на оболочки баков. При выведении блока с полезной нагрузкой в составе ракеты-носителя инерционная нагрузка от блока и полезной нагрузки через узлы крепления, расположенные на нижнем торце, предается к ступени ракеты-носителя.

Размещение основных баков по окружности в сочетании с закреплением на проставках дополнительных баков дает возможность обеспечить для малых и средних ракетных блоков с массой топлива до 10 т приемлемое соотношение габаритных размеров, минимизирующее длину блока в зоне полезного груза носителя. Однако данной конструкции блока баков присущи и определенные недостатки.

Во-первых, блок баков имеет значительную массу, что делает невозможным использование этого блока в конструкции двигательных установок, предназначенных для выведения на орбиты тяжелых полезных нагрузок типа коммерческих спутников связи или перспективных межпланетных станций.

Во-вторых, неэффективно используются внутренние объемы проставок, что обусловливает большие габариты блока.

Техническим результатом изобретения является разработка блока баков, сочетающего высокое массовое совершенство в сочетании с минимальным продольным габаритом и эффективным использованием объема.

Это достигается следующим образом. В известном блоке баков, содержащем расположенные по окружности основные баки, выполненные в виде тонкостенных сферических оболочек, соединенные друг с другом проставками дополнительные баки, закрепленные на проставках, и узлы крепления блока баков, расположенные на верхнем и нижнем торце блока, новым является то, что дополнительные баки и проставки выполнены в виде тонкостенных сферических оболочек. Каждая из проставок усечена тремя плоскостями, две из которых расположены на одинаковом угловом расстоянии от плоскости, проходящей через центр данной проставки и продольную ось блока баков, а третья параллельна продольной оси блока. Двумя первыми контурами усечения проставки соединены с основными баками, а третьим контуром с дополнительным баком.

Центры оболочек дополнительных баков и проставок могут быть расположены в плоскости окружности центров основных баков.

Кроме этого, узлы крепления блока на нижнем торце могут быть расположены на проставках.

При этом узлы крепления на верхнем торце могут быть расположены также на проставках.

Кроме того, радиусы сферических оболочек проставок могут быть выбраны равными радиусам сферических оболочек основных баков.

Выполнение проставок в виде тонкостенных сферических оболочек позволяет создать прочную и жесткую конструкцию, так как сферическая поверхность с двойной кривизной хорошо воспринимает продольные и поперечные нагрузки. Использование сферической проставки позволяет использовать ее непосредственно для крепления дополнительных баков без использования переходных элементов.

Усечение каждой проставки тремя плоскостями, две из которых расположены на одинаковом расстоянии от плоскости, проходящей через центр данной проставки и продольную ось блока баков, а третья перпендикулярна этой плоскости образует на сферической поверхности проставок три контура усечения. Соединение при этом проставок по первым двум контурам усечения с основными баками обеспечивает образование кольцеобразной формы, эффективно воспринимающей продольные и поперечные нагрузки с минимальными затратами массы.

Соединение по третьему контуру усечения проставки с дополнительным баком обеспечивает эффективное использование внутреннего объема проставки: часть дополнительного бака врезана во внутреннюю полость проставки. При этом расположение третьего контура усечения с внешней стороны блока дает возможность использования в качестве дополнительных баков сферических емкостей с размерами, большими, чем размеры проставок и основных баков, что позволяет разместить в блоке значительные объемы топлива.

Расположение узлов крепления блока на нажнем торце на проставках разгружает бак от сосредоточенных локальных нагрузок, масса основных баков при этом уменьшается. Этот эффект усиливается при расположении узлов крепления блока на верхнем торце также на проставках. При этом осевая нагрузка эффективно может восприниматься жесткой конструкцией проставки. Комбинацию расположения узлов крепления блока на верхнем и нижнем торце на проставках удобно использовать при габаритах полезной нагрузки, больших, чем диаметр окружности, на которой расположены центры основных баков.

Расположение узлов крепления блока на верхнем торце на основных баках, а на нижнем торце на проставках удобно использовать при габаритах полезной нагрузки, меньших, чем диаметр окружности, на которой расположены центры основных баков.

Выбор радиусов сферических оболочек проставок, равными радиусам сферических оболочек основных баков, дает возможность упростить технологию изготовления блока баков.

На фиг. 1 представлен вид на блок баков сверху, при этом узлы крепления верхнего торца блока расположены на основных баках, а узлы крепления нижнего торца блока на проставках; на фиг. 2 продольный разрез блока баков, изображенного на фиг. 1; на фиг. 3 сечение проставки блока баков, изображенного на фиг. 1; на фиг. 4 схема усечения плоскостями проставки, вид на проставку сверху; на фиг. 5 вид сбоку на проставку блока баков с размещением узлов крепления блока верхнего и нижнего торца на проставке.

Предлагаемый блок баков устроен следующим образом.

Блок баков содержит основные баки 1, выполненные в виде тонкостенных сферических оболочек. Центры 2 основных баков 1 расположены по окружности 3. Плоскость, в которой размещена эта окружность, перпендикулярна продольной оси блока баков 4. Основные баки соединены друг с другом проставками 5. Блок баков снабжен дополнительными баками 6, закрепленными на проставках 5. Блок баков снабжен также узлами крепления 7 и 8 блока баков, расположенными на верхнем и нижнем торце блока. Дополнительные баки 6 и проставки 5 выполнены в виде тонкостенных сферических оболочек.

Схема усечения проставки показана на фиг. 4. Каждая из проставок усечена тремя плоскостями (9 и 10 следы плоскостей усечения на плоскости, перпендикулярной продольной оси блока), две из которых (9) расположены на одинаковом угловом расстоянии от плоскости (11 ее след на плоскости, перпендикулярной продольной оси блока), проходящей через центр 12 данной проставки и продольную ось 4 блока баков, а третья 10 -параллельна продольной оси блока. Двумя контурами усечения (13) проставки соединены с основными баками, а третьим контуром 14 с дополнительным баком. Контуры усечения проставок и оболочки основных и дополнительных баков в сечениях с проставками могут быть усилены шпангоутами (не показаны).

В представленном варианте блока баков блок содержит по четыре основных бака, четыре проставки и четыре дополнительных бака. Возможно и иное число этих элементов в блоке.

В изображенном на фиг. 1, 2 блоке баков центры оболочек 15 дополнительных баков и проставок расположены в плоскости окружности центров основных баков 2.

В изображенном на фиг. 1, 2 блоке баков третий контур усечения 10 проставки расположен с внешней стороны блока баков, при этом с внешней стороны по отношению к связке основных баков располагаются и дополнительные баки. Возможно расположение третьего контура усечения проставки внутри блока баков: на части оболочки проставки, обращенной к продольной оси блока.

На фиг. 1-3 узлы крепления блока на нижнем торце установлены на проставках.

Узлы крепления блока на верхнем торце могут быть установлены на проставках (фиг. 5) либо на основных баках (фиг. 1,2).

Блок баков может быть изготовлен из алюминиевого сплава типа АМГ-6.

При подготовке блока баков на технической позиции его емкости заполняются необходимыми компонентами под избыточным давлением 2-8 атм. На этапе выведения при работе двигательных установок продольные и поперечные нагрузки от полезной нагрузки воспринимаются узлами крепления верхнего торца и передаются конструкцией блока баков к узлам крепления нижнего торца. В случае расположения узлов крепления на верхнем торце нагрузка передается по проставкам. В случае расположения узлов крепления на верхнем торце на основных баках в восприятии усилий участвует оболочка бака.

Проектно-конструкторские оценки показывают возможность создания блока баков предлагаемого типа с массой заправляемого топлива 3-3,5 т при длине блока порядка 1,5 м. Максимальный диаметр блока при этом составляет 3,3-3,5 м. Масса блока баков лежит при этом в пределах 275-320 кг, что на 25-30% ниже известных аналогов.

Особенно эффективно использование предлагаемой конструкции блока баков в составе разгонных блоков, двигательных установок автоматических межпланетных аппаратов.

Использование: в ракетно-космической технике, в частности в конструкциях блоков баков (ББ) двигательных установок разгонных блоков и космических аппаратов. Сущность изобретения: ББ содержит расположенные по окружности сферические тонкостенные основные баки и аналогично выполненные дополнительные баки и проставки между основными баками, причем каждая проставка усечена тремя плоскостями, две из которых расположены на одинаковом угловом расстоянии от плоскости, проходящей через центр проставки и продольную ось ББ, а третья параллельна указанной оси ББ, двумя первыми контурами усечения проставки соединены с основными, а третьим контуром - с дополнительным баками. Наиболее эффективно изобретение может быть использовано в составе разгонных блоков и двигательных установок автоматических межпланетных аппаратов. 4 з. п. ф-лы, 5 ил.

1. Блок баков, содержащий расположенные по окружности основные баки, выполненные в виде тонкостенных сферических оболочек, соединенные друг с другом проставками, дополнительные баки, закрепленные на проставках, и узлы крепления блока баков, расположенные на верхнем и нижнем торцах блока, отличающийся тем, что дополнительные баки и проставки выполнены в виде тонкостенных сферических оболочек, причем каждая из проставок усечена тремя плоскостями, две из которых расположены на одинаковом угловом расстоянии от плоскости, проходящей через центр данной проставки и продольную ось блока баков, а третья параллельна указанной продольной оси, при этом двумя контурами усечения проставки соединены с основными баками, а третьим контуром с дополнительным баком. 2. Блок баков по п.1, отличающийся тем, что центры оболочек дополнительных баков и проставок расположены в плоскости окружности центров основных баков. 3. Блок баков по п.1, отличающийся тем, что узлы крепления блока на нижнем торце установлены на проставках. 4. Блок баков по п.1, отличающийся тем, что узлы крепления блока на верхнем торце расположены на проставках. 5. Блок баков по п.1, отличающийся тем, что радиусы сферических оболочек проставок выбраны равными радиусам сферических оболочек основных баков.