РАКЕТНАЯ СИСТЕМА Российский патент 1997 года по МПК B64G5/00 F02K9/00 

Изобретение относится к области ракетной техники, а именно к ракетным системам для запуска полезного груза и может применяться для решения задач, связанных с разработкой ракетных двигателей на экологически чистом топливе и стартовых сооружений для обеспечения запуска ракеты-носителя с таким двигателем.

Известна ракетно-космическая система, содержащая ракету-носитель на водородном топливе с твердотопливными ускорителями и стартовое сооружение ("Многоразовая транспортно-космическая система СПЕЙС-ШАТТЛ", под ред. И.И. Садовского, ГОНТИ 4, 1976 г. с. 5-9). Несмотря на то, что в продуктах сгорания топлива ракеты-носителя отсутствуют агрессивные вещества, загрязняющие окружающую среду, такую систему нельзя назвать экологически чистой, так как вредное воздействие на окружающую среду оказывают продукты сгорания твердотопливных ускорителей. Кроме того, примененный на ракете-носителе водородно-кислородный двигатель использует криогенные вещества, что не позволяет находиться ракете в заправленном состоянии длительное время и тем самым уменьшает возможность подготовки ракеты к быстрому запуску.

Известна ракетно-космическая система, содержащая экологически чистый пароводяной двигатель, включающий камеру в виде бака для перегретой воды с сопловым блоком, и стартовое сооружение с устройством для запуска двигателя в виде перекрывающего проточную часть сопла запорного элемента, термодинамически связанного с полостью бака для воды с возможностью открытия запорного элемента при достижении параметров среды в баке заданных значений (RU, патент N 2055452, B 64 G 5/00, 1995).

В известной системе камера двигателя в начале заполняется холодной водой, которая на старте нагревается до критических температур, чем обеспечивается готовность ракеты к пуску. Если пуск отменяется, то такая ракетная система позволяет не сливать горючее из баков, как это приходиться делать при использовании криогенного топлива, а обеспечивает возможность находиться бакам ракеты в заправленном состоянии длительное время.

Наличие в конструкции ракетной системы автоматического устройства для запуска двигателя позволяет осуществить старт для заданных значений давления и температуры в камере двигателя, что увеличивает точность пуска. Однако известная система обладает по крайней мере двумя недостатками. Первый заключается в том, что для подготовки ракеты к пуску необходимо иметь на стартовом сооружении мощный источник энергии для нагрева воды, что приводит к усложнению стартового оборудования. Второй недостаток обусловлен тем обстоятельством, что при заправке камеры двигателя в ней остается воздух, который сжимается водой, заполняющей камеру и тем самым уменьшает полезный объем, занимаемый энергоносителем. Стравливать воздух в процессе заправки нельзя, так как в случае отмены запуска и прекращения нагрева воды, давление в баке будет резко падать (по кривой насыщения), что приведет к появлению на поверхности бака больших сжимающих нагрузок, на которые не рассчитана прочность бака. Еще один недостаток касается устройства для запуска двигателя, так как месторождение этого устройства привязано строго к соплу, что ограничивает функциональные возможности ракетной системы. Кроме того, срабатывает устройство автоматически, что не позволяет вмешиваться в его работу и регулировать время запуска.

Известна ракетная система, которая свободна по крайней мере от первого из указанных выше недостатков (US, патент, N 3252281, F 02 K 9/06, 1966). Согласно известному решению ракетная система содержит пароводяной ракетный двигатель и стартовое сооружение с устройством для запуска двигателя. Нагрев воды и ее подача под давлением в камеру двигателя осуществляется вне стартового сооружения, что существенно упрощает конструкцию ракетной системы по сравнению с предыдущим аналогом. Однако остается другой недостаток, заключающийся в невозможности заправки камеры перегретой воды без стравливания воздуха, что, как было отмечено в отношении предыдущего аналога, существенно уменьшает полезный объем закачиваемого в бак энергоносителя. Более того, этот недостаток усугублен тем, что в момент поступления в камеру первых порций перегретой воды при заправке двигателя происходит вскипание воды и образование пара, масса которого добавляется к массе воздуха, что еще больше сокращает полезный объем энергоносителя. Кроме того, устройство для запуска двигателя не имеет термодинамической связи с его камерой, что не позволяет осуществить пуск двигателя для заданных значений давления и температуры в камере двигателя.

Задачей изобретения является создание такой ракетной системы, в которой использовался бы экологически чистый пароводяной ракетный двигатель, стартовое сооружение было бы свободно от оборудования для нагрева воды в баке и способствовало бы эффективному старту, конструкция двигателя позволяла бы максимально возможно увеличить массу заправленной в камеру двигателя перегретой воды, а устройство для запуска двигателя обеспечило бы возможность производить регулируемый старт ракеты при различных объемах энергоносителя (перегретой воды).

Поставленная задача решается тем, что в ракетной системе, включающей пусковую установку, ракету с пароводяным двигателем, выполненным в виде бака для перегретой воды с сопловой частью, устройство для запуска двигателя, заправочный трубопровод, согласно изобретению двигатель ракеты снабжен дренажным трубопроводом с запорной арматурой для сброса в окружающую среду парогазовой смеси из бака при заправке, а устройство для запуска двигателя выполнено в виде запорного элемента, перекрывающего доступ окружающей среды к баку с перегретой водой.

Запорный элемент устройства для запуска двигателя может быть выполнен в виде разрывной мембраны, установленной в горловине сопла. Пусковая установка может быть выполнена в виде контейнера, в котором размещена ракета. В этом случае запорный элемент устройства для запуска двигателя выполнен в виде установленной на срезе сопла заглушки с уплотнением, зажатой клиновым фиксатором, снабженным гидроприводом, при этом в заглушке образованы отверстия, в одно из которых пропущен дренажный, а в другое заправочный трубопроводы.

Целесообразно, чтобы выход дренажного трубопровода был сообщен через теплообменник с заправочным трубопроводом с возможностью осуществления замкнутой циркуляции перегретой воды в процессе заправки бака.

Пусковая установка может быть выполнена в виде закрытого контейнера, в котором размещена ракета с возможностью одновременной подачи перегретой воды в бак ракеты и в контейнер. В этом случае устройство для запуска двигателя выполнено в виде установленной в верхней части контейнера разрывной мембраны.

Целесообразно, чтобы на внешней поверхности пускового контейнера были размещены спирали теплового электрического нагревателя, закрытого теплозащитным покрытием.

Приведенные выше признаки существенны, так как каждый из них обуславливает появление определенного технического результата, а их совокупность позволяет решить задачу изобретения.

Так, наличие в конструкции двигателя ракеты дренажного трубопроводом для сброса в окружающую среду парогазовой смеси из бака позволяет обеспечить максимально возможную степень заправки пароводяного двигателя перегретой водой. В свою очередь, выполнение устройства для запуска двигателя в виде запорного элемента, перекрывающего доступ окружающей среды к баку с перегретой водой, расширяет функцию устройства для запуска двигателя по сравнению с его функцией в аналоге, так как не регламентирует расположение запорного элемента только в проточном тракте сопла, что за счет выбора места установки устройства для запуска двигателя позволяет повысить эффективность запуска ракеты. Эта функция расширена также и за счет того, что запорный элемент без наложенного на него условия: ".термодинамически связаного с полостью бака для воды с возможностью открытия запорного элемента при достижения параметров среды в баке заданных значений" как это имело место в аналоге, не только позволяет осуществить автоматический, но и управляемый запуск двигателя.

На фиг. 1 представлена схема запуска ракеты с пароводяным ракетным двигателем; на фиг. 2 схема запуска ракеты с пароводяным ракетным двигателем из пускового контейнера; на фиг. 3 схема запуска ракеты с пароводяным ракетным двигателем из пускового контейнера (замкнутая циркуляция перегретой воды); на фиг. 4 схема запуска ракеты с пароводяным ракетным двигателем из герметичного пускового контейнера; на фиг. 5 схема запуска ракеты с пароводяным ракетным двигателем из герметичного пускового контейнера (с нагревателем).

Ракетная система содержит (фиг. 1) пусковую установку 1, на которой вертикально размещена ракета 2 с пароводяным двигателем, включающим камеру 3 с соплом 4 и устройство для запуска, функция которого состоит в разгерметизации камеры двигателя после завершения заправки перегретой воды и обеспечении доступа окружающей среды к энергоносителю, что приводит к образованию рабочего тела в виде выбрасываемого из сопла пара. Двигатель ракеты снабжен дренажным трубопроводом 5 с вентилем 6 для сброса в окружающую среду парогазовой смеси из бака при заправке. Устройство для запуска двигателя выполнено в виде запорного элемента, перекрывающего доступ окружающей среды в камеру 4 с перегретой водой. Запорный элемент устройства для запуска может быть выполнен в виде разрывной мембраны 7, установленной в горловине сопла 4 (фиг. 1), или управляемой заглушки 8, установленной на срезе сопла (фиг. 2, 3) или разрывной мембраны 9, установленной на верхней части пусковой установки, выполненной в виде закрытого герметичного контейнера 10 (фиг. 4, 5), полость которого сообщена с полостью камеры 3. В случае, когда запорный элемент устройства для запуска выполнен в виде управляемой заглушки 8, на срезе сопла по его контуру размещено кольцевое уплотнение 11, прижатое к заглушке клиновым фиксатором 12, снабженным гидроприводом 13. Такой замок обеспечивает плотное прилегание заглушки 8 к срезу сопла и тем самым герметизирует камеру 3 двигателя со стороны окружающей среды. В заглушке образованы отверстия, в одно из которых пропущен дренажный 5, а в другое заправочный 14 трубопроводы. Устройство для запуска двигателя, включающее заглушку в качестве запорного элемента, целесообразно применять с пусковым устройством 1, представляющим собой контейнер (фиг. 2, 3), который по сравнению с пусковым устройством 1 на фиг. 1 позволяет использовать при старте ракеты истекающий из ее двигателя пар для выталкивания ракеты из контейнера.

Перемещение устройства для запуска двигателя на срез сопла позволяет увеличить заправку двигателя на величину объема раструба сопла.

Перегретая вода в камеру двигателя поступает под давлением через заправочный трубопровод 14 с вентилем 15 с помощью насосной установки 16. Для обеспечения возможности длительного пребывания ракеты в заправленном состоянии на старте, например при нештатных ситуациях запуска, выход дренажного трубопровода 5 сообщен через теплообменник 17 с заправочным трубопроводом 14 (фиг. 3) с возможностью осуществления замкнутой циркуляции перегретой воды в процессе заправки бака и недопущения ее охлаждения ниже определенной температуры. Для этой же цели на поверхности пускового контейнера может быть установлен теплоэлектронагреватель 18 (фиг. 5), спирали которого закрыты от окружающей среды теплозащитным покрытием 19.

Работает ракетная система следующим образом.

При поступлении в камеру 3 двигателя первых порций перегретой воды, она интенсивно испаряется, но накопления паров в камере не происходит, так как пары вместе с находившимся там перед заправкой воздухом удаляются через дренажный трубопровод 5 и вентиль 6 в окружающую среду. При запуске из закрытого контейнера 1, полость которого сообщена с камерой 3 двигателя, воздух и пары вытесняются поступающей в нижнюю часть контейнера перегретой водой через дренажный клапан в верхней части контейнера.

После заполнения камеры двигателя перегретой водой до требуемого уровня вентиль 6 перекрывают и посылают сигнал готовности на устройство для запуска, которое срабатывает, создавая условия для разгерметизации камеры и сообщая ее с окружающей средой. Результатом срабатывания устройства для запуска является открытие его запорного элемента. В случае, если таковым является мембрана, она разрывается по ослабленному сечению, если заглушка, то гидропривод 13 перемещает клиновые фиксаторы 12, устраняя зажим заглушки и открывая доступ давления внешней среды в камеру 13. Перегретая вода вскипает и происходит интенсивное образование рабочего тела в виде водяного пара, который, истекая из сопла 4, создает тягу. В случае разгерметизации камеры за счет открытия заглушки (фиг. 2, 3), первоначально вскипает вода в объеме раструба сопла, и под действием образовавшегося импульса струи пара, ракета выталкивается из пускового контейнера 1 (фиг. 2, 3). Если пуск осуществляют из закрытого контейнера 10 (фиг. 4, 5), то после прорыва мембраны 9 на верхней части контейнера, вода, находящаяся в нижней части контейнера, вскипает и образующийся пар под действием избыточного давления выбрасывает ракету из пускового контейнера, сообщая ей начальную скорость. В этом случае импульс, выталкивающий ракету из контейнера, выше, чем в предыдущем случае пуска из негерметичного контейнера после открытия заглушки 8.

После выхода ракеты из контейнера она разгоняется реактивной тягой пароводяного двигателя. В нештатной ситуации, когда пуск ракеты откладывается, после заполнения камеры 3 до требуемого уровня, через камеру осуществляют замкнутую циркуляцию перегретой воды с дополнительным подогревом в теплообменнике 17 по схеме, приведенной на фиг. 3. Это позволяет поддерживать требуемую температуру перегретой воды продолжительное время. Готовность к пуску в нештатной ситуации можно обеспечить, поддерживая температуру перегретой воды в герметичном закрытом пусковом контейнере 10 (фиг. 5), путем включения нагревателя 18, расположенного на поверхности пускового контейнера.

Приведенный выше материал свидетельствует о том, что изобретение, обладая преимуществами рассмотренных аналогов, позволяет получить новый технический результат осуществить заправку и регулируемый пуск пароводяного ракетного двигателя, что и обуславливает решение поставленной задачи.

Использование: в ракетных системах. Сущность изобретения: ракетная система включает пусковую установку, ракету с пароводяным двигателем, выполненным в виде бака для перегретой воды с сопловой частью, устройство для запуска двигателя, заправочный трубопровод. Двигатель ракеты снабжен дренажным трубопроводом с запорной арматурой для сброса в окружающую среду парогазовой смеси из бака при заправке, а устройство для запуска двигателя выполнено в виде запорного элемента, перекрывающего доступ окружающей среды в камеру с перегретой водой. 5 з.п. ф.-лы, 5 ил.

1. Ракетная система, включающая пусковую установку, ракету с пароводяным двигателем, выполненным в виде бака для перегретой воды с сопловой частью, устройство для запуска двигателя, заправочный трубопровод, отличающаяся тем, что двигатель ракеты снабжен дренажным трубопроводом с запорной арматурой для сброса в окружающую среду парогазовой смеси из бака при заправке, а устройство для запуска двигателя выполнено в виде запорного элемента, перекрывающего доступ окружающей среды в камеру с перегретой водой. 2. Система по п.1, отличающаяся тем, что запорный элемент устройства для запуска двигателя выполнен в виде разрывной мембраны, установленной в горловине сопла. 3. Система по п.1, отличающаяся тем, что пусковая установка выполнена в виде контейнера, в котором размещена ракета, а запорный элемент устройства для запуска двигателя выполнен в виде установленной на срезе сопла заглушки с уплотнением, зажатым клиновым фиксатором, снабженным гидроприводом, при этом в заглушке образованы отверстия, в одно из которых пропущен дренажный, а в другое заправочный трубопроводы. 4. Система по п.3, отличающаяся тем, что выход дренажного трубопровода сообщен через теплообменник с заправочным трубопроводом с возможностью осуществления замкнутой циркуляции перегретой воды в процессе заправки бака. 5. Система по п.1, отличающаяся тем, что пусковая установка выполнена в виде закрытого герметичного контейнера, в котором размещена ракета с возможностью одновременной подачи перегретой воды в бак ракеты и в контейнер, а устройство для запуска двигателя выполнено в виде установленной в верхней части контейнера разрывной мембраны. 6. Система по п.5, отличающаяся тем, что на внешней поверхности пускового контейнера размещены спирали теплового электрического нагревателя, закрытого теплозащитным покрытием.