РАЗГОННЫЙ БЛОК Российский патент 1998 года по МПК B64G1/16 B64G1/40 

Изобретение относится к ракетно-космической технике и касается конструкции разгонных ракетных блоков (разгонных блоков) космических аппаратов, входящих в состав ракеты космического назначения и предназначенных для выведения с базовой орбиты на рабочие высокоэнергетические орбиты различных космических объектов полезных грузов.

Известен разгонный блок Л для космического корабля "Восток", содержащий расположенные на общей оси жидкостный ракетный двигатель (ЖРД) и тороидальные топливные баки криогенного окислителя (жидкий кислород) и углеводородного горючего (керосин), связанные между собой межбаковым каркасным переходным отсеком и внутренними силовыми балками, при этом ЖРД расположен в центральной части тороидального бака горючего, ограниченной его внутренней кольцевой стенкой, и установлен на силовой раме, закрепленной на внутренних силовых балках, и на внутренней кольцевой стенке тороидального бака окислителя расположена стержневая ферма для крепления полезного груза [1] Недостатком известного разгонного блока является наличие в нем каркасного межбакового отсека, увеличивающего теплопотери к криогенному баку окислителя и ухудшающего весовые характеристики блока. Выполнение бака криогенного окислителя тороидальной формы не является оптимальным с точки зрения обеспечения условий хранения криогенного компонента в космических условиях из-за относительно большой поверхности бака, а также с точки зрения минимизации массы бака из-за наличия в нем цилиндрических вставок.

Наиболее близким к предложенному является разгонный блок Д для лунного космического комплекса Л1, содержащий жидкостный ракетный двигатель (ЖРД), тороидальный бак углеводородного горючего и сферический бак криогенного окислителя, связанные между собой через каркасный межбаковый отсек, к которому они соединены с помощью стержневых ферм, при этом ЖРД расположен в центральной части тороидальной бака горючего, ограниченной его кольцевой стенкой, и установлен на собственной силовой раме, закрепленной с помощью внутренней стержневой фермы на межбаковом отсеке, к верхней части которого также подсоединены стержневая ферма для крепления космического объекта и переходный отсек, связывающий разгонный блок с предыдущей ступенью ракеты космического назначения [2] Недостатком данного разгонного блока является то, что соединение между собой баков окислителя и горючего осуществляется с помощью силового элемента, выполненного в виде каркасного межбакового отсека и закрепленных на его торцах двух стержневых ферм. Это приводит к необходимости усиления составляющих частей данного силового элемента для обеспечения достаточной жесткости конструкции, что связано с увеличением массы разгонного блока и соответственно приводит к снижению массы выводимого на орбиту полезного груза. Недостатком является также закрепление силовой рамы ЖРД (узла крепления ЖРД) на каркасном межбаковом отсеке, значительно удаленном от ЖРД, что приводит к увеличению размеров и веса внутренней стержневой фермы крепления силовой рамы ЖРД к межбаковому отсеку. При этом для достижения необходимой жесткости данной конструкции разгонного блока в нее введены дополнительные стержневые стяжки, связывающие силовую раму ЖРД с охватывающим ее тороидальным баком горючего.

Задачей изобретения является снижение массы и упрощение конструкции разгонного блока космического аппарата.

Решение поставленной задачи обеспечивается за счет того, что в разгонном блоке, содержащем бак криогенного окислителя, тороидальный бак углеводородного горючего, жидкостный ракетный двигатель с узлом крепления двигателя, расположенный по оси бака горючего, силовой элемент взаимного соединения баков окислителя и горючего, а также стержневую ферму для крепления полезного груза и переходный отсек для соединения с предыдущей ступенью ракеты космического назначения, в соответствии с изобретением силовой элемент взаимного соединения баков окислителя и горючего выполнен в виде стержневой фермы, при этом опорные узлы стержневых ферм и переходного отсека размещены на наружной кольцевой стенке тороидального бака горючего, а узел крепления двигателя закреплен на внутренней кольцевой стенке бака горючего. В частном случае выполнения изобретения узел крепления жидкостного ракетного двигателя может быть закреплен на тороидальном баке горючего с помощью радиальных пилонов.

Размещение опорных узлов стержневых ферм и переходного отсека на наружной кольцевой стенке тороидального бака горючего и закрепление узла крепления ЖРД на внутренней кольцевой стенке бака горючего обусловливает использование этого бака в качестве основного силового узла в конструкции разгонного блока. Это дает возможность упростить конструкцию и уменьшить массу разгонного блока за счет закрепления бака криогенного окислителя с помощью стержневой фермы непосредственно на баке горючего, исключив из конструкции разгонного блока каркасный межбаковый отсек и дополнительную стержневую ферму. Использование тороидального бака горючего в качестве основного силового узла разгонного блока позволяет также закрепить на нем узел крепления двигателя, расположенного в непосредственной близости от внутренней кольцевой стенки бака горючего, использовав в качестве связующего силового элемента стержневую ферму или радиальные пилоны, установленные на внутренней кольцевой стенке бака. Это позволяет упростить конструкцию, уменьшить размеры и снизить массу силового элемента закрепления в разгонном блоке узла крепления двигателя. Снижение массы разгонного блока позволяет соответственно увеличить массу полезного груза космического аппарата. Использование радиальных пилонов в качестве силового элемента закрепления двигателя позволяет также дополнительно увеличить жесткость тороидального бака горючего, что весьма существенно в случае использования двигательной установки с турбонасосной подачей топлива в ЖРД, в которой толщина оболочки топливных баков меньше, чем в установке с вытеснительной подачей топлива в ЖРД.

На фиг.1 схематично изображен общий вид разгонного блока, в разрезе; на фиг. 2 расположение опорных узлов ферм и радиальных пилонов закрепленных на ЖРД на тороидальном баке горючего, вид А.

Разгонный блок содержит последовательно расположенные на общей оси сферический бак криогенного окислителя 1, тороидальный бак углеводородного горючего 2 и маршевый жидкостный ракетный двигатель 3 с кардановым узлом 4 крепления двигателя, расположенный в центральной части тороидального бака 2, ограниченной кольцевой стенкой бака. Бак криогенного окислителя 1 жестко закреплен (подвешен) на тороидальном баке горючего 2 с помощью стержневой фермы 5, выполненной из малотеплопроводного материала, например, титана или стеклопластика, при этом опорные узлы 6 крепления фермы 5 на баке 2 расположены, например, на кольцевом шпангоуте 7, установленном на наружной кольцевой стенке бака в его экваториальной плоскости. Кардановый узел 4 крепления двигателя закреплен на тороидальном баке горючего 2 с помощью радиальных пилонов 8, установленных путем приварки на внутренней кольцевой стенке бака 2. Разгонный блок содержит также стержневую ферму 9 для закрепления выводимого на орбиту полезного груза (космического объекта) 10, а также переходный отсек 11, выполненный, например, в виде стержневой фермы, для соединения разгонного блока с предыдущей ступенью 12 ракеты космического назначения. Опорные узлы 13 стержневой фермы 9 и опорные узлы 14 переходного отсека 11, как и опорные узлы 6 фермы 5 крепления бака окислителя, расположены на шпангоуте 7, установленном на наружной кольцевой стенке бака горючего 2. Топливные баки окислителя 1 и горючего 2 содержат внутрибаковые устройства соответственно 15 и 16, внутри бака окислителя 1 размещен также баллон 17 с газом надува. На нижнем торце бака горючего 2 установлен также блок сопел 18 реактивной системы управления разгонного блока. Для снижения массы пилонов 8 в них может быть выполнена перфорация.

Поскольку маршевый двигатель 3 разгонного блока закреплен на внутренней кольцевой стенке тороидального бака горючего 2, на наружной кольцевой стенке которого размещены опорные узлы 6 и 13 стержневой фермы 5 крепления бака окислителя и стержневой фермы 9 крепления полезного груза, при полете космического аппарата с базовой орбиты на рабочую орбиту бак горючего 2 выполняет роль основного силового узла аппарата. Размещение опорных узлов 14 переходного отсека 11 на наружной кольцевой стенке бака горючего 2 обусловливает использование этого бака в качестве основного силового узла при выведении космического аппарата на базовую орбиту ракетой космического назначения. При этом в случае использования в разгонном блоке двигательной установки с вытеснительной установки с вытеснительной подачей топлива в ЖРД прочностные свойства бака горючего позволяют использовать его в качестве основного силового узла космического аппарата без усиления его конструкции. В случае использования двигательной установки с турбонасосной системой подачи топлива необходимо усиление оболочки бака горючего в местах установки на нем опорных узлов.

В РКК "Энергия" разработаны технические предложения по конструкции разгонного блока, выполненного в соответствии с изобретением. Разгонный блок предназначен для выведения на высокоэнергетическую орбиту полезного груза после доставки его на промежуточную базовую орбиту ракетой космического назначения типа "Молния" или "Союз". В разгонном блоке использована двигательная установка с вытеснительной подачей топлива в ЖРД, что обуславливает повышенные прочностные характеристики топливных баков, поэтому усиления конструкции бака горючего в местах крепления на нем опорных узлов ферм, переходного отсека и узла крепления двигателя не производилось. В данном конкретном случае применение изобретения позволило на 10% увеличить массу полезного груза космического аппарата по сравнению с использованием разгонного блока, выполненного по известной схеме (прототипа).

Использование: в ракетно-космической технике и, более конкретно, в составе разгонных блоков (РБ) космических аппаратов, выводимых с базовой на высокоэнергетические рабочие орбиты. Сущность изобретения: РБ содержит бак криогенного окислителя, тороидальный бак (ТБ) углеводородного горючего, жидкостный ракетный двигатель (ЖРД) с узлом крепления двигателя, расположенный по оси ТБ горючего, стержневую ферму (СФ) взаимного соединения баков окислителя и горючего, а также СФ для крепления полезного груза и переходный отсек для соединения с предыдущей ступенью ракеты космического назначения, при этом опорные узлы СФ и переходного отсека установлены на наружной кольцевой поверхности ТБ горючего, а узел крепления ЖРД - на внутренней кольцевой стенке ТБ горючего, в частности, с помощью радиальных пилонов. Этом позволяет снизить массу РБ, используя ТБ горючего в качестве основного силового узла в конструкции РБ и закрепляя непосредственно на нем бак криогенного окислителя и узел крепления ЖРД. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Разгонный блок, содержащий бак криогенного окислителя, тороидальный бак углеводородного горючего, жидкостный ракетный двигатель с узлом крепления двигателя, расположенный по оси бака горючего, силовой элемент взаимного соединения баков окислителя и горючего, а также стержневую ферму для крепления полезного груза и переходный отсек для соединения с предыдущей ступенью ракеты космического назначения, отличающийся тем, что силовой элемент взаимного соединения баков окислителя и горючего выполнен в виде стержневой фермы, при этом опорные узлы стержневых ферм и переходного отсека размещены на наружной кольцевой стенке тороидального бака горючего, а узел крепления двигателя закреплен на внутренней кольцевой стенке бака горючего. 2. Блок по п. 1, отличающийся тем, что узел крепления жидкостного ракетного двигателя закреплен на тороидальном баке горючего с помощью радиальных пилонов.