ДВИГАТЕЛЬНАЯ УСТАНОВКА КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА Российский патент 1998 года по МПК F02K9/42 

Изобретение относится к области ракетно-космической техники и может быть использовано в двигательных установках АМС, ИСЗ, разгонных блоков верхних ступеней ракет и межорбитальных буксиров.

Известна (см. Энциклопедия "Космонавтика", изд-во "Советская энциклопедия", 1985, рис. 7) двигательная установка, содержащая многоблочный топливный отсек с центральными 1 и периферийными 2 блоками баков, соединенных с ЖРД 3 топливопроводами 4 через коллектор 5, управляемые топливные клапаны 6 и систему наддува 7 (см. фиг. 1), разработанная нашим предприятием. Периферийный 2 и центральный 1 блоки баков этой двигательной установки содержат попарно симметрично расположенные относительно продольной оси КА баки горючего и баки окислителя. Топливопроводы всех баков, содержащих одноименный комплект, объединены коллектором, из которого компонент топлива подается в ЖРД.

Управляемые топливные клапаны установлены на топливных магистралях, соединяющих топливозаборник каждого топливного бака с топливным коллектором. Известная двигательная установка работает следующим образом. По команде с Земли в соответствии с утвержденной циклограммой работы осуществляется открытие управляемых топливных клапанов и включение ЖРД. При этом топливо вначале вырабатывается из периферийных блоков баков. После выработки топлива из этих баков (исключая гарантийные запасы, конструктивные остатки топлива и разновыработку) с Земли дается команда на перекрытие топливных магистралей, отделяющих топливные баки периферийных блоков баков с топливными коллекторами, и отделение периферийных блоков от космического аппарата вместе с оставшимся в них топливом. В последующих включениях двигателя топливо расходуется из топливных баков центрального блока. Включение двигателя также производится по команде с Земли путем открытия управляемых топливных клапанов. Все эти меры позволяют уменьшить эксцентриситет космического аппарата из возмущающий момент от него.

Однако известная двигательная установка имеет следующие недостатки. Независимое подключение каждого топливного бака к топливному коллектору и к системе поддува приводит к невозможности полной выработки топлива из баков периферийных блоков. Поэтому указанные баки при отделении от КА могут содержать до 5% топлива от первоначальной заправки. Кроме того, неодинаковая выработка топлива из указанных баков порождает возмущающий момент (см. фиг. 2), действующий на КА вплоть до их отделения.

В дополнение к этому подача газа наддува в каждый бак по независимой отдельной магистрали на последних этапах работы двигательной установки сопряжена с потерями давления в трубопроводах наддува и требует наличия на борту запасов газа наддува для преодоления этих потерь. Анализ указанной двигательной установки позволяет признать ее наиболее близким аналогом - прототипом заявляемого изобретения.

Целью настоящего изобретения является улучшение массо-энергетических характеристик КА.

Поставленная цель достигается тем, что система наддува соединена с газовыми полостями топливных баков только периферийного блока, сообщающихся через первую собирающе-раздающую часть коллектора, выполненную в виде топливопроводов-газоводов, топливные баки центрального блока и вторую собирающую часть коллектора с ЖРД, а каждый топливный бак центрального блока соединен шунтирующей магистралью через обратный клапан с ближним баком одноименного компонента топлива периферийного блока.

Соединение системы наддува с газовыми полостями топливных баков только периферийного блока позволяет обеспечить заданную последовательность выработки топлива из топливных баков. При этом в первую очередь топливо в ЖРД подается из топливных баков центральных блоков, которые залиты топливом до отказа и не содержат газовых подушек.

На место выработанного из этих баков топлива подается топливо из баков периферийного блока. Для этого потоки топлива из попарно симметричных топливных баков периферийных блоков сводятся в первой собирающе-раздающей части коллектора. Из нее они попадают в баки центральных блоков. При этом возможная разновыработка топлива из попарно-симметричных баков периферийного блока перераспределяется через указанную собирающе-раздающую часть топливного коллектора между попарно-симметричными топливными баками центрального блока. В результате величина разновыработки, а следовательно, и вызванных его возмущающих моментов уменьшается. Кроме того выработка топливных баков периферийного блока осуществляется досуха и поэтому возмущения, вызванные неодинаковой выработкой топлива из указанных баков по окончании топлива в них сводятся до нуля. При дальнейшей работе ДУ возмущающий момент имеет значительно меньшую величину за счет меньшего плеча расположения баков центрального блока по сравнению с баками периферийного блока (см. фиг. 3).

Выполнение собирающе-раздающей части коллектора в виде топливопроводов-газоводов позволяет после выработки топлива из баков периферийного блока осуществить наддув топливных баков центрального блока через топливные баки периферийного блока.

Это позволяет удалить остатки топлива из баков периферийного блока в топливные баки центрального блока. Благодаря тому, что топливопроводы-газоводы имеют сечение в 100 раз превосходящее сечение трубопроводов наддува, обеспечивается надежный наддув топливных баков центрального блока с минимальными потерями давления.

Соединение топливных баков центрального блока шунтирующей магистралью с обратным клапаном с ближайшими баками одноименного компонента топлива периферийного блока позволяет обеспечить отрицательную обратную связь по низким частотам между указанными баками. При этом давление настройки обратного клапана подбирается равным (0,14 - 0,17) от давления рабочего наддува, а диаметр проходного сечения дополнительной шунтирующей магистрали выбран равным (0,15 -0,25)D, где D - диаметр проходного сечения топливных магистралей. За счет этого обеспечивается устойчивая работа двигательной установки на переходных этапах при исключении чрезмерного повышения давления в баках центрального блока на этапе пассивного полета.

Сравнение заявленного технического решения с прототипом позволило установить соответствие заявленного изобретения критерию "новизна". Проведенный заявителем патентный поиск не выявил технических решений с указанными отличительными признаками, использованных для достижения целей заявленного изобретения, что позволяет сделать вывод о соответствии заявленного технического решения критерию "существенные отличия".

На фиг. 2 изображена общая схема двигательной установки.

Двигательная установка космического аппарата содержит многоблочный топливный отсек с центральным 1 и периферийным 2 блоками, баков, установленными попарно симметрично относительно продольной оси КА. Система наддува 3 соединена с газовыми полостями топливных баков периферийного 2 блока. Топливные баки периферийного 2 блока сообщены через первую собирающе-раздающую часть 4 коллектора с топливными баками центрального 1 блока.Каждый топливный бак центрального 1 блока соединен через вторую - собирающую часть 5 коллектора с ЖРД 6. Кроме того. каждый топливный бак центрального блока соединен дополнительной шунтирующей магистралью 7 через обратный клапан 8 с ближайшим баком одноименного компонента топлива периферийного блока.

При этом диаметр проходного сечения дополнительной шунтирующей магистрали 7 выбран равным (0,15 - 0,25)D, где D - диаметр проходного сечения топливной магистрали. Давление настройки обратного клапана 8 выбрано равным 0,14 - 0,17 от рабочего давления наддува.

Предложенная двигательная установка работает следующим образом. По команде с Земли на включение двигателя в соответствии с циклограммой работы дается команда на открытие управляемых топливных клапанов 10 на топливных магистралях 9 центрального 1 и периферийного 2 блоков, а также подачу газа наддува в газовые полости топливных баков периферийного 2 блока. После выработки заданного импульса скорости дается команда на закрытие указанных клапанов. На последних этапах выработки топлива все остатки топлива из баков периферийного блока 2 выдуваются в баки центрального блока 1. При этом разновыработка, которая накопилась в баках периферийного блока, через первую собирающе-раздающую часть коллектора перераспределяется между соответствующими топливными баками центрального блока и возмущение от нее значительно уменьшаются. Возмущение от неодинаковости выработки топлива из баков центрального блока будет иметь значительно меньшую величину за счет меньшей величины плеч расположения баков относительно продольной оси КА. На парирование этого возмущения требуется меньше топлива по сравнению с прототипом.

При температурных колебаниях в полете хранящегося топлива в баках центрального блока 1 возможно объемное расширение топлива и его вытеснение через дополнительную шунтирующую магистраль 7 и обратный клапан 8 в баки периферийного блока.

Во время переходных процессов, связанных с включением и выключением ЖРД, указанная шунтирующая магистраль 7 с клапаном 8 служит низкочастотной обратной связью, обеспечивающей устойчивую работу системы. На этапе выключения ЖРД срабатывание пускоотсечных клапанов 9 и клапанов на входах в двигатель происходит неодновременно. При этом может наступить неустойчивая работа системы, при которой произойдет скачок давления в топливной магистрали и топливном баке центрального блока. Избыток давления будет вытравлен в топливный бак периферийного 2 блока через шунтирующую магистраль. Последующее включение ЖРД будет происходить при нормальных условиях. При отсутствии шунтирующей магистрали и обратного клапана 8 накопившееся в центральном баке давление на момент включения двигателя может привести к образованию разрежения в топливной магистрали и появлению газовых пузырей на входах в двигатель, что недопустимо.

Давление настройки обратного клапана и диаметр проходного сечения шунтирующей магистрали выбирались из условия исключения образования разрежения в топливных магистралях.

Использование предложенного технического решения позволит получить уменьшение запасов топлива на разновыработку на 50% и снижение запаса газа наддува.

Использование: в ракетно-космической технике. Сущность изобретения: двигательная установка космического аппарата содержит многоблочный топливный отсек с центральным и периферийным блоками баков, установленными попарно и симметрично относительно продольной оси аппарата и соединенными с жидкостными ракетными двигателями, а также систему наддува. Система наддува соединена с газовыми полостями топливных баков периферийного блока, сообщающимися с топливными баками центрального блока. Каждый топливный бак центрального блока соединен с жидкостным ракетным двигателем и шунтирующей магистралью через обратный клапан с ближайшим баком одноименного компонента топлива периферийного блока. Обратный клапан может быть установлен на шунтирующей магистрали с давлением настройки, равным 0,14 - 0,17 от рабочего давления наддува. Диаметр проходного сечения шунтирующей магистрали может быть выбран равным 0,15 - 0,25 диаметра проходного сечения топливной магистрали. 1 з.п.ф-лы, 3 ил.

1. Двигательная установка космического аппарата, содержащая многоблочный топливный отсек с центральным и периферийными блоками баков, установленными попарно-симметрично относительно продольной оси космического аппарата, соединенными трубопроводами через коллектор, и управляемые топливные клапаны с жидкостными ракетными двигателями, систему наддува, отличающаяся тем, что система наддува соединена с газовыми полостями топливных баков периферийного блока, сообщающимися через первую собирающе-раздувающую часть коллектора, выполненную в виде топливопроводов-газоводов, с топливными баками центрального блока, а каждый топливный бак центрального блока соединен через вторую собирающую часть коллектора с жидкостным ракетным двигателем и шунтирующей магистралью через обратный клапан с ближайшим баком одноименного компонента топлива периферийного блока. 2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что обратный клапан на шунтирующей магистрали установлен с давлением настройки, равным 0,14-0,17 от рабочего давления наддува, а диаметр проходного сечения шунтирующей магистрали выбирают равным 0,15-0,25 диаметра проходного сечения топливной магистрали.