СИСТЕМА НАДДУВА ТОПЛИВНЫХ БАКОВ ГОРЮЧЕГО И ОКИСЛИТЕЛЯ ДВИГАТЕЛЬНОЙ УСТАНОВКИ КОСМИЧЕСКОГО ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА Российский патент 1999 года по МПК F02K9/50 

Изобретение относится к космической технике, а точнее к области проектирования и эксплуатации реактивных двигательных установок (РДУ) космических летательных аппаратов (КЛА).

Система наддува топливных баков горючего и окислителя двигательной установки (ДУ) КЛА используется в современных РДУ КЛА для создания импульсов тяги, необходимых как для перемещения центра масс КЛА (коррекция траектории движения, торможение КЛА для обеспечения его схода с орбиты), так и для создания управляющих моментов относительно его центра масс (ориентация, развороты и т. д. ). Импульсы тяги для различных режимов управления аппаратом в пространстве создаются c помощью имеющихся на борту реактивных двигателей (РД), величины тяг которых в зависимости от их назначения изменяются в широких пределах (от нескольких сотен кГс до единиц и менее кГс). Работа указанных двигателей с заданными параметрами обеспечивается системами наддува топливных баков и подачи топлива к входам двигателей.

Известны системы наддува топливных баков горючего и окислителя двигательной установки космического летательного аппарата (см., например, Т.М. Мелькумов и др. Ракетные двигатели.-M.: Машиностроение, 1976 г.). Системы наддува содержат баллоны высокого давления, заполненные газом, например азотом, которые служат для обеспечения выдавливания топлива из топливных баков и подачи его к реактивным двигателям двигательной установки. Баллоны высокого давления связаны с полостями наддува топливных баков посредством магистралей низкого давления, содержащих отсечные клапаны, газовые редукторы и обратные клапаны.

Недостатками таких систем являются малая живучесть системы, низкая надежность и невозможность многоразового использования системы наддува для дозаправки топливом топливных баков в условиях космического полета.

Известна также система наддува топливных баков горючего и окислителя ДУ КЛА (см. , например, патент Великобритании, кл. F 04 F 1/06, F 02 K 9/50 N 2051246 от 1981 г.), выбранная в качестве прототипа.

Система содержит пневмомагистрали, связанные с баллонами наддува и газовыми полостями топливных баков горючего и окислителя, клапаны, установленные на пневмомагистралях и бортовую систему терморегулирования (СТР). Бортовой системой терморегулирования снабжен каждый летательный аппарат для обеспечения тепловых режимов приборов и агрегатов, работающих в заданных температурных режимах.

Запас газа наддува в баллонах высокого давления в указанной системе прототипа рассчитан на одноразовое полное выдавливание топлива из топливных баков горючего и окислителя. Повторной заправки в космосе топливных баков горючим и окислителем здесь обеспечить невозможно из-за отсутствия источника перекачки газа из полостей наддува обратно в полости баллонов высокого давления, т. е. нет возможности привести систему в исходное состояние для повторной дозаправки топливом двигательной установки в условиях космического полета, например, от космического заправщика.

Недостатками известной системы наддува являются низкие живучесть и надежность из-за отсутствия надежного и эффективного источника перекачки газа из полостей наддува топливных баков в баллоны высокого давления.

Задачей настоящего изобретения является создание системы наддува топливных баков ДУ КЛА, которая обладала бы повышенной живучестью и надежностью в условиях космического полета.

Это достигается тем, что в состав системы введен герметичный газонаполненный контейнер с размещенным в нем компрессором, снабженным высокоэффективным охлаждением.

Сущность изобретения заключается в том, что система наддува топливных баков ДУ КЛА, содержащая пневмомагистрали, связанные с баллонами наддува и газовыми полостями топливных баков горючего и окислителя, клапаны, установленные на пневмомагистралях, и бортовую систему терморегулирования, содержит герметичный газонаполненный контейнер с размещенным в нем бортовым компрессором, связанным пневмомагистралями высокого давления с баллонами наддува и пневмомагистралями низкого давления с газовыми полостями соответствующих топливных баков горючего и окислителя, при этом в газонаполненном контейнере установлены теплообменник, подключенный к бортовой системе терморегулирования, и герметичная мембрана, разделяющая внутренний объем контейнера на две изолированные друг от друга полости, сообщающиеся через полости компрессора и рубашку теплообменника, причем компрессор снабжен побудителем циркуляции газа.

Технический результат заключается в том, что по сравнению с известными техническими решениями вновь созданная система наддува топливных баков горючего и окислителя ДУ КЛА обеспечивает не только высокую надежность работы компрессора, но и увеличение ресурса работы компрессора за счет обеспечения эффективного его охлаждения.

Техническое решение в части установки в газонаполненном контейнере теплообменника, подключенного к бортовой системе терморегулирования, и герметичной мембраны, разделяющей внутренний объем контейнера на две изолированные друг от друга полости, сообщающиеся через охлаждаемые циркулирующим газом полости компрессора и рубашку теплообменника, а также взаимная конструктивная связь всех составных элементов устройства системы обеспечивает эффективное охлаждение компрессора с одновременным повышением ресурса работы компрессора и надежности системы наддува в целом, что подтверждено испытаниями опытных образцов, изготовленных с использованием предлагаемого технического решения.

Использование предлагаемой системы наддува топливных баков ДУ КЛА, например на космическом орбитальном комплексе типа "Мир" - "Союз-ТМ" - "Прогресс" - "Шатлл", позволит дать значительный экономический эффект за счет обеспечения эффективного охлаждения компрессора, поддержания необходимого температурного уровня в газонаполненном контейнере с одновременным повышением живучести и надежности при эксплуатации данной системы.

Суть изобретения поясняется чертежом.

Предлагаемая система наддува топливных баков ДУ КЛА состоит из следующих основных узлов, деталей и агрегатов: пневмомагистралей 1, 2, связанных с баллонами наддува 3, 4, пневмомагистралей 5, 6, связанных с газовыми полостями 7, 8, топливных баков горючего и окислителя 9, 10, клапанов 11, установленных на пневмомагистралях 1, 2, 5, 6, и бортовой системы терморегулирования 12. Система наддува содержит герметичный газонаполненный контейнер 13 с размещенным в нем бортовым компрессором 14, связанным пневмомагистралями высокого давления 1, 2 с баллонами наддува 3, 4 и пневмомагистралями низкого давления 5, 6 с газовыми полостями 7, 8 соответствующих топливных баков 9, 10. В газонаполненном контейнере 13 установлены теплообменник 15, подключенный к бортовой системе терморегулирования 12, и герметичная мембрана 16, разделяющая внутренний объем 17 контейнера 13 на две изолированные друг от друга полости 18, 19, сообщающиеся через полости 20 компрессора 14, охлаждаемые циркулирующим газом, и рубашку 21 теплообменника 15. Компрессор 14 снабжен побудителем циркуляции газа 22, например вентилятором.

Работает система наддува топливных баков горючего и окислителя ДУ КЛА в режиме перекачки газа, например, газообразного азота из газовых полостей 7, 8 топливных баков горючего 9 и окислителя 10 в баллоны наддува 3, 4 следующим образом.

Перед включением компрессора 14 в работу открывают все отсечные клапаны 11, и после пуска компрессора 14 производят откачку газа из газовых полостей 7, 8 топливных баков 9, 10 и закачку его с высоким давлением через пневмомагистрали высокого давления 1, 2 в соответствующие газовые баллоны 3, 4, затем закрывают отсечные клапаны 11. Таким образом, система наддува приводится в исходное рабочее состояние, готовое к заправке баков 9, 10 горючим и окислителем от космического заправщика.

Заправку топливом баков горючего и окислителя 9, 10 производят от соответствующих баков, расположенных на космическом заправщике, который периодически запускается с Земли и доставляет на КЛА топливо для реактивных двигателей 23 двигательной установки.

Выдавливание и подачу топлива к реактивным двигателям 23 из баков горючего и окислителя 9, 10 производят посредством подачи газа из баллонов наддува 3, 4 в газовые полости 7, 8 по пневмомагистралям 24, 25, каждая из которых содержит последовательно установленные электропневмоклапан 26, 27, газовый редуктор 28, 29 и обратный клапан 30, 31.

При работе компрессора 14 производится прокачка жидкого теплоносителя от систем СТР 12 через теплообменник 15. Одновременно во внутреннем объеме 17 осуществляется циркуляция газа посредством побудителя циркуляции газа, например вентиляторов 22, установленных на выходе из полости 20, выполненной, например, в виде рубашки компрессора 14.

Циркуляция газа осуществляется по замкнутому контуру: из полости 19 перемещается посредством вентиляторов 22 через полость 20 в полость 18, откуда через рубашку 21 теплообменника 15 нагнетается опять в полость 19 и т.д. При прохождении газа через полость 20 компрессора 14 газ нагревается, снимая тепло с компрессора 14, и через полость 18 поступает в рубашку 21 теплообменника 15, где охлаждается жидким теплоносителем СТР 12 до заданной температуры и через полость 19 опять поступает в полость 20 компрессора 14 и т. д.

Как правило, на случаи выхода из строя основного бортового компрессора 14 предусматривается аналогичный резервный бортовой компрессор 32, который установлен в контейнере 13 и включен параллельно основному компрессору 14 в схему системы наддува топливных баков ДУ КЛА.

Таким образом, установка в газонаполненном контейнере 13 теплообменника 15, подключенного к СТР 12, и герметичной мембраны 16, разделяющей внутренний объем 17 контейнера 13 на две изолированные друг от друга полости 18, 19, сообщающиеся через охлаждаемые циркулирующим газом полости 20 компрессора 14 и рубашку 21 теплообменника 15, обеспечивает эффективное охлаждение бортового компрессора и повышает живучесть и надежность системы наддува, топливных баков ДУ КЛА в процессе эксплуатации в условиях космического вакуума на орбите Земли, что обеспечивает выполнение поставленной задачи.

Система предназначена для использования в космической технике. Она содержит пневмомагистрали, связанные с баллонами наддува и газовыми полостями топливных баков горючего и окислителя, клапаны, установленные на пневмомагистралях, и бортовую систему терморегулирования. В систему также входит герметичный газонаполненный контейнер с размещенным в нем бортовым компрессором, который связан пневмомагистралями высокого давления с баллонами наддува, а пневмoмагистралями низкого давления с газовыми полостями топливных баков горючего и окислителя. В контейнере установлены теплообменник, подключенный к бортовой системе терморегулирования, и герметичная мембрана, разделяющая внутренний объем контейнера на две изолированные друг от друга полости, сообщающиеся через полости компрессора и рубашку теплообменника. Компрессор снабжен побудителем циркуляции газа. Данное решение позволяет обеспечить эффективное охлаждение бортового компрессора и повысить надежность системы наддува топливных баков двигателей установки в процессе эксплуатации в условиях космического вакуума на орбите Земли. 1 ил.

Система наддува топливных баков горючего и окислителя двигательной установки космического летательного аппарата, содержащая пневмомагистрали, связанные с баллонами наддува и газовыми полостями топливных баков горючего и окислителя, клапаны, установленные на пневмомагистралях, отличающаяся тем, что содержит бортовую систему терморегулирования и герметичный газонаполненный контейнер с размещенным в нем бортовым компрессором, связанным пневмомагистралями высокого давления с баллонами наддува и пневмомагистралями низкого давления с газовыми полостями соответствующих топливных баков горючего и окислителя, при этом в газонаполненном контейнере установлены теплообменник, подключенный к бортовой системе терморегулирования, и герметичная мембрана, разделяющая внутренний объем контейнера на две изолированные друг от друга полости, сообщающиеся через полости компрессора и рубашку теплообменника, причем компрессор снабжен побудителем циркуляции газа.