СИСТЕМА ПОДАЧИ ТОПЛИВА ДВИГАТЕЛЬНОЙ УСТАНОВКИ КОСМИЧЕСКОГО ОРБИТАЛЬНОГО КОМПЛЕКСА Российский патент 1999 года по МПК F02K9/50 B64G1/40 

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

Известны системы подачи топлива двигательной установки (ДУ) космического орбитального комплекса (КОК) (см., например, Н.М.Беляев и др. "Расчет и проектирование реактивных систем управления КЛА", изд. "Машиностроение", М., 1974 г. ), применяемые в современных 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 с помощью имеющихся на его 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 системой подачи топлива, включающей в себя устройства для хранения топлива и его подачи к входам двигателей. Система содержит топливные баки, гидравлические полости которых соединены через пускоотсечные клапаны с коллекторами питания топливом управляющих РД.

Недостатками этой системы являются низкая надежность и плохие энергомассовые характеристики.

Известна также система подачи топлива ДУ КОК (см., например, патент Великобритании, кл. F 02 K 9/50 N 2051246 от 1981 г.), выбранная в качестве прототипа, состоящая из автономных подсистем, содержащих топливные баки, гидравлические полости которых соединены с коллекторами питания топливом групп управляющих РД магистралями подачи топлива, подключенными к пускоотсечным клапанам, установленным на входах в коллекторы, и системы управления клапанами, при этом подсистемы соединены между собой через узлы стыковки гидромагистралями перекачки топлива, подключенными через пускоотсечные клапаны к магистралям подачи топлива от баков в коллекторы.

Применение такой системы подачи топлива эффективно только в случаях, когда требуемые величины давлений компонентов топлива на входах в управляющие РД существенно отличаются друг от друга для групп двигателей, подключенных к различным автономным подсистемам, входящим в систему подачи топлива ДУ орбитального комплекса, или, когда после завершения работы в составе ДУ орбитального комплекса с израсходованием запаса топлива из баков какой-либо из автономных подсистем, не содержащих компрессор, требуется произвести ее дозаправку для обеспечения автономного функционирования космического объекта, в котором установлена эта подсистема, после его отделения от орбитального комплекса.

Однако в ДУ орбитальных комплексов, где управляющие двигатели, объединенные в группы, питаемые от автономных подсистем подачи, работают в едином диапазоне входных давлений и, где обеспечивается сохранение необходимых запасов топлива в подсистемах подачи топлива объектов, отделяемых от орбитального комплекса для дальнейшего автономного функционирования (что исключает необходимость их дозаправки), решать задачу перераспределения топлива в системе подачи для обеспечения работы нужных групп управляющих двигателей путем перераспределения топлива из баков одной подсистемы в баки другой подсистемы нецелесообразно, поскольку такая схема передачи топлива к нужным группам двигателей требует:
- введения дополнительных агрегатов и магистралей в линиях наддува автономных подсистем для обеспечения предварительной дозаправки баков;
- включения дополнительного количества магистральных электроклапанов при дозаправке баков и подводе топлива от них к нужной группе двигателей.

Очевидно, что при этом возрастают "сухая" масса всей системы подачи топлива и ее энергопотребление, а также исключается возможность оперативной передачи топлива от баков одной подсистемы к двигателям, подключенным к другой подсистеме подачи топлива. Кроме того, усложняется путь топлива от баков к двигателям, т.к. оно должно пройти через разветвленные магистрали подачи двух подсистем с большим количеством агрегатов и трубопроводов, что снижает надежность обеспечения функционирования нужной группы двигателей.

Недостатком известной системы подачи топлива является низкая надежность и плохие энергомассовые характеристики из-за невозможности обеспечения перераспределения топлива между коллекторами питания в системе подачи.

Задачей настоящего изобретения является создание системы подачи топлива ДУ КОК, которая обладала бы повышенной надежностью и улучшенными энергомассовыми характеристиками за счет обеспечения перераспределения топлива между коллекторами в системе подачи.

Это достигается тем, что система подачи топлива снабжена дополнительными магистралями отвода и подвода компонентов топлива, обеспечивающими перераспределение топлива между коллекторами питания реактивных двигателей в системе подачи.

Сущность изобретения заключается в том, что система подачи топлива ДУ КОК, состоящая из автономных подсистем, содержащих топливные баки, гидравлические полости которых соединены с коллекторами питания топливом групп управляющих реактивных двигателей магистралями подачи топлива, подключенными к пускоотсечным клапанам, установленным на входах в коллекторы, при этом подсистемы соединены между собой через узлы стыковки гидромагистралями перекачки топлива, подключенными через пускоотсечные клапаны к магистралям подачи топлива от баков в коллекторы, снабжена дополнительными магистралями отвода и подвода компонентов топлива с пускоотсечными клапанами, связывающими коллекторы питания двигателей в каждой из автономных подсистем с гидромагистралями перекачки, причем дополнительные магистрали в подсистемах с одной стороны подключены к входам коллекторов за пускоотсечными клапанами, установленными на входах в коллекторы, и с другой стороны подключены к магистралям перекачки топлива между пускоотсечными клапанами, отделяющими эти магистрали подачи компонентов топлива в коллекторы, и узлами стыковки гидромагистралей.

Технический результат заключается в том, что по сравнению с известными техническими решениями вновь созданная система подачи топлива ДУ КОК обеспечивает не только высокую надежность, но и улучшает энергомассовые характеристики за счет обеспечения перераспределения топлива между коллекторами питания реактивных двигателей.

По сравнению с аналогами и прототипом предложенная система подачи имеет ряд преимуществ:
1. Уменьшение "сухой" массы системы и снижение затрат топлива при выполнении режимов управления движением комплекса.

2. Снижение энергопотребления при включении и работе агрегатов системы.

3. Возможность оперативного включения в контур управления комплексом нужной группы двигателей с передачей топлива в коллекторы питания этой группы двигателей, минуя топливные баки собственной подсистемы, непосредственно от коллекторов другой подсистемы подачи топлива.

4. Повышение надежности работы системы подачи за счет передачи топлива к требуемым двигателям по более короткому пути с минимальным количеством агрегатов и трубопроводов.

Техническое решение в части снабжения системы подачи топлива ДУ КОК дополнительными магистралями отвода и подвода компонентов топлива с пускоотсечными клапанами, связывающими коллекторы питания двигателей в каждой из автономных подсистем с гидромагистралями перекачки топлива и взаимная схемная связь всех составных элементов, входящих в систему, их установка и места подключения, дают возможность выравнивать потребные входные давления в коллекторах обоих групп РД, позволяют эффективно использовать существующие средства подачи топлива и запас топлива, обеспечивают повышение надежности и улучшение энергомассовых характеристик за счет обеспечения перераспределения топлива между коллекторами в системе подачи, что подтверждено испытаниями опытных образцов, изготовленных с использованием предлагаемого технического решения.

Использование предлагаемой системы подачи топлива ДУ КОК, например, на космическом орбитальном комплексе типа "Мир" - "Союз-ТМ" - "Прогресс" - "Шаттл" позволит дать значительный экономический эффект за счет снижения затрат топлива при выполнении режимов управления комплексом, снижения энергопотребления при работе агрегатов системы, а также значительно повысить надежность системы подачи топлива ДУ.

Суть изобретения поясняется чертежом.

Предлагаемая система подачи топлива ДУ КОК состоит их следующих основных узлов, деталей и агрегатов: автономных подсистем 1, 2, например, типа состыкованных автономных подсистем подачи топлива станции "Мир" и корабля "Прогресс", содержащих топливные баки 3, 4, 5, 6, гидравлические полости 7, 8, 9, 10 которых соединены с коллекторами 11, 12, 13, 14 питания топливом групп управляющих реактивных двигателей 15, 16 магистралями подачи топлива 17, 18, 19, 20, подключенными к пускоотсечным клапанам 21, 22, 23, 24, установленным на входах 25, 26, 27, 28 в коллекторы 11, 12, 13, 14.

Подсистемы 1, 2 соединены между собой через узлы стыковки 29, 30 гидромагистралями перекачки топлива 31, 32, подключенными через пускоотсечные клапаны 33, 34, 35, 36 к магистралям подачи топлива 17, 18, 19, 20 от баков 3, 4, 5, 6 в коллекторы 11, 12, 13, 14.

Система подачи топлива ДУ КОК снабжена дополнительными магистралями отвода 37, 38 и дополнительными магистралями подвода 39, 40 компонентов топлива (окислителя "O" и горючего "Г") с пускоотсечными клапанами 41, 42, 43, 44, связывающими коллекторы 11, 12, 13, 14 питания двигателей 15, 16 в каждой из автономных подсистем 1, 2 с гидромагистралями перекачки топлива 31, 32, причем дополнительные магистрали 37, 38, 39, 40 в подсистемах 1, 2 с одной стороны подключены ко входам 25, 26, 27, 28 коллекторов 11, 12, и 13, 14 за пускоотсечными клапанами 21, 22 и 23, 24, установленными на входах 25, 26 и 27, 28 в коллекторы 11, 12, и 13, 14, и с другой стороны подключены к гидромагистралям перекачки топлива 31, 32 между пускоотсечными клапанами 33, 34 и 35, 36, отделяющими эти магистрали 31, 32 от магистралей подачи 17, 18 и 19, 20 компонентов топлива в коллекторы 11, 12 и 13, 14 и узлами стыковки 29, 30 гидромагистралей 31, 32.

Работает система подачи топлива ДУ КОК следующим образом.

В штатной ситуации двигатели управления 15 и 16 в каждой подсистеме 1 и 2 питаются от собственных баков 3, 4 и 5, 6 соответственно. В исходном положении (перед пуском) все клапаны нормально закрыты. Например, при запуске двигателей группы 15 в подсистеме 1 (в штатной ситуации) открываются пускоотсечные клапаны 21 и 22, остальные клапаны закрыты. Аналогична работа двигателей групп 16 при питании топливом только из баков 5 и 6, когда открываются пускоотсечные клапаны 23 и 24, а остальные клапаны закрыты.

Система подачи топлива ДУ КОК в режиме перераспределения топлива между коллекторами 11, 12 и 13, 14 питания управляющих двигателей 15, 16 автономных подсистем 1, 2 работает следующим образом.

В процессе управления комплексом при необходимости подключения к работе (вместе с работой двигателей группы 15), например, управляющих двигателей 16 подсистемы 2 с питанием коллекторов 13, 14 и баков 3,4 подсистемы 1 (в случае, если в баках 5, 6 подсистемы 2 остался только гарантийно сохраняемый запас топлива, или при разгерметизации одного из баков 5 или 6 открывают пускоотсечные клапаны 41, 42 и 21, 22). Компонент поступает в коллекторы 11 и 12 к двигателям группы 15. Одновременно из мест отвода 25, 26 компоненты топлива через дополнительные магистрали отвода 37, 38 поступают в гидромагистрали перекачки топлива 31, 32 в местах подключения 45, 46 и далее в местах подключения 47, 48 в дополнительные магистрали подвода 39, 40. При достижении рабочего давления в магистралях 39, 40 перед пускоотсечными клапанами 43, 44 последние открывают и компоненты топлива поступают в коллекторы питания 13, 14 управляющих двигателей 16. Таким образом выполняется режим управления комплексом не только группой двигателей 15, но и с использованием двигателей 16 подсистемы 2 при передаче (перераспределении) компонентов топлива в коллекторы 13, 14 из баков 3, 4 подсистемы 1 через дополнительные магистрали отвода 37, 38, гидромагистрали перекачки топлива 31, 32 со стыковочными узлами 29, 30 и дополнительные магистрали подвода 39, 40 компонентов топлива, что обеспечивает выполнение поставленной задачи.

Аналогично подается топливо для двигателей групп 15, 16 только от баков 5 и 6.

В случае необходимости управления объектом двигателями группы 15 из баков 5 и 6 (например, при разгерметизации баков 3 и 4) открываются клапаны 34, 36 и 41, 42, остальные клапаны закрыты. Аналогична работа двигателей группы 16 только от баков 3 и 4.

Предлагаемое техническое решение позволяет обеспечить перераспределение топлива между коллекторами питания реактивных двигателей, а также повысить и улучшить энергомассовые характеристики системы подачи топлива ДУ КОК в процессе эксплуатации в условиях космического полета.

Система подачи топлива предназначена для эксплуатации в реактивных двигательных установках космических аппаратов. Она состоит из автономных подсистем, содержащих топливные баки, гидравлические полости которых соединены с коллекторами питания топливом групп управляющих реактивных двигателей магистралями подачи топлива, подключенными к пускоотсечным клапанам, установленным на входах в коллекторы. Подсистемы соединены между собой через узлы стыковки гидромагистралями перекачки топлива, подключенными через пускоотсечные клапаны к магистралям подачи топлива от баков в коллекторы. Система подачи топлива содержит также дополнительные магистрали отвода и подвода компонентов топлива с пускоотсечными клапанами, связывающие коллекторы питания двигателей в каждой из автономных подсистем с гидромагистралями перекачки топлива, причем дополнительные магистрали в подсистемах с одной стороны подключены к входам коллекторов за пускоотсечными клапанами, установленными на входах в коллекторы, и с другой стороны подключены к гидромагистралям перекачки топлива между пускоотсечными клапанами. Предлагаемое решение позволяет обеспечить перераспределение топлива между коллекторами питания реактивных двигателей, повысить надежность и улучшить энергомассовые характеристики системы подачи топлива в процессе эксплуатации в условиях космического полета. 1 ил.

Система подачи топлива двигательной установки космического орбитального комплекса, состоящая из автономных подсистем, содержащих топливные баки, гидравлические полости которых соединены с коллекторами питания топливом групп управляющих реактивных двигателей магистралями подачи топлива, подключенными к пускоотсечным клапанам, установленным на входах в коллекторы, при этом подсистемы соединены между собой через узлы стыковки гидромагистралями перекачки топлива, подключенными через пускоотсечные клапаны к магистралям подачи топлива от баков в коллекторы, отличающаяся тем, что она снабжена дополнительными магистралями отвода и подвода компонентов топлива с пускоотсечными клапанами, связывающими коллекторы питания двигателей в каждой из автономных подсистем с гидромагистралями перекачки топлива, причем дополнительные магистрали в подсистемах с одной стороны подключены к входам коллекторов за пускоотсечными клапанами, установленными на входах в коллекторы, и с другой стороны подключены к гидромагистралям перекачки топлива между пускоотсечными клапанами, отделяющими эти магистрали от магистралей подачи компонентов топлива в коллекторы и узлами стыковки гидромагистралей.