СИСТЕМА НАДДУВА ТОПЛИВНЫХ БАКОВ ГОРЮЧЕГО И ОКИСЛИТЕЛЯ ДВИГАТЕЛЬНОЙ УСТАНОВКИ КОСМИЧЕСКОГО ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА Российский патент 2000 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 (коорекция 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 в 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", изд. "Машиностроение", М., 1976 г., с. 10). 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 и газовые редукторы. Заправка баллонов газом высокого давления производится на Земле перед стартом ракеты-носителя.

Недостатком таких систем являются плохие массогабаритные характеристики.

Известна также система наддува топливных баков горючего и окислителя двигательной установки космического летательного аппарата (см., например, журнал N 7 "Авиация и космонавтика", М., Воениздат 1978, стр. 36, 37, рис. 2), выбранная в качестве прототипа.

Система содержит источники газа высокого давления, сообщенные пневмомагистралями с газовыми полостями топливных баков горючего и окислителя, и последовательно установленные на пневмомагистралях пускоотсечные клапаны и газовые редукторы. Здесь в качестве источников газа высокого давления служат газонаполненные баллоны.

В таких системах выдавливание топлива из топливных баков производят газом, например азотом или гелием, закачанным в баллоны высокого давления на Земле перед стартом. Габариты толстостенных баллонов определяются в зависимости от количества газа, необходимого для выдавливания из баков топлива и подачи его к реактивным двигателям. Толщина стенок баллонов рассчитывается на внутреннее давление порядка 350 кГс/см².

Недостатками известной системы наддува являются плохие массогабаритные характеристики.

Задачей настоящего изобретения является создание системы наддува топливных баков горючего и окислителя ДУ КЛА, которая обладала бы улучшенными массогабаритными харатеристиками.

Это достигается тем, что в системе наддува топливных баков ДУ КЛА источники газа высокого давления выполнены в виде саморазлагающихся экзотермических шашек, имеющих тепловой контакт нагревателями и размещенных в герметичных емкостях. При этом используют свойство некоторых твердых материалов при нагреве за счет термохимической реакции выделять большое количество газов.

Сущность изобретения заключается в том, что в системе наддува топливных баков горючего и окислителя ДУ КЛА, содержащей источники газа высокого давления, сообщение пневмомагистралями с газовыми полостями топливных баков горючего и окислителя, и последовательно установленные на пневмомагистралях пускоотсечные клапаны и газовые редукторы, источники газа высокого давления выполнены в виде газогенераторов, состоящих из комплектов саморазлагающихся экзотермических шашек, имеющих тепловой контакт с нагревателями, и размещенных в герметичных емкостях, при этом емкости подключены к пневмомагистралях на входе в пускоотсечные клапаны.

Технический результат заключается в том, что по сравнению с известными техническими решениями вновь созданная система наддува топливных баков горючего и окислителя ДУ КЛА обеспечивает улучшение массогабаритных характеристик.

Техническое решение в части использования в качестве источников газа высокого давления газогенераторов, состоящих из комплексов саморазлагающихся экзотермических шашек, имеющих тепловой контакт с нагревателями, и размещенных в герметичных емкостях, расположенных на входе в пускоотсечные клапаны, установленные на пневмомагистралях, сообщающих емкости с газовыми полостями топливных баков, а также взаимная конструктивная связь всех составных элементов устройства системы обеспечивает улучшение массогабаритных характеристик системы наддува, 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" - "Шаттл" позволяет дать значительный экономический эффект за счет снижения массы и габаритов агрегатов (баллонов) данной системы.

Изобретение поясняется чертежом.

Предлагаемая система наддува топливных баков горючего и окислителя ДУ КЛА состоит из следующих основных узлов, деталей и агрегатов: источников газа высокого давления 1, 2, сообщенных пневмомагистралями 3, 4 с газовыми полостями 5, 6 топливных баков горючего 7 и окислителя 8, и последовательно установленных на пневмомагистралях 3, 4 пускоотсечных клапанов 9, 10 и газовых редукторов 11, 12. Источники газа высокого давления 1, 2 выполнены в виде газогенераторов 13, 14, состоящих из комплектов саморазлагающихся экзотермических шашек 15, 16, например, в количестве пяти штук, имеющих тепловой контакт с нагревателями 17, 18, например, элетронагревателями в количестве 5 штук. Шашки 15, 16 изготовлены, например, из тетрааммиаката боргидрита алюминия (химическая формула Al(BH₄)₃ • 4NH₃), или из диаммиаката боргидрита цинка (химическая формула Zn(BH₄) • 2NH₃.

Шашки 15, 16 размещены в герметичных емкостях 19, 20, подключенных к пневмомагистралям 3, 4 на входе 21, 22 в пускоотсечные клапаны 9, 10.

Работает система наддува топливных баков горючего и окислителя ДУ КЛАВ следующим образом: при выдавливании и подаче топлива к реактивным двигателям 23 из топливных баков горючего и окислителя 7, 8 открывают пускоотсечные клапаны 9, 10 и газ, например, водород из емкости 14 под высоким давлением поступает в газовые редукторы 11, 12, которые понижают давление газа до заданного и необходимого давления для выдавливания топлива из топливных баков 7, 8 и подачи его к реактивным двигателям 23. После газовых редукторов 11, 12 газ поступает в газовые полости 5, 6 топливных баков 7, 8, откуда производится выдавливание и подача топлива к двигателям 23.

Процесс получения газа высокого давления, например, водорода в емкостях 19, 20 протекает следующим образом. Саморазлагающаяся экзотермическая шашка 15, 16, имеющая тепловой контакт с нагревателем 17, 18, например, электронагревателем, после включения нагревателя 17, 18 и нагрева шашки 15, 16 до температуры 100-150^o за счет экзотермической реакции выделяет большое количество газа (преимущественно водорода) и в замкнутом объеме емкости 19, 20 поднимает давление газа до заданного (расчетного), порядка 350 кГс/см². Шашки 15, 16 включаются в работу ("сжигаются") поочередно после снижения давления в емкости 19, 20 до минимального потребного для работы газового редуктора 11, 12 и в зависимости от расхода и подачи газа к потребителям.

Преимущество использования предлагаемой системы наддува по сравнению с известной (прототипом) поясняется на следующем примере, где рассматриваются массогабаритные характеристики при расчете источника газа высокого давления только по одной линии наддува топливного бака, например, горючего.

Экзотермическая химическая реакция протекает в соответствии с выражением:
для вещества(материала)-тетрааммиката боргидрата алюминия:
Al(BH₄)₃ • 4NH₃ + Q = AlN + BN + N₂H₂ + 9,5H₂
и для вещества (материала)-диаммиаката боргидрата цинка:
3Zn(BH₄)₂ • 2NH₃ + Q = Zn₃N₂ + 4BN + 2BN + N₂H₄ + 18H₂.

Из одного килограмма вещества получается
V_гв = 1,5 м³ газа (преимущественно водорода).

Для обеспечения вытеснения 800 л топлива из топливного бака 7 (8) и для проведения операций по продувке магистралей и проверке герметичности требуется объем газа (гелия или водорода) при нормальных условиях V_г = 35 м³.

В известной системе наддува (прототип) гелий размещается в пяти баллонах объемом 20 л каждый и весом 10 кг каждый при давлении 250 кГс/см².

Таким образом объем хранимого гелия V_не = 100 л, масса баллонов M_Б = 50 кг; масса гелия M_не = 5 кг.

Для получения того же объема газа (водорода) из вещества, используемого в предлагаемой системе наддува, требуется количество вещества M_в = V_г/V_гв = 35/1,5 = 23,5 кг.

Объем вещества при его плотности равной 2,5 • 10³ кг/м³ составит V_в = 9,3 л.

Примем объем емкости 19 (20), в которой размещены шашки 15 (16) и скапливается газ, выдавливающийся при сжигании одной шашки 15 (16), равным V_Е = 20 л, и массой M_Е = 10 кг. Тогда при давлении 350 кГс/см² емкость 19 (20) заполнится 7 м³ газа (преимущественно водорода) при нормальных условиях. Следовательно количество шашек 15 (16) должно быть равно пяти. Масса корпуса каждой шашки при давлении 350 кГс/см² (объем одной шашки 1,9 л) M_к = 2 кг.

Итак, общая масса одного газогенератора (источника газа высокого давления) 13 (14) составит:
M_хв = M_в + 5 • M_к + M_Е = 23,3 + 5 • 2 + 10 = 43,3 кг.

Масса источника газа высокого давления известной системы наддува:
M_хг = M_Б + M_не = 50 + 5 = 55 кг. Объем емкости 19 (20) газогенератора 13 (14): V_хв = V_в + V_Е = 9,3 + 20 = 29,3 л. Объем баллонов (5 штук) известной системы наддува:
V_не = 100 л.

Таким образом масса источника газа высокого давления предлагаемой системы наддува на 21% легче массы известной системы наддува (прототипа), а объем меньше в 3,4 раза, что подтверждает выполнение поставленной задачи.

Система наддува топливных баков горючего и окислителя предназначена для эксплуатации в реактивных двигательных установках космических аппаратов. Система содержит источники газа высокого давления, сообщенные пневмомагистралями с газовыми полостями топливных баков горючего и окислителя, пускоотсечные клапаны и газовые редукторы. В качестве источников газа высокого давления используются тетрааммиакат боргидрида алюминия или диаммиакат боргидрида цинка, выполненные в виде комплекта шашек, имеющих тепловой контакт с нагревателями и размещенных в герметичных емкостях. Техническое решение позволяет обеспечить улучшение массогабаритных характеристик системы наддува за счет использования свойств некоторых твердых материалов при нагреве путем термохимической реакции выделять большое количество газа. 1 ил.

Система наддува топливных баков горючего и окислителя двигательной установки космического летательного аппарата, содержащая источники газа высокого давления, сообщенные пневмомагистралями с газовыми полостями топливных баков горючего и окислителя, и установленные на пневмомагистралях пускоотсечные клапаны и газовые редукторы, отличающаяся тем, что в качестве источников газа высокого давления используются тетрааммиакат боргидрида алюминия или диаммиакат боргидрида цинка, выполненные в виде комплекта шашек, имеющих тепловой контакт с нагревателями и размещенных в герметичных емкостях.