СПОСОБ ЗАЩИТЫ ПОВЕРХНОСТИ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА ОТ ЗАГРЯЗНЕНИЙ, ОБРАЗУЮЩИХСЯ ПРИ ДРЕНАЖЕ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ МАГИСТРАЛЕЙ И РАБОТЕ РЕАКТИВНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ, И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2000 года по МПК B64G1/52 

Изобретение относится к космической технике, в частности к предохранительным устройствам космических летательных аппаратов, и может быть использовано для защиты поверхности космических аппаратов (КА) и космических станций (КС), их наружных агрегатов и аппаратуры от загрязнений жидкими частицами, образующимися в вакууме при сливах жидкости из магистралей заправочных линий компонентов топлива и теплоносителей или содержащихся в струях, истекающих из сопел при работе жидкотопливных реактивных двигателей малой тяги (двигатели управления и ориентации).

Известен способ защиты элементов межпланетного КА от загрязняющих воздействий при работе жидкостных реактивных двигателей малой тяги (ЖРДМТ), заключающийся в экранирования струи за сопловым блоком [1]. Такой способ защищает от загрязнений лишь из периферийной области реактивной струи с небольшим количеством конденсированной фазы.

Известно устройство для защиты элементов межпланетного КА от загрязнений, образующихся при работе ЖРДМТ, представляющее собой металлический экран в виде сегмента цилиндрической поверхности, расположенного за блоком из шести двигателей [1] . Такая конструкция не может быть использована в случае близкого расположения двигателей к корпусу аппарата, как это имеет место в большинстве случаев.

Наиболее близким техническим решением является способ защиты поверхностей КА и КС с ракетными двигателями малой тяги (РДМТ) от загрязнений жидкофазными контаминантами, образующимися при работе двигателей в реактивной струе наряду с продуктами сгорания топлива. Способ заключается в ограничении угла разлета контаминантов и поглощении их пористым телом, помещенным на пути контаминантов [2].

Наиболее близким техническим решением является также устройство для защиты поверхностей КА и КС с РДМТ от загрязнений жидкофазными контаминантами, образующимися при работе двигателей в реактивной струе наряду с продуктами сгорания топлива. Устройство защиты осесимметрично охватывает каждое из сопел РДМТ и представляет собой экран из пористого вещества, выполненный в виде цилиндра с двумя соосными взаимопротивоположными отверстиями, между которыми расположен срез сопла [2].

Недостатком известного способа и устройства является ограниченные скорость и емкость поглощения жидкофазных контаминантов пористым телом, невозможность обеспечить защиту от большого количества контаминантов, выбрасываемых при дренаже гидромагистралей. Кроме того, с целью периодической регенерации поглотительной способности пористого тела требуется электронагревательная спираль. Все это приводит к снижению эффективности и усложнению процесса защиты поверхности КА от загрязнений.

В основу изобретения положена задача создания более эффективного, универсального и простого способа и устройства защиты поверхности КА от загрязнения жидкофазными контаминантами.

Поставленная задача решается тем, что в способе защиты поверхности КА от загрязнений, образующихся при дренаже гидравлических магистралей и работе реактивных двигателей, заключающемся в удалении контаминантов из периферийной зоны выхлопной струи путем ограничения угла разлета контаминантов, согласно изобретению, капли контаминанта, срывающиеся с кромок сопел или дренажных патрубков, собирают и повторно диспергируют, часть образовавшихся уже более мелких капель выносит потоком газа или продуктов сгорания в приосевую зону струи, а оставшиеся капли вновь собирают и диспергируют, процесс повторяют до полного удаления контаминанта из периферийной зоны струи.

Поставленная задача решается также тем, что в устройстве для защиты поверхности КА от загрязнений, образующихся при дренаже гидравлических магистралей и работе реактивных двигателей, содержащем цилиндрический экран, осесимметрично охватывающий дренажный патрубок или сопло, согласно изобретению, экран выполняют по меньшей мере из двух коаксиальных закрытых с тыльной стороны цилиндров, причем передняя кромка внутреннего цилиндра выступает вперед по отношению к выходному срезу сопла или патрубка, а кромка внешнего цилиндра выступает вперед по отношению к кромке внутреннего цилиндра. Целесообразно, чтобы внутренний цилиндр, согласно изобретению, имел у выходной кромки острый внутренний выступ.

Способ защиты поверхности КА от загрязнений, образующихся при дренаже гидравлических магистралей и работе реактивных двигателей, реализуется устройством защиты от загрязнений, принципиальная схема устройства представлена на фиг. 1.

Устройство содержит два коаксиальных, закрытых с тыльной стороны, цилиндрических экрана защиты - внутренний экран 1 и внешний 2, которые осесимметрично охватывают дренажный патрубок (или сопло) 3, у выходной кромки внутреннего экрана 1 выполнен острый внутренний выступ 4.

Способ защиты поверхности КА от загрязнений и работа устройства защиты осуществляется следующим образом. При сливе жидкости из магистрали после открытия выпускного клапана происходит взрывное вскипание жидкости и она под давлением собственного пара и продувочного газа выталкивается из дренажного патрубка в окружающее пространство в виде паро- и газожидкостной смеси, состоящей из пара, газа и разного размера капель. При удалении из магистрали остатков жидкости, при запуске и остановке ракетного двигателя жидкость, увлекаясь газом, стекает в виде пленки по поверхности патрубка (сопла), срываясь с кромки в виде капель. Крупные капли, вылетев, распадаются на более мелкие фрагменты, разлетающиеся в произвольном направлении. Часть мелких капель успевает испариться в вакууме, часть замерзает. В результате поток крупных и мелких капель и твердых частиц распределяется по пространству в телесном угле от 0 до 180 градусов от направления осей двигателей или дренажных патрубков.

При взаимодействии потока несущего газа с движущейся по стенке пленкой жидкости также происходит диспергирование жидкости и образуются капли. Размер капель в газовом потоке определяется числом Вебера

где ρ - плотность газа; V и U - скорости газа и капли соответственно; d - диаметр капли; σ - коэффициент поверхностного натяжения, или в первом приближении, скоростным напором газа на выходной кромке сопла

Установлена тождественность процессов выброса жидкости из дренажных магистралей компонентов топлива или теплоносителя и срыва капель с кромок сопел двигателей ориентации КА по критерию Вебера.

На выходной кромке патрубка (или сопла) за счет смачивания пленка выходит на наружную сторону его поверхности, где взаимодействует с потоком, развернувшимся в течении Прандтля- Майера возле кромки патрубка в обратном направлении. Капли, образовавшиеся внутри сопла или патрубка и вылетевшие наружу, в силу своей инерционности продолжают двигаться с потоком практически в прежнем направлении, заданном геометрией сопла и патрубка. Капли, образующиеся на кромке в разворачивающемся потоке газа, отклоняются на больший угол и могут лететь в обратном направлении, попадая на поверхность КА и загрязняя ее. Для защиты КА от загрязнения необходимо убрать те капли, которые могут попасть на поверхность в защищаемой зоне, для чего на пути движения таких капель, вне основного потока устанавливается экран. Экран 1 служит для предварительного ограничения углового распределения потока частиц конденсированной фазы, собирая на своей внутренней поверхности капли, отклонившиеся на больший, чем это задано взаимным расположением кромок патрубка и экрана угол. Попадая на экран, часть капель дробится и испаряется, а оставшаяся часть образует пленку жидкости, которая взаимодействует с потоком газа или продуктов сгорания (с несколько уменьшенным за счет разворота в течении Прандтля-Майера динамическим напором), образуя новые капли. Особенно активно процесс диспергирования жидкости проходит на кромке экрана. Выступ 4 своей острой кромкой интенсифицирует процесс дробления пленки.

Условия на кромке экрана аналогичны условиям на кромке патрубка (сопла). Отличие заключается в том, что количество жидкости внутри экрана и динамический напор несущего газа меньше, чем в патрубке, а пленка тоньше. Поэтому с кромки экрана срывается меньше капель и уменьшается предельный угол разворота капель Это подтверждается экспериментами, результаты которых иллюстрируются фиг. 2, на котором показано угловое распределение потока частиц жидкой фазы за моделью одиночного патрубка и патрубка с одним экраном.

Часть вновь образовавшихся капель выносит потоком газа или продуктов сгорания в приосевую зону выхлопной струи, а оставшиеся капли собирают на следующей поверхности - экране 2, на которой процесс повторяется, и так до тех пор, пока на очередной поверхности жидкости не останется так мало, что она, смочив поверхность, уже не сможет дробиться на капли ослабленным потоком несущего газа. Этот остаток будет постепенно испаряться в космическом вакууме, не оказывая загрязняющего действия.

По результатам, представленным на графике, видно, что два экрана практически полностью убирают капли, летящие за пределы угла 75 градусов от направления патрубка. Для сопла, где расход контаминанта значительно меньше, эффективность двойного экранирования еще выше.

Таким образом, использование предлагаемого изобретения позволит увеличить эффективность защиты поверхности КА от загрязнений, упростить конструкцию устройства защиты (исключаются пористое тело и нагревательная спираль), сделать способ и устройство более универсальными (защита и патрубков и сопел).

Источники информации:
1. Н. Trinks, R. J. Hoffman. Experimental investigation of bipropellant exhaust plume flowfield, heating and contamination, and comparison with the CONTAM computer model predictions. AIAA- 83-1447. AIAA 18th Thermophysics Conference, June 1-3, 1983, Montreal, Canada.

2. "Управляющая двигательная установка космических аппаратов и станций с ракетными двигателями малой тяги. " Патент РФ N 2111904, кл. B 64 G 1/52, 1998 г.

Изобретение относится к космической технике и может быть использовано для защиты поверхности космических аппаратов от осаждения на нее жидких частиц в условиях вакуума. Согласно изобретению, образующиеся при работе соответствующих систем капли жидкости собирают и повторно диспергируют. При этом часть образующихся более мелких капель выносят потоком газа в приосевую зону струи. Процесс ведут до полного удаления контаминанта с периферии струи. Устройство для защиты поверхности содержит экран, охватывающий сопло или патрубок. Экран выполнен из коаксиальных, заглушенных с тыльной стороны цилиндров. Передние кромки внутреннего и внешнего цилиндров выступают вперед соответственно относительно среза сопла (патрубка) и внутреннего цилиндра. Изобретение позволяет ограничить угол разлета контаминантов из выхлопной струи и снизить загрязнение ими поверхности. 2 c. и 1 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. Способ защиты поверхности космического аппарата от загрязнений, образующихся при дренаже гидравлических магистралей и работе реактивных двигателей, заключающийся в удалении контаминантов из периферийной зоны выхлопной струи путем ограничения угла разлета контаминантов, отличающийся тем, что капли контаминанта собирают и повторно диспергируют, часть образовавшихся уже более мелких капель выносят потоком газа или продуктов сгорания в приосевую зону струи, а оставшиеся капли вновь собирают и диспергируют, причем процесс повторяют до полного удаления контаминанта из периферийной зоны струи. 2. Устройство для защиты поверхности космического аппарата от загрязнений, образующихся при дренаже гидравлических магистралей и работе реактивных двигателей, содержащее цилиндрический экран, осесимметрично охватывающий дренажный патрубок или сопло, отличающееся тем, что экран выполнен по меньшей мере из двух коаксиальных закрытых с тыльной стороны цилиндров, причем передняя кромка внутреннего цилиндра выступает вперед по отношению к выходному срезу сопла или патрубка, а кромка внешнего цилиндра выступает вперед по отношению к кромке внутреннего цилиндра. 3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что внутренний экран имеет у выходной кромки острый внутренний выступ.