ЖИДКОСТНАЯ РАКЕТНАЯ ДВИГАТЕЛЬНАЯ УСТАНОВКА Российский патент 2001 года по МПК F02K9/42 

Жидкостная ракетная двигательная установка (ЖРДУ) относится к космической технике и предназначена для одноступенчатых многоразовых транспортных космических систем (ТКС).

Конкурентоспособность современных ТКС определяется стоимостью выведения на орбиту единицы массы полезного груза (ПГ). Одним из основных направлений существенного снижения стоимости выведения ПГ являются многоразовые ТКС. Первые такие системы "Спейс Шаттл" [1] и "Буран" [2] не дали ожидаемого результата по снижению стоимости выведения. Во многом это объясняется попыткой решения новых задач старыми методами - для повышения массы ПГ максимально форсировались их жидкостные ракетные двигатели (ЖРД) по давлению в камере сгорания (свыше 200 кГс/см²). В результате предельно напряженные ЖРД "Шаттла" приходится перебирать после каждого полета, вместо прогнозируемого ресурса в 55 полетов [1, стр. 87], а отечественные кислородо-водородные ЖРД "Бурана" обеспечивают только однократное использование. Как показывает опыт эксплуатации ТКС, при современной стоимости ПГ вторым показателем конкурентоспособности средств выведения становится надежность. Например, потери при авариях ракет-носителей (РН) только в США за неполный год оцениваются в 3,5 млрд. долларов [3]. Надежность может быть существенно повышена на одноступенчатых ТКС, где исключаются операции по взаимодействию и разделению ступеней и запуску двигателей на траекторию выведения. Созданию таких систем при современном уровне технике мешают их основные недостатки - малая относительная масса ПГ и прямая зависимость массы ПГ от массы конструкции, делающие весьма высоким риск разработки одноступенчатых ТКС. Указанные недостатки устраняются оптимизацией ЖРДУ, составляющей основную часть конструкции ТКС. Известен такой проект одноступенчатого многоразового аппарата "Венчур Стар" фирмы "Локхид - Мартин", находящийся в стадии реализации [4]. Успех проекта связывают с применением новой кислородо-водородной ЖРДУ с соплом внешнего расширения в виде центрального тела и композиционными баками компонентов топлива на основе углепластиков. Характерная особенность двигателя с центральным телом - свойство авторегулирования, т.е. естественного обеспечения оптимального для удельного импульса режима, когда давление на срезе сопла поддерживается близким к атмосферному на всей траектории выведения. Это позволяет достичь высокого удельного импульса при менее напряженных параметрах, что открывает путь к созданию эффективных многоразовых систем и позволяет резервировать ЖРД на случай аварийных ситуаций. Использование углепластиковых баков существенно уменьшает массу конструкции. Недостатки этой ЖРДУ связаны с горизонтальной посадкой аппарата, накладывающей жесткие ограничения на его мидель. В результате центральное тело выполнено недорасширенным с соответствующим ограничением удельного импульса ЖРД в пустоте, не превышающего показателя "Шаттла" (около 455 кГс• с/кг). Эти же габаритные ограничения заставили включить углепластиковые баки в силовую конструкцию аппарата, что усложнило технологию их изготовления и уменьшило потенциальные возможности по снижению массы баков, т.к. углепластики значительно лучше работают на растяжение [5].

Габаритные ограничения устраняются в одноступенчатой многоразовой ТКС проекта "Волан" с вертикальной посадкой РН при возвращении [6]. Кислородо-водородная ЖРДУ этой системы включает крупногабаритное центральное тело с высокой степенью расширения, обеспечивающей максимальный из достигнутых ЖРД удельных импульсов около 470 кГс•с/кг. Недостатком этой ЖРДУ является возрастание массы ЖРД примерно в 1,5 раза за счет крупногабаритного центрального тела.

Известна ЖРДУ, принятая за прототип предлагаемого изобретения, где указанный недостаток компенсируется использованием крупногабаритного центрального тела в качестве нижнего днища центрального бака [7]. Эта ЖРДУ имеет тандемно расположенный полезный груз и включает центральный и боковые баки компонентов топлива, модульные камеры сгорания, сопло внешнего расширения в виде металлического центрального тела, являющегося нижним днищем центрального бака и снабженного трактом регенеративного охлаждения, при этом верхняя часть центрального бака выполнена из композиционного материала на основе углепластика, кольцевую силовую раму и раму крепления центрального бака. Такая конструкция позволила уменьшить массу центрального бака на 25-50% за счет использования внутреннего объема крупногабаритного центрального тела. Однако, в связи с нагружением центрального бака тягой сопла внешнего расширения в такой конструкции возникают технологические трудности создания несущего композиционного бака (аналогично американскому проекту "Венчур Стар" [8] ) и не в полной мере используются потенциальные возможности по снижению массы углепластиковой части бака. Кроме того, появилась проблема силового воздействия на конструкцию температурных деформаций центрального бака при его заправке и работе двигателя.

Задачей изобретения является упрощение технологии изготовления и снижение массы центрального бака путем исключения воздействия на его углепластиковую верхнюю часть силы тяги центрального тела и инерционных нагрузок ПГ, а также путем устранения силового воздействия на силовую кольцевую раму и центральный бак его температурных деформаций.

Достигается поставленная задача тем, что в ЖРДУ с тандемным расположением ПГ, включающей центральный и боковые баки компонентов топлива, модульные камеры сгорания, сопло внешнего расширения в виде металлического центрального тела, являющегося нижнем днищем центрального бака и снабженного трактом регенеративного охлаждения, при этом верхняя часть центрального бака выполнена из композиционного материала на основе углепластика, кольцевую силовую раму и раму крепления центрального бака, в отличие от известных ДУ, рама крепления центрального бака выполнена стержневой с шарнирными узлами крепления каждого стержня к центральному телу и кольцевой силовой раме, а верхняя часть центрального бака установлена с зазорами относительно кольцевой силовой рамы и ПГ.

Сущность изобретения поясняется чертежами на примере кислородо-водородной ЖРДУ с центральным баком водорода и размещением водородных насосов внутри бака на срезе центрального тела, для которой предлагаемое решение представляется наиболее предпочтительным:
Фиг. 1 - компоновочная схема ЖРДУ.

Фиг. 2 - схема подачи водорода.

Фиг. 3 - схема узла А.

На чертежах представлены следующие позиции:
1 - центральный бак водорода;
2 - боковые баки кислорода;
3 - кольцевой коллектор кислорода;
4 - силовая кольцевая рама;
5 - турбонасосный агрегат кислорода;
6 - модульные камеры сгорания;
7 - центральное тело;
8 - тракт охлаждения центрального тела;
9 - распределительный коллектор водорода;
10 - напорный коллектор водорода;
11 - срез центрального тела;
12 - ТНА водорода;
13 - газогенератор;
14 - сопловые насадки;
15 - турбины ТНА водорода;
16 - насосы водорода;
17 - обтекатели камер сгорания;
18 - силовые корсеты баков кислорода;
19 - полезный груз;
20 - напорные трубопроводы водорода;
21 - отсечные клапаны водорода;
22 - выхлопные патрубки турбин;
23 - регуляторы тяги;
24 - патрубки водорода;
25 - отсечные клапаны водорода газогенераторов;
26 - теплоизоляция;
27 - корпусы насосов водорода;
28 - разделительные клапаны водорода;
29 - разделительные клапаны кислорода;
30 - насосы кислорода;
31 - турбины ТНА кислорода;
32 - регуляторы соотношения компонентов;
33 - тракт охлаждения камер сгорания;
34 - напорные коллекторы камер сгорания;
35 - рама крепления центрального бака;
36 - силовые рамы камер сгорания;
37 - отсечные клапаны кислорода камер сгорания;
38 - отсечные клапаны кислорода газогенераторов;
39 - расходные магистрали кислорода;
40 - клапаны аварийной отсечки кислорода;
41 - аварийная магистраль водорода;
42 - верхняя часть центрального бака;
43 - стержни рамы крепления центрального бака;
44 - шарнирные узлы силовой кольцевой рамы;
45 - шарнирные узлы центрального тела;
δ₁ - зазор между центральным баком 1 и силовой кольцевой рамой 4;
δ₂ - зазор между центральным баком 1 и ПГ 19.

ЖРДУ включает центральный бак водорода 1, нижним днищем которого является центральное тело 7, и боковые баки кислорода 2. Баки 2 объединены кольцевым коллектором кислорода 3, обеспечивающим распределение компонента по ТНА кислорода 5. Силовая кольцевая рама 4 конструктивно увязывает баки 1 и 2 и модульные камеры сгорания 6, создающие основную тягу ДУ. ТНА 5 обеспечивают подачу кислорода в камеры сгорания 6 и газогенераторы 13 и конструктивно размещены на камерах сгорания 6. Центральное тело 7 является соплом внешнего расширения для продуктов сгорания, истекающих из модульных камер сгорания 6, и создает часть тяги ДУ. Тракт охлаждения 8 служит для регенеративного охлаждения центрального тела 7. Распределительный коллектор водорода 9 обеспечивает подачу водорода к камерам сгорания 6, напорный коллектор 10 - в тракт охлаждения 8. На срезе центрального тела 11 установлены ТНА водорода 12 с расположением насосов водорода 16 внутри бака 1. Газогенераторы 13 обеспечивают привод турбин ТНА водорода 15. Сопловые насадки 14 обеспечивают сверхзвуковое истечение продуктов привода турбин и управление по крену за счет отклонения в тангенциальном направлении. Насосы водорода 16 подают компонент в напорный коллектор 10 и газогенераторы 13. Обтекатели 17 защищают ТНА 5 и камеры сгорания 6 от набегающего потока воздуха. Силовые корсеты 18 крепят баки кислорода 2 к силовой кольцевой раме 4. На баках 2 закреплен ПГ 19. Напорные трубопроводы водорода 20 обеспечивают подачу компонента к напорному коллектору 10, отсечные клапаны водорода 21 перекрывают его подачу. Выхлопные патрубки турбин 22 сообщены с внешней средой через подвижные сопловые насадки 14. Регуляторы тяги 23 на линиях подачи кислорода в газогенераторы 13 поддерживают необходимый режим работы ЖРДУ. Патрубки водорода 24 соединяют насосы водорода 16 с газогенераторами 13, отсечные клапаны водорода 25 перекрывают эту подачу. Теплоизоляция 26 тракта охлаждения 8 и среза центрального тела 11 предохраняет водород в баке от теплового воздействия газового потока. Корпусы насосов водорода 27 и разделительные клапаны водорода 28 исключают несанкционированное попадание водорода в двигатель. Разделительные клапаны кислорода 29 отсекают компонент топлива от кольцевого коллектора кислорода 3. Насосы кислорода 30 обеспечивают подачу компонента в камеру сгорания 6 и газогенераторы 13, перекрывается подача отсечными клапанами 37 и 38. Расходные магистрали кислорода 39 соединяют кольцевой коллектор кислорода 3 с насосами 30. Режим работы ТНА кислорода 5 определяется регуляторами соотношения компонентов 32. Тракты охлаждения камер сгорания 33 соединены с распределительным коллектором водорода 9 через напорные коллекторы камер сгорания 34. Рама крепления центрального бака 35 обеспечивает его установку на силовой кольцевой раме 4. Камеры сгорания 6 закреплены на кольцевой силовой раме 4 силовыми рамами 36. Отсечные клапаны кислорода 37 и 38 перекрывают подачу кислорода в камеры сгорания 6 и газогенераторы 13. Клапаны аварийной отсечки кислорода 40 перекрывают подачу кислорода при выключении аварийной камеры сгорания. Аварийная магистраль водорода 41 обеспечивает охлаждение этой камеры в обход турбины 31. Верхняя часть центрального бака 42 установлена с зазорами относительно силовой кольцевой рамы 4 (δ₁) и ПГ 19 (δ₂), исключающими силовое воздействие ПГ 19 и силовой кольцевой рамы 4 на верхнюю часть центрального бака водорода 1 при его температурных деформациях. Силовая рама центрального бака 35 состоит из стержней 43, соединенных шарнирными узлами 44 с силовой кольцевой рамой 4 и шарнирными узлами 45 с центральным телом 7.

Функционирование ЖРДУ начинается с заправки баков водорода 1 и кислорода 2 от наземных систем. При этом разделительные клапаны кислорода 29 и клапаны аварийной отсечки кислорода 40 открыты и идет захолаживание коллектора 3, расходных магистралей 39 и насосов 30 до рабочей температуры. Разделительные клапаны водорода 28 закрыты, что исключает попадание водорода в двигатель до его запуска. Захолаживание насосов водорода 16 осуществляется за счет теплопроводности металлического корпуса насоса 27. Температурная деформация бака 1 при заправке и нагревании от двигателя компенсируется поворотом стержней 43 в шарнирных узлах 44, 45 и зазорами δ₁ и δ₂. Запуск двигателя проводится открытием разделительных 28 и отсечных 21 и 25 клапанов водорода. Под баковым давлением жидкий водород по трубопроводам поступает в тракт охлаждения центрального тела 8, где газифицируется за счет аккумулированного конструкцией тепла и через тракты охлаждения камер сгорания 33 и регуляторы 32 поступает на привод турбин 31, далее через камеры сгорания 6 выбрасывается в атмосферу. На поверхности центрального тела 7 водород поджигается от внешнего источника, чем интенсифицируется процесс газификации и подогрева водорода в тракте охлаждения 8, соответственно, и раскрутка ТНА кислорода 5. Параллельно по патрубкам 24 жидкий водород поступает в газогенераторы 13, где так же газифицируется за счет тепла конструкции и, истекая через турбины 15, начинает раскрутку насосов 16. По достижении расчетного давления за насосами кислорода 30 открываются отсечные клапаны кислорода 37 и 38 и кислород поступает в камеры сгорания 6 и газогенераторы 13. Начинается процесс горения от источника воспламенения, регуляторами тяги 23 и регуляторами соотношения компонентов 32 двигатель выводится на расчетный режим работы. Управление вектором тяги ЖРДУ по тангажу и рысканью проводится рассогласованием тяги противоположных модульных камер сгорания 6 в соответствующих плоскостях стабилизации. Управление по крену осуществляется поворотом сопловых насадков 14 ТНА водорода 12 в тантециальном направлении. Остановка двигателя начинается с перевода на режим малой тяги регуляторами тяги 23, при этом уменьшаются обороты ТНА водорода 12, количество водорода, поступающего в тракт охлаждения 8, и соответственно обороты ТНА окислителя 5. Закрываются отсечные клапаны 38 и 40 - прекращается подача окислителя в газогенераторы 13 и камеры сгорания 6. Затем закрываются отсечные клапаны 21 и 25 - прекращается подача водорода в камеры сгорания 6 и газогенераторы 13. Закрытием разделительных клапанов 28 и 29 полости баков водорода и кислорода отсекаются от двигателя. В случае отказа отдельных камер в процессе полета перекрываются дополнительно к отсечным клапанам 37 и 38 расходная магистраль окислителя 39 закрытием соответствующего клапана аварийной отсечки окислителя 40, а регулятор 32 переводится на малый расход для охлаждения водородом отказавшей камеры сгорания со сбросом водорода через аварийную магистраль 41 в обход турбины 31.

Положительным эффектом предлагаемого изобретения является упрощение технологии изготовления и уменьшение массы верхней части центрального бака за счет исключения ее из силовой схемы ЖРДУ. В соответствии с работой [5, стр. 97] удельная прочность углепластика при работе на растяжение на 25% превышает прочность сжатия. Таким образом, масса верхней части центрального бака, работающей в предлагаемой конструкции только на растяжение, может быть уменьшена на 1/4.

Наилучшие результаты дает изобретение для наиболее эффективных по удельному импульсу кислородо-водородных ЖРДУ, устраняя основной недостаток этих установок - повышенную массу бака водорода - и тем самым, снижая риск разработки одноступенчатых ТКС при современном уровне техники.

Литература
1. "МТКС "Спейс Шаттл". Часть 1. Технико-экономическое обоснование и основные характеристики". 1976 г., НПО "Энергия".

2. "Многоразовый орбитальный корабль "Буран". 1995 г., "Машиностроение", Москва.

3. "Президент США распорядился провести расследование причин шести неудачных запусков". Еженедельник "Аэрокосмос" N 20, 1999, "ИТАР - ТАСС", Москва.

4. "О разработке аппаратов Х-33 и RLV". ЭИ "Ракетная и космическая техника" N 2, 1997 г., ЦНИИМАШ.

5. "Углепластики в авиационно-космической технике". "Аэрокосмический журнал" N 1, 1998, "Военный парад".

6. "Проект "Волан". Всероссийский аэрокосмический журнал "Вестник авиации и космонавтики" N 2-3, 1998 г.

7. "Жидкостная ракетная двигательная установка". Патент RU N 2136935 C1 от 18.06.98.

8. "Открыт старт для Х-33". "Новости космонавтики" N 4, 1999, "Видеокосмос", Москва.

Жидкостная ракетная двигательная установка с тандемным расположением полезного груза относится к космической технике и предназначена для одноступенчатых многоразовых космических систем, включает центральный и боковые баки компонентов топлива, модульные камеры сгорания, сопло внешнего расширения в виде металлического центрального тела, являющегося нижнем днищем центрального бака и снабженного трактом регенеративного охлаждения, при этом верхняя часть центрального бака выполнена из композиционного материала на основе углепластика, кольцевую силовую раму и раму крепления центрального бака. Рама крепления центрального бака выполнена стержневой с шарнирными узлами крепления каждого стержня к центральному телу и силовой кольцевой раме, а верхняя часть центрального бака установлена с зазорами относительно кольцевой рамы и полезного груза. Изобретение позволяет упростить технологию изготовления и уменьшить массу верхней части центрального бака за счет исключения ее из силовой схемы двигательной установки. 3 ил.

Жидкостная ракетная двигательная установка с тандемным расположением полезного груза, включающая центральный и боковые баки компонентов топлива, модульные камеры сгорания, сопло внешнего расширения в виде металлического центрального тела, являющегося нижним днищем центрального бака и снабженного трактом регенеративного охлаждения, при этом верхняя часть центрального бака выполнена из композиционного материала на основе углепластика, кольцевую силовую раму и раму крепления центрального бака, отличающаяся тем, что рама крепления центрального бака выполнена стержневой с шарнирными узлами крепления каждого стержня к центральному телу и силовой кольцевой раме, а верхняя часть центрального бака установлена с зазорами относительно кольцевой силовой рамы и полезного груза.