ЭЛЕКТРОРЕАКТИВНАЯ ДВИГАТЕЛЬНАЯ УСТАНОВКА Российский патент 2004 года по МПК F03H1/00 

Изобретение относится к космической техники и может быть использовано при создании электрореактивных двигательных установок (ЭРДУ).

Известна ЭРДУ, состоящая из двигательного блока, содержащего двигатель, системы хранения рабочего тела под высоким давлением, редукционного блока подачи рабочего тела низкого давления двигателю и межблочных трубопроводов, соединяющих блоки по соответствующим магистралям подачи рабочего тела. На космическом аппарате (КА) двигательный блок, система хранения рабочего тела и редукционный блок подачи рабочего тела закреплены при помощи специальных кронштейнов на отдельных силовых фермах [1].

Известная ЭРДУ обладает рядом существенных недостатков. Выполнение ЭРДУ в виде отдельных блоков приводит к необходимости создания нескольких посадочных мест на КА, что значительно усложняет и утяжеляет силовую раму КА. При этом для закрепления каждого блока требуются специальные кронштейны и крепежные элементы, что также приводит к увеличению массы КА. Кроме того, при выборе и разработке посадочных мест на КА для различных блоков ЭРДУ должны учитываться индивидуальные условия их эксплуатации. Это механические, температурные и радиационные условия воздействия на блоки ЭРДУ при выведении на заданную орбиту и эксплуатации КА в космосе, которые для разных блоков ЭРДУ различны. Это приводит к необходимости применения дополнительных элементов, например специальных силовых кронштейнов и экранно-вакуумной изоляции, которая служит для обеспечения определенного теплового и радиационного режимов функционирования различных блоков ЭРДУ. Удаленное расположение блоков ЭРДУ друг от друга на КА приводит к увеличению длины и объема межблочных трубопроводов, что увеличивает инерционность работы ЭРДУ в целом.

Известна ЭРДУ, принятая за прототип, состоящая, по меньшей мере, из одного двигательного моноблока, содержащего двигатель с посадочными местами, систему подачи рабочего тела в двигатель, содержащую панель с электрическими и пневматическими соединителями, и межблочные трубопроводы подвода рабочего тела [2].

Недостатки, присущие аналогу, устранены в известном прототипе. Однако известная ЭРДУ имеет ряд существенных недостатков: низкий запас прочности конструкции двигателя, недостаточно высокая низшая частота собственных колебаний двигателя и достаточно большие коэффициенты усиления деталей двигателя при вибрациях.

Основным исполнительным элементом ЭРДУ является двигатель, от надежности его работы зависит надежность функционирования ЭРДУ в целом. При наземной отработке и эксплуатации все элементы двигателя подвергаются высоким внешним механическим нагрузкам. Удаленное размещение центра масс двигателя от посадочной опорной поверхности КА приводит к значительным суммарным опрокидывающим моментам инерционных усилий, развивающихся на всех элементах двигателя при механических воздействиях. Кроме того, удаленное размещение центра масс двигателя приводит к необходимости применения промежуточных силовых кронштейнов, что приводит к появлению дополнительных стыков соединений. Увеличение количества стыков в конструкции повышает коэффициенты усиления, которые испытывают детали и узлы двигателя при вибрациях. При внешних механических воздействиях по трем взаимно перпендикулярным направлениям на конструкцию двигательного моноблока происходит процесс раскачивания, что приводит к проскальзыванию сопряженных поверхностей различных деталей двигателя, "раскрытию стыков" и соответственно снижению усилий затяжек в соединениях двигателя, заложенных при его изготовлении. Все эти факторы ограничивают запас прочности такой конструкции.

В механической конструкции двигательного моноблока важно, чтобы различные элементы конструкции имели низшие частоты собственных колебаний выше, чем низшая частота собственных колебаний посадочной конструкции для подвески ЭРДУ на КА. Разница между низшими частотами собственных колебаний должна учитывать снижение ее при механических и тепловых воздействиях на конструкцию, но исключать их критическое сближение, при котором вероятность наступления резонанса резко возрастает. Для двигателя, закрепляемого на поддерживающих кронштейнах с развитой поверхностью, достаточно высокое значение низшей частоты собственных колебаний достичь практически сложно из-за наличия промежуточных элементов конструкции и дополнительных стыков их соединений. Так, в процессе воздействия механических нагрузок на стыки двигателя с поддерживающими кронштейнами происходит их ослабление, вследствие чего происходит сдвиг низшей частоты собственных колебаний. При этом важно, чтобы сдвиг низшей частоты был малым по отношению к исходному значению. Консольное закрепление двигателя, примененное в известной ЭРДУ, характеризуется достаточно низкими резонансными частотами собственных колебаний, близкими к резонансным частотам посадочной конструкции КА, что является также недостатком прототипа.

Целью изобретения является повышение запасов прочности двигательного моноблока при повышенных механических нагрузках, эффективности регулирования подачи рабочего тела в двигатель при функционировании ЭРДУ в широком диапазоне знакопеременных температур, компактности и уменьшение габаритных размеров.

Указанная цель достигается тем, что в известной ЭРДУ, состоящей, по меньшей мере, из одного двигательного моноблока, содержащего двигатель с посадочными местами, систему подачи рабочего тела в двигатель, содержащую панель с электрическими и пневматическими соединителями, и межблочные трубопроводы подвода рабочего тела, согласно изобретению, двигатель со стороны закрепления двигательного моноблока на космическом аппарате снабжен присоединительными местами, система подачи рабочего тела и панель с электрическими и пневматическими соединителями размещены на монтажной плите, которая расположена с зазором относительно двигателя и соединена с его присоединительными местами через тепловые развязки, выполненные из материала с низкой теплопроводностью. Система подачи рабочего тела в двигатель может быть снабжена, по меньшей мере, одним нагревателем. Система подачи рабочего тела в двигатель может быть снабжена, по меньшей мере, одним датчиком температуры. На внутренней монтажной плите может быть выполнено покрытие со степенью черноты не менее чем 0,8. На панели с электрическими и пневматическими соединителями может быть выполнено покрытие со степенью черноты не менее чем 0,8.

Снабжение двигателя присоединительными местами и закрепление к ним монтажной плиты, на которой размещена система подачи рабочего тела, позволяют повысить запас механической прочности двигательного моноблока при повышенных механических нагрузках за счет приближения центра масс двигателя к посадочной поверхности КА. При установке двигательного моноблока на поверхность КА при помощи непосредственно посадочных мест самого двигателя исключаются промежуточные элементы, сокращается количество стыков соединений и снижаются моменты инерционных усилий двигателя. В такой конструктивной схеме существенно снижаются коэффициенты усиления на элементах двигателя при вибрациях.

Взаимное сближение двигателя и системы подачи рабочего тела позволяет при минимальных габаритах двигательного моноблока повысить эффективность регулирования подачи рабочего тела в двигатель при функционировании ЭРДУ за счет уменьшения внутреннего объема межблочных трубопроводов.

Кроме того, расположение двигателя и системы подачи рабочего тела с минимально допустимым зазором и соединение их через тепловые развязки, выполненных из материала с низкой теплопроводностью, позволяет повысить плотность компоновки комбинации теплонапряженного двигателя с системой подачи рабочего тела, требующей термостатирования в узком диапазоне относительно низких температур для обеспечения дозировки рабочего тела элементам двигателя с высокой степенью точности. В такой конструктивной схеме тепловые развязки ограничивают тепловой поток, исходящий от двигателя, обеспечивая необходимые температурные условия функционирования системы подачи рабочего тела.

Введение в состав ЭРДУ нагревателя, датчика температуры и нанесение покрытия на монтажную плиту и панель с электрическими и пневматическими соединителями с высокой степенью черноты позволяет с наименьшими энергетическими затратами термостатировать и постоянно поддерживать систему подачи рабочего тела при функционировании ЭРДУ в условиях воздействия знакопеременных температур окружающей среды.

Таким образом, двигательный моноблок, выполненный согласно изобретению, позволяет создавать различные комбинации ЭРДУ в зависимости от решения различных задач, для которых ЭРДУ отличаются друг от друга по основным параметрам, удельным характеристикам и компоновке в составе различных КА.

Изобретение иллюстрируется чертежами.

На фиг.1 изображена компоновочная схема предлагаемой ЭРДУ.

На фиг.2 изображена ЭРДУ со стороны панели с электрическими и пневматическими соединителями, вид А.

ЭРДУ содержит, по меньшей мере, один двигательный моноблок, включающий двигатель 1, систему подачи рабочего тела в двигатель 3, содержащую панель 4 с электрическими 5 и пневматическими 6 соединителями. Межблочные трубопроводы 7 пневматически соединяют двигатель 1 и систему подачи рабочего тела 3, которая вместе с панелью 4 с электрическими 5 и пневматическими 6 соединителями размещаются на монтажной плите 9. Монтажная плита 9 механически соединена через тепловые развязки 10 с присоединительными местами 8 двигателя 1. Система подачи рабочего тела 3 может содержать, по меньшей мере, один нагреватель 11 и, по меньшей мере, один датчик температуры 12. Монтаж ЭРДУ на КА осуществляется при помощи посадочных мест 2 самого двигателя 1.

ЭРДУ работает следующим образом.

По сигналам алгоритма эксплуатации от внешней системы электропитания (в изобретении не рассматривается) через электрические соединители 5 запитываются двигатель 1 и система подачи рабочего тела 3, а от внешней системы хранения рабочего тела (в изобретении также не рассматривается) производится подача рабочего тела через пневматический соединитель 6 в систему подачи рабочего тела 3, пройдя которую по межблочным трубопроводам 7 рабочее тело подается в двигатель 1. В процессе работы двигатель 1 разогревается и тепловой поток от него как излучением с собственной поверхности, так и непосредственно через посадочные места 2 и присоединительные места 8 распространяется по различным элементам. При этом тепловые развязки 10 ограничивают часть теплового потока, поступающего на монтажную плиту 9 и соответственно на панель 4 с электрическими 5 и пневматическими 6 соединителями, предохраняя от перегрева систему подачи рабочего тела 3. Таким образом устанавливается необходимый баланс тепловой связи между ЭРДУ и КА, когда большая часть теплового потока сбрасывается на конструкцию КА. При функционировании ЭРДУ в условиях низкой температуры окружающей среды контроль рабочей температуры системы подачи рабочего тела 3 осуществляется по датчику температуры 12 и при необходимости подогрева конструкции включается нагреватель 11, а по достижении рабочей температуры верхнего допускаемого порога нагреватель 11 отключается. При работе двигатель 1 создает тяговый импульс ЭРДУ.

Источники информации

1. Гуров А.Ф. и др. Конструирование двигательных установок. - М.: Машиностроение, 1980, с.304, рис.10, 12.

2. Патент РФ №2024785, кл. 7 F 03 H 1/00, Н 05 Н 1/54 - прототип.

Изобретение предназначено для использования в области космической техники, в частности, при создании электрореактивных двигательных установок (ЭРДУ). ЭРДУ, состоящая, по меньшей мере, из одного двигательного моноблока, содержащего двигатель с посадочными местами, систему подачи рабочего тела в двигатель, содержащую панель с электрическими и пневматическими соединителями, и межблочные трубопроводы подвода рабочего тела. Двигатель со стороны закрепления двигательного моноблока на космическом аппарате снабжен присоединительными местами, система подачи рабочего тела и панель с электрическими и пневматическими соединителями размещены на монтажной плите, которая расположена с зазором относительно двигателя и соединена с его присоединительными местами через тепловые развязки, выполненные из материала с низкой теплопроводностью. Система подачи рабочего тела в двигатель может быть снабжена, по меньшей мере, одним нагревателем. Система подачи рабочего тела в двигатель может быть снабжена, по меньшей мере, одним датчиком температуры. На внутренней монтажной плите может быть выполнено покрытие со степенью черноты не менее чем 0,8. На панели с электрическими и пневматическими соединителями может быть выполнено покрытие со степенью черноты не менее чем 0,8. Изобретение позволяет обеспечить повышение запасов прочности конструкции, эффективности регулирования подачи рабочего тела в двигатель при функционировании ЭРДУ в широком диапазоне знакопеременных температур, компактность и уменьшение габаритных размеров. 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Электрореактивная двигательная установка (ЭРДУ), состоящая по меньшей мере из одного двигательного моноблока, содержащего двигатель с посадочными местами, систему подачи рабочего тела в двигатель, содержащую панель с электрическими и пневматическими соединителями, и межблочные трубопроводы подвода рабочего тела, отличающаяся тем, что двигатель со стороны закрепления двигательного моноблока на космическом аппарате снабжен присоединительными местами, система подачи рабочего тела и панель с электрическими и пневматическими соединителями размещены на монтажной плите, которая расположена с зазором относительно двигателя и соединена с его присоединительными местами через тепловые развязки, выполненные из материала с низкой теплопроводностью.2. Электрореактивная двигательная установка по п.1, отличающаяся тем, что система подачи рабочего тела в двигатель снабжена по меньшей мере одним нагревателем.3. Электрореактивная двигательная установка по п.1, отличающаяся тем, что система подачи рабочего тела в двигатель снабжена по меньшей мере одним датчиком температуры.4. Электрореактивная двигательная установка по п.1, отличающаяся тем, что на внутренней монтажной плите выполнено покрытие со степенью черноты не менее 0,8.5. Электрореактивная двигательная установка по п.1, отличающаяся тем, что на панели с электрическими и пневматическими соединителями выполнено покрытие со степенью черноты не менее 0,8.