ТОПЛИВНАЯ МАГИСТРАЛЬ ЖИДКОСТНОГО РАКЕТНОГО ДВИГАТЕЛЯ МАЛОЙ ТЯГИ Российский патент 2004 года по МПК F02K9/44 

Изобретение относится к области регулирования расхода жидкости, а более конкретно к регулированию расходов компонентов топлива, подаваемых в жидкостные ракетные двигатели малой тяги (ЖРДМТ) - исполнительных органов (ИО) реактивных систем управления (РСУ) космических аппаратов (КА).

Эффективность использования ЖРДМТ в качестве ИО РСУ во многом определяется стабильностью уровня его тяги и воспроизводимостью создаваемых им импульсов тяги (при одних и тех же длительностях включений) в процессе всего периода эксплуатации КА.

Уровень тяги ЖРДМТ зависит от величины расхода топлива, поступающего в его камеру сгорания. А расход топлива - от уровня давления топлива (компонентов топлива) на входе в двигатель. Уровни же давлений компонентов топлива, в зависимости от применяемой системы их подачи, могут либо падать в процессе выработки топлива, либо меняться в пределах между установленными минимальным и максимальным значениями. Для поддержания постоянного значения тяги двигателей в этих условиях возможна установка непосредственно в магистралях питания двигателя специальных регуляторов (стабилизаторов) расхода, поддерживающих постоянный массовый расход компонентов топлива (а.с.№970327, МПК G 05 D 7/01; а.с.№1550486, G 05 D 7/01). Однако такое техническое решение эффективно только в части обеспечения стабильности уровня тяги в стационарном режиме. В импульсном же режиме работы ЖРДМТ - основном режиме работы ИО РСУ, это решение не обеспечивает воспроизводимость импульсов тяги двигателя, т.к. топливные магистрали с такими регуляторами не обеспечивают быстрого заполнения заклапанных объемов двигателя, что отрицательно сказывается на динамических характеристиках ЖРДМТ, затягивается выход двигателя на режим, появляется нестабильность характеристик выхода на режим (времен начала набора и достижения требуемого уровня тяги).

Известно устройство магистрали подачи топлива в ЖРДМТ (Н.М. Беляев, Н.П. Белик, Е.И. Уваров. Реактивные системы управления космических летательных аппаратов; М., Машиностроение, 1979, стр.73, рис.233), состоящее из трубопровода подачи и установленных в нем последовательно дросселя, топливного клапана и заклапанного объема, который в ЖРДМТ должен быть, по возможности, минимальным для обеспечения хороших динамических характеристик выхода на режим номинальной тяги и отключения.

Однако и такая магистраль не способна поддерживать стабильные характеристики двигателя в широком диапазоне входных давлений.

Задача, решаемая предлагаемым изобретением, состоит в устранении указанных недостатков: улучшении динамических характеристик за счет быстрого заполнения заклапанных объемов; повышении стабильности выхода двигателя на режим.

Поставленная задача решается так: в известной топливной магистрали жидкостного ракетного двигателя малой тяги, состоящей из трубопровода подачи компонента топлива с установленным в нем последовательно дросселирующим устройством, клапаном подачи и имеющей обусловленный особенностями конструкции заклапанный объем, предлагается применить в качестве дросселирующего устройства автоматический регулятор расхода, а параллельно ему установить вытесняющий дозирующий элемент, входная полость которого сообщена с трубопроводом перед регулятором расхода, а выходная полость сообщена с трубопроводом за регулятором расхода. Входная и выходная полости вытесняющего дозирующего элемента разделены герметично подвижным разделителем.

Вытесняющий элемент может быть установлен прямо во входной полости регулятора, а его выходная полость сообщена непосредственно с полостью за дросселирующим элементом.

Герметичный подвижный разделитель может быть выполнен, например, в виде подпружиненного поршня, в виде сильфона или в виде мембраны.

Регулятор расхода может быть установлен непосредственно в подвижном разделителе вытесняющего элемента.

В качестве регуляторов расхода целесообразно применять стабилизаторы расхода прямого действия, имеющие, обычно, малую массу и габариты.

Сущность технического решения поясняется приведенными чертежами.

На фиг.1 показана гидравлическая схема топливной магистрали ЖРДМТ.

На фиг.2 приведена конструктивная схема регулятора расхода с вмонтированным во входную полость вытесняющим элементом с подвижным герметичным разделителем в виде сильфона.

На фиг.3 и 4 показаны подвижные герметичные разделители в виде подпружиненного поршня и мембраны, соответственно, установленные в вытесняющих элементах.

На фиг.5 изображен вытесняющий элемент, в подвижном разделителе которого соосно с ним установлен регулятор расхода.

Топливная магистраль ЖРДМТ состоит из входной части трубопровода 1, регулятора расхода 2, вытесняющего дозирующего элемента 3 с подвижным герметичным разделителем 4 и ограничителем хода 5. Линия 6 сообщает участок трубопровода перед регулятором 2 с входной полостью 7 вытесняющего дозирующего элемента 3. Линия 8 соединяет выходную полость вытесняющего элемента с трубопроводом за регулятором расхода.

Электромагнитный клапан 9 установлен после регулятора расхода. Далее за клапаном 9 условно показан заклапанный объем 10 (фиг.1), в который входят канал подвода компонента к форсунке, коллектор и форсуночные отверстия (не показано).

На фиг.2 приведен пример конкретного выполнения части топливной магистрали ЖРДМТ с вытесняющим дозирующим элементом 3, имеющим подвижный герметичный разделитель в виде сильфона 11 с крышкой 12, перемещение которой имеет предел за счет ограничителя хода 5. Полость под герметичным разделителем сообщена каналом (линией) 8 с полостью 13 за дросселирующим элементом, в состав которого входит дросселирующее отверстие 14, плоская консольно закрепленная пружина 15, свободным концом опирающаяся на настроечный винт 16, имеющий кольцевую проточку 17. Корпус 18 регулятора расхода запрессован в общий корпус 19 для регулятора расхода и вытесняющего дозирующего элемента 3.

Входной патрубок 20 выполнен в крышке 21.

Выходной патрубок 22 сообщен с входным патрубком электромагнитного клапана 9 (см. фиг.1).

На фиг.3 представлен вытесняющий дозирующий элемент 3 с подвижным герметичным разделителем в виде поршня 23, перемещающегося в стакане 24 и подпружиненного спиральной цилиндрической пружиной 25. Верхнее крайнее положение поршня фиксируется буртиком 26, а нижнее - ограничителем хода 5 с уплотнителем 27.

На фиг.4 изображена часть топливной магистрали с вытесняющим дозирующим элементом, подвижным герметичным разделителем в котором является мембрана 28.

Часть топливной магистрали, представленная на фиг.5, отличается тем, что регулятор расхода 2 установлен непосредственно в вытеснительном элементе в подвижном герметичном разделителе, выполненном в виде сильфона 29, закрепленного сваркой между корпусом 30 и ограничителем хода 5 с выходным патрубком 22 с одной стороны и между регулятором расхода 2 и центрирующим кольцом 31 с пазами 32. Корпус 33 со стороны, обращенной к ограничителю хода 5, имеет пазы 34.

Топливная магистраль ЖРДМТ работает следующим образом. К входной части 1 трубопровода подведен компонент топлива под давлением, создаваемым системой подачи (см. фиг.1).

Регулятор расхода 2, линии 6 и 8, входная полость 7 вытесняющего дозирующего элемента 3 и полость под подвижным разделителем 4 заполнены компонентом топлива. Полость электромагнитного клапана 9 до клапанной пары тоже заполнена компонентом топлива. Заклапанные объемы вакуумированы.

По команде системы управления открывается электромагнитный клапан 9. На регуляторе расхода (дросселирующем отверстии 14, фиг.2, 3, 4, 5) возникает перепад давления.

Давление на входе регулятора 2 по линии 6 передается в полость 7 над герметичным подвижным разделителем 4 дозирующего элемента 3. В полости под подвижным разделителем 4 через линию 8 устанавливается давление, равное давлению на выходе из регулятора. Устойчивая работа регуляторов расхода обычно начинается при перепаде давления не менее 0,2 МПа, поэтому на подвижный разделитель воздействует сила, возникающая за счет перепада давления на регуляторе расхода. За счет этой силы подвижный герметичный элемент приходит в движение и перемещается до упора в ограничитель хода 5. За время перемещения элемента 4 вытесняется доза компонента топлива, достаточная для заполнения заклапанного объема 10. Эта часть компонента топлива за короткое время заполняет заклапанные объемы. За это время регулятор расхода, находящийся в параллельной линии, выходит на нормальный режим работы и по прекращении работы вытесняющего дозирующего элемента 3 обеспечивает необходимый расход компонента топлива, для поддержания номинального, или близкого к нему, значения тяги двигателя. За счет перепада давления на регуляторе расхода подвижный герметичный элемент 4 находится в прижатом к ограничителю хода 5 положении в течение всего рабочего цикла двигателя. После отключения электропитания клапан 9 закрывается, давление на входе в регулятор 2 и на выходе из него, т.е. в линиях 6 и 8, выравнивается, за счет упругих сил подвижный герметичный разделитель 4 возвращается в исходное положение.

При этом полость под разделителем 4 заполняется очередной дозой компонента топлива, достаточной для заполнения заклапанного объема 10.

Особенностью устройств, представленных на фиг.2, 3 и 4, является конструктивно последовательное размещение вытеснительного дозирующего элемента 3 и регулятора расхода при параллельном распределении потоков компонента топлива. Действительно, входная часть 1 трубопровода и патрубок 20 компонента топлива сообщены с входной полостью 7 вытесняющего дозирующего элемента 3 и входной полостью регулятора расхода, за которой следуют закрепленная консольно плоская пружина 15 с выполненным под ней дросселирующим отверстием 14. Полость 13 за дросселирующим отверстием 14 через кольцевую проточку 17 в настроечном винте 16 и линию 8 сообщена с полостью под подвижным герметичным разделителем.

При открытии клапана 9 (фиг.1) подвижный герметичный разделитель, выполненный из сильфона 11 (фиг.2) с крышкой 12, установленной герметично, за счет перепада давления на дросселирующем отверстии 14, создающего осевое усилие на крышку 12, деформируется. Сильфон 11 сжимается в пределах упругой деформации до упора крышки 11 в ограничитель хода 5. За это время вытесняется порция компонента топлива, достаточная для заполнения заклапанного объема. При сжатии сильфона нарастает перепад давления на дросселирующем отверстии 14, т.к. за счет упругости сильфона растет его сопротивление сжатию. По достижении крышкой 12 ограничителя хода 5 расход компонента через линию 8 прекращается и устанавливается рабочий перепад давления на дросселирующем отверстии 14. Плоская пружина 15 относительно плавно занимает свое рабочее положение, характерное для конкретного перепада давления, т.е. исключаются резкие колебания расхода компонента топлива при выходе регулятора на режим за счет плавного нарастания перепада давления в регулирующем элементе "дросселирующее отверстие 14 - плоская пружина 15". После заполнения заклапанных объемов компонент топлива поступает в камеру сгорания двигателя при номинальном расходе.

При повторных включениях двигателя, когда заклапанные объемы еще не освободились от компонента топлива, вытесняющий дозирующий элемент 3 позволяет производить форсированный запуск двигателя, имеющий особое значение на коротких импульсах включения двигателя.

Конструкция, приведенная на фиг.3, имеет поршневой дозирующий элемент с поршнем 23, перемещающимся в стакане 24. Поршень подпружинен пружиной 25 и его ход ограничен буртиком 26 с одной стороны и ограничителем хода 5 с уплотнителем 27 с другой стороны. При работе устройства поршень 23 перемещается до упора в ограничитель хода 5 и уплотнитель 27. При этом порция топлива из-под поршня по линии 8 поступает в полость 13 за дросселирующим элементом и далее через патрубок 22 и клапан 9 (фиг.1) в заклапанный объем 10. Уплотнитель 27 предотвращает перетекание компонента топлива в полость 13. Весь компонент топлива после рабочего хода поршня поступает к двигателю через регулятор расхода, корпус 18 которого запрессован в корпус 19 с патрубком 22, сообщенным с клапаном 9. После закрытия клапана давление в полости 13 и входной полости 7 выравнивается и поршень 23 пружиной 25 возвращается в исходное состояние. При этом полость под поршнем заполняется очередной порцией компонента топлива.

На фиг.4 изображена часть топливной магистрали ЖРДМТ с вытесняющим дозирующим элементом 3, подвижный герметичный разделитель которого выполнен в виде упругой мембраны 28. При работе такого устройства за счет перепада давления на дросселирующем отверстии 14 мембрана 28 перемещается до упора в ограничитель хода 5, выталкивая при этом требуемую порцию компонента топлива через линию 8 и проточку 17 в полость 13 за дросселирующим элементом. Регулирующий элемент "дросселирующее отверстие 14 - плоская пружина 15" начинает работу в номинальном режиме, поддерживая расход компонента топлива на заданном уровне. После закрытия клапана 9 мембрана 28 за счет собственной упругости возвращается в исходное положение и полость под ней заполняется очередной порцией компонента топлива.

Конструкция топливной магистрали, приведенная на фиг.5, представляет собой регулятор расхода 2, установленный в подвижном герметичном разделителе, выполненном в виде сильфона 29. Корпус 33, в который запрессован корпус 18 регулятора, закреплен с одной стороны вместе с центрирующим кольцом 31 на торцевой части сильфона 29 и при деформации сильфона перемещается до упора в ограничитель хода 5, другая торцевая часть сильфона закреплена между корпусом 30 и выходным патрубком 22. Работает такое устройство следующим образом. К входной части трубопровода 1 подведен компонент топлива под давлением системы подачи топлива. При открытии электромагнитного клапана 9 (фиг.1) за счет перепада давления на дросселирующем отверстии 14 давление в полости под сильфоном 29 и в патрубке 22 падает, поэтому сильфон деформируется (сжимается в осевом направлении) и перемещает регулятор расхода до упора в ограничитель хода 5, при этом вытесняется порция компонента топлива, предназначенная для заполнения заклапанных объемов. Приведенная схема при небольшой деформации сильфона позволяет вытеснять довольно большую порцию компонента топлива.

При выключении клапана 9 сильфон 29 возвращает регулятор 2 в исходное положение. Пазы 34 исключают "залипание" регулятора на ограничителе хода 5 и улучшают динамику наполнения полости под подвижным герметичным разделителем (сильфоном 29).

Центрирующее кольцо 31 имеет пазы 32, снижающие гидросопротивление при перемещении кольца 31 вместе с регулятором расхода.

Торцевая часть корпуса 33 упирается в крышку 21, при этом сильфон 29 имеет напряженное состояние, достаточное для исключения свободного перемещения регулятора 2 при эксплуатационных нагрузках.

В ЖРДМТ, работающих в основном в импульсном режиме, важное значение имеют динамические характеристики, поэтому в качестве регуляторов (стабилизаторов) расхода применяют стабилизаторы расхода прямого действия, простые по устройству и имеющие малую массу подвижных элементов. Минимальную массу из таких регуляторов имеют стабилизаторы расхода с плоской пружиной 15, расположенной над дросселирующим отверстием 14. Один конец плоской пружины закреплен на корпусе 18, а другой опирается на настроечный винт 16, который применяется для установления требуемого расхода компонента топлива в заданном диапазоне входных давлений.

Для всех приведенных конструктивных схем топливной магистрали, изображенных на фиг.1-5, характерно параллельное распределение потоков компонентов топлива. Одна часть компонента топлива от входного участка до входа в клапан направляется через вытесняющий дозирующий элемент, другая часть между теми же участками протекает через регулирующий элемент "дросселирующее отверстие - плоская пружина".

Основным преимуществом предлагаемого решения по сравнению с известными является обеспечение хороших динамических характеристик подачи компонента топлива и, соответственно, выхода ЖРДМТ на режим номинальной тяги.

Кроме того, при работе ЖРДМТ на коротких (0,015-0,030 с) последовательных импульсах, подача компонента топлива вытесняющим дозирующим элементом исключает влияние участка выхода регулятора расхода на номинальный режим работы, на динамические характеристики двигателя.

Еще одним преимуществом заявляемой топливной магистрали можно считать уменьшение влияния гидроударов. Вытесняющий дозирующий элемент за счет упругости и гидросопротивления гасит гидроудар, что, в свою очередь, положительно влияет на работу электромагнитного клапана.

Топливная магистраль жидкостного ракетного двигателя малой тяги включает трубопровод подачи компонента топлива, последовательно установленные в трубопроводе дросселирующие устройство и клапан подачи и заклапанный объем. В качестве дросселирующего устройства использован автоматический регулятор расхода, параллельно которому установлен вытесняющий элемент с подвижным герметичным разделителем, входная полость которого сообщена с трубопроводом перед регулятором расхода, а выходная - с трубопроводом за регулятором расхода. Изобретение позволит улучшить динамические характеристики и повысить стабильность выхода на режим жидкостного ракетного двигателя малой тяги. 6 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Топливная магистраль жидкостного ракетного двигателя малой тяги, состоящая из трубопровода подачи компонента топлива с установленными в нем последовательно дросселирующим устройством, клапаном подачи и имеющая заклапанный объем, отличающаяся тем, что в качестве дросселирующего устройства применяют автоматический регулятор расхода, параллельно которому установлен вытесняющий элемент с подвижным герметичным разделителем, входная полость которого сообщена с трубопроводом перед регулятором расхода, а выходная - с трубопроводом за регулятором расхода.2. Топливная магистраль по п.1, отличающаяся тем, что вытесняющий элемент установлен во входной полости регулятора расхода, а его выходная полость сообщена непосредственно с полостью за дросселирующим элементом.3. Топливная магистраль по любому из пп.1 и 2, отличающаяся тем, что подвижный герметичный разделитель выполнен в виде сильфона.4. Топливная магистраль по любому из пп.1 и 2, отличающаяся тем, что подвижный герметичный разделитель выполнен в виде подпружиненного поршня.5. Топливная магистраль по любому из пп.1 и 2, отличающаяся тем, что подвижный герметичный разделитель выполнен в виде мембраны.6. Топливная магистраль по п.1, отличающаяся тем, что регулятор расхода установлен непосредственно в вытесняющем элементе в подвижном герметичном разделителе.7. Топливная магистраль по любому из пп.1-5, отличающаяся тем, что в качестве регуляторов расхода применяют стабилизаторы расхода прямого действия.