СПОСОБ ТЕРМОСТАТИРОВАНИЯ ПРИБОРНОГО ОТСЕКА РАЗГОННОГО БЛОКА КОСМИЧЕСКОЙ ГОЛОВНОЙ ЧАСТИ РАКЕТЫ-НОСИТЕЛЯ И БОРТОВАЯ СИСТЕМА ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ Российский патент 2006 года по МПК B64G1/50 F24F5/00 F24F13/06 

Изобретение относится к ракетно-космической технике, а именно к бортовой системе термостатирования (БСТ) объектов космической головной части (КГЧ) ракеты-носителя (РН), состоящей из последовательно соединенных и газодинамически взаимосвязанных блока полезного груза (БПГ) и разгонного блока (РБ), разделенных перегородкой, с размещенными в них соответственно полезным грузом (ПГ) и приборным отсеком (ПО). Предназначено для термостатирования ПО РБ КГЧ в период предстартовой подготовки РН.

Известен способ термостатирования объектов, например приборов системы управления, размещаемых в отсеке головного блока (ГБ) РН, включающий вдув гермостатирующей среды (ТС) в ГБ, ее перетекание по длине ГБ с последующим истечением из него, при котором обеспечивают допустимую эксплуатационную температуру объектов в период предстартовой подготовки [1].

Недостаток этого технического решения - не обеспечивают упорядоченное течение ТС в отсеке ГБ. Кроме того, вдув ТС в ГБ осуществляют с температурой и расходом ТС на входе в отсек, соответствующими температуре в наиболее теплонапряженных точках объекта термостатирования (ОТ) [2], что приводит к неоптимальным эксплуатационным температурам нагрева объектов.

К тому же исключается использование способа для термостатирования ПО КГЧ, состоящей из системы газодинамически взаимосвязанных БПГ и РБ, поскольку не учитывают влияние нагретой в процессе работы приборов ПГ в БПГ ТС на тепловое нагружение ПО в РБ.

Известен способ термостатирования ПО КГЧ РН, состоящей из последовательно соединенных БПГ и РБ, разделенных перегородкой, с размещенными в них соответственно ПГ и ПО тороидальной формы, включающий вдув ТС в БПГ и одновременно в РБ, перетекание ТС по длине БПГ и РБ с последующим истечением из РБ [3].

При этом вдув ТС в БПГ и РБ и перетекание ТС из БПГ в РБ осуществляют в осевом направлении. Причем вдув ТС в БПГ и РБ осуществляют с расходом и температурой, также как и в аналоге, соответствующими температуре в наиболее теплонапряженных точках ПГ и ПО [2].

Приведенное техническое решение разработано по теме "Морской старт" и обеспечивает эксплуатационные тепловые режимы ПГ и ПО в период предстартовой подготовки КГЧ.

Техническое решение [3] принято авторами за прототип способа.

Недостаток этого технического решения заключается в том, что вдув ТС в БПГ и РБ и перетекание ее из БПГ в РБ осуществляют в параллельном оси симметрии КГЧ направлении, что приводит к излишнему тепловому нагружению ПО, перетекаемой в РБ из БПГ ТС в процессе работы приборов ПГ в БПГ, и также не обеспечивает оптимальные эксплуатационные температуры нагрева объектов вследствие вдува ТС в БПГ и РБ с расходом и температурой, соответствующими температуре в наиболее теплонапряженных точках ПГ и ПО.

Известно устройство для термостатирования объектов, размещенных в отсеке ГБ, содержащее отверстие вдува ТС, выполненное в оболочке ГБ и сообщенное магистралью питания ТС с воздушной системой обеспечения теплового режима (ВСОТР) объектов, обеспечивающей заданные параметры вдува на входе в отсек ГБ, а также отверстия истечения ТС, выполненные в оболочке отсека ГБ [4].

Недостатком этого технического решения является несовершенство конструкции устройства, обусловленное отсутствием устройства вдува (УВ), что приводит к неупорядоченному перетеканию ТС в отсеке ГБ, и как следствие, - к низкой эффективности охлаждения объектов.

Наиболее близким аналогом является воздушная БСТ КГЧ, состоящей из последовательно соединенных БПГ и РБ, разделенных перегородкой, с размещенными в них ПГ и ПО тороидальной формы [3].

Согласно этому техническому решению, БСТ содержит отверстия вдува ТС с клапанами, выполненные в оболочках БПГ и РБ, отверстия перетекания ТС с клапанами, выполненные в разделительной перегородке, отверстия истечения ТС с клапанами, выполненные в оболочке РБ.

Клапаны отверстий - одностороннего действия и выполнены в виде подпружиненных крышек. БСТ содержит также УВ ТС, размещенное в БПГ и выполненное в виде распылителя, и в РБ, выполненное в виде раздаточного коллектора. Коллектор соединен магистралью подвода ТС с отверстием вдува ТС в РБ и в нем выполнены отверстия истечения ТС, обеспечивающие обтекание ПО в осевом направлении [3].

Техническое решение [3] разработано по теме «Морской старт», по сравнению с аналогом обеспечивает эксплуатационные тепловые режимы ПГ и ПО в период предстартовой подготовки КГЧ и принято авторами за прототип устройства.

Недостаток этого технического решения - существенный вес конструкции УВ за счет распылителя, раздаточного коллектора и магистралей подвода ТС к распылителю и коллектору, предназначенных для охлаждения ПГ и ПО, размещенных в БПГ и РБ, что приводит к потере в массе ПГ, выводимого РН на орбиту искусственного спутника Земли (ОИСЗ).

Задачей изобретения является создание БСТ с улучшенными эксплуатационными характеристиками для КГЧ РН, состоящей из последовательно соединенных и газодинамически взаимосвязанных БПГ и РБ, разделенных перегородкой, с размещенными в них ПГ и ПО тороидальной формы, обеспечивающей требуемые для охлаждения ПО эксплуатационные тепловые режимы ПО в период предстартовой подготовки КГЧ, в условиях нагрева ПО от внутреннего (работа приборов ПО) и внешнего (работа приборов ПГ) источников нагрева.

Техническим результатом изобретения является уменьшение веса конструкции БСТ КГЧ РН за счет исключения в РБ раздаточного коллектора и магистрали подвода ТС к нему при улучшении теплообмена на поверхности ПО РБ в период предстартовой подготовки КГЧ.

Задача решается за счет того, что в способе термостатирования ПО РБ КГЧ РН, состоящей из последовательно соединенных и газодинамически взаимосвязанных БПГ и РБ, разделенных перегородкой, с размещенными в них ПГ и ПО тороидальной формы, включающем вдув ТС в БПГ и одновременно в РБ, ее перетекание по их длине и из БПГ в РБ с последующим истечением из по крайней мере РБ, при которых обеспечивают тепловой режим функционирования ПО, согласно изобретению, вдув ТС в РБ осуществляют со стороны его боковой поверхности так, что вектор скорости вдуваемой ТС направлен в сторону ПО под углом к плоскости поперечного сечения РБ и со смещением относительно оси симметрии РБ, обеспечивая закрутку вдуваемой ТС относительно оси РБ, а перетекание ТС из БПГ в РБ осуществляют в окружном относительно оси симметрии РБ направлении, одинаковом с направлением закрутки вдуваемой в РБ ТС, причем при упомянутых вдуве и перетекании с ПО снимают количество тепла большее или равное количеству тепла, выделяемого в процессе эксплуатации ПО в период предстартовой подготовки КГЧ.

Задача решается также за счет того, что в бортовой системе термостатирования ПО РБ КГЧ РН, состоящей из последовательно соединенных и газодинамически взаимосвязанных БПГ и РБ, разделенных перегородкой, с размещенными в них ПГ и ПО тороидальной формы, содержащей отверстия вдува ТС в оболочках БПГ и РБ, отверстия перетекания ТС, расположенные по кольцу в разделительной перегородке, устройства вдува ТС в БПГ и РБ, отверстия истечения ТС, выполненные, по крайней мере, в оболочке РБ, клапаны одностороннего действия отверстий, шарнирно установленные в оболочках БПГ, РБ и разделительной перегородке, согласно изобретению, устройство вдува ТС в РБ выполнено в виде дозвукового диффузора с изогнутой осью и установлено в зазоре между ПО и оболочкой РБ, его входное отверстие сообщено с отверстием вдува в оболочке РБ, а выходное отверстие расположено таким образом, что касательная к оси диффузора в его выходном сечении направлена под углом к плоскости поперечного сечения РБ в сторону ПО и со смещением относительно оси симметрии РБ, при этом шарниры клапанов отверстий перетекания разделительной перегородки закреплены к перегородке так, что проекции их осей поворота на плоскость поперечного сечения РБ совпадают с радиальными к оси симметрии РБ направлениями и обеспечивается возможность перетекания ТС из БПГ в РБ в окружном относительно оси симметрии РБ направлении, одинаковом с направлением закрутки вдуваемой в РБ ТС.

Сущность изобретения иллюстрируется схемами и графиками, поясняющими работу БСТ КГЧ РН.

На фиг.1 приведены основные элементы БСТ КГЧ с размещенными в КГЧ ПГ (условно показан в габаритах) и ПО тороидальной формы. Здесь же показано направление течения перетекаемой из БПГ в РБ ТС.

На фиг.2 показан фрагмент ПО РБ с диффузором.

На фиг.3 показана схема расположения диффузора относительно ПО, а также направление вектора скорости V вдуваемой в РБ ТС в выходном сечении диффузора.

На этих фигурах:

1 - блок полезного груза (БПГ);

2 - разгонный блок (РБ);

3 - перегородка;

4 - оболочка БПГ;

5 - оболочка РБ;

6 - полезный груз (ПГ);

7 - приборный отсек (ПО);

8, 9 - отверстия вдува;

10, 11 - клапаны отверстия вдува;

12 - отверстия перетекания;

13 - клапаны отверстий перетекания;

14, 15 - устройства вдува (УВ);

16 - отверстия истечения;

17 - клапаны отверстий истечения;

18 - входное отверстие диффузора;

19 - выходное отверстие диффузора;

20, 21 - магистрали питания ТС;

22 - агрегаты двигательной установки.

23 - шарниры;

24 - теплозащита;

25 - приборы;

26 - касательная к оси диффузора в его выходном сечении.

На фиг.4 по сравнению с исходным вариантом (прототипом) приведены зависимости относительного количества тепла (далее - количества тепла) q, снимаемого с поверхности ПО от температуры Т_по поверхности ПО при работе БСТ,

где

q₁ - для данного технического решения;

q₂ - для прототипа (вариант с коллектором).

БСТ КГЧ (фиг.1, 2), состоящая из последовательно соединенных БПГ 1 и РБ 2, разделенных перегородкой 3, и размещенными в них соответственно ПГ 6 и ПО 7 тороидальной формы с теплозащитой 24 и приборами 25 системы управления РБ 2, содержит отверстия вдува 8, 9 ТС, выполненные в оболочке БПГ 4 и оболочке РБ 5, отверстия истечения 16 ТС, выполненные в оболочке РБ 5. Отверстия вдува 8, 9 снабжены клапанами отверстий вдува 10, 11, отверстия истечения 16 - клапанами отверстий истечения 17. Клапаны отверстий вдува 10, 11 и клапаны отверстий истечения 17 - одностороннего действия и выполнены в виде подпружиненных крышек, шарнирно соединенных соответственно с оболочкой БПГ 4 и оболочкой РБ 5. БСТ содержит также УВ 14 в БПГ 1 и УВ 15 в РБ 2.

УВ 15 в РБ 2 выполнено в виде дозвукового диффузора с изогнутой осью и установлено в зазоре между ПО 7 и оболочкой РБ 5. Входное отверстие диффузора 18 сообщено с отверстием вдува 9 оболочки РБ 5. Выходное отверстие диффузора 19 расположено таким образом, что касательная к оси диффузора в его выходном сечении 26 направлена под углом α к поперечной плоскости РБ в сторону ПО 7 и со смещением относительно оси симметрии (фиг.3).

Выполнение диффузора с изогнутой осью и его размещение в зазоре между ПО 7 и оболочкой РБ 5 приводит к уменьшению веса конструкции УВ 15 за счет исключения коллектора и магистрали подвода ТС к нему по сравнению с прототипом.

Выбор формы УВ 15 в виде дозвукового диффузора с расширяющимся каналом позволяет уменьшить скорости ТС в выходном отверстии диффузора 19 до величин, при которых нагрузки на элементы теплозащиты 24 ПО 7 не превышают полетных.

БСТ содержит также отверстия перетекания 12 с клапанами отверстий перетекания 13, закрепленными к разделительной перегородке 3. Клапаны отверстий перетекания 13 - одностороннего действия, выполнены в виде подпружиненных крышек, установлены симметрично относительно вертикальной плоскости, проходящей через ось симметрии КГЧ и закреплены к перегородке 3 посредством шарниров 23.

Шарниры 23 клапанов отверстий перетекания 13 закреплены к перегородке 3 так, что проекции их осей поворота на поперечную плоскость совпадают с радиальными к оси симметрии КГЧ направлениями, что обеспечивает возможность углового поворота клапанов относительно перегородки 3 в окружном к оси симметрии КГЧ направлении (фиг.1, вид по стрелке А).

Тем самым клапаны в рабочем положении обеспечивают перетекание ТС, нагретой приборами ПГ 6, из БПГ 1 в РБ 2 в окружном относительно оси симметрии РБ направлении, одинаковым с направлением перетекания ТС, реализуемым вдувом ТС в РБ 2.

Таким образом, за счет исключения раздаточного коллектора и магистрали подвода ТС к коллектору (прототип) в РБ 2 уменьшают вес конструкции БСТ.

Термостатирование ПО 7 осуществляют следующим образом.

В течение времени предстартовой подготовки КГЧ РН, при котором осуществляют проверку работы аппаратуры ПГ 6 и ПО 7 РБ, происходит нагрев этих объектов. Для обеспечения допустимого нагрева объектов реализуют вдув ТС с эксплуатационными расходами через отверстия вдува 8 и 9 ТС в БПГ 1 и РБ 2. При этом предварительно открывают подпружиненные клапаны отверстий вдува 10 и 11 и сообщают отверстия вдува 8 и 9 с магистралями питания 20, 21 ТС системы ВСОТР.

Через зазоры в БПГ 1 ТС перетекает к отверстиям перетекания 12 разделительной перегородки 3 с клапанами отверстий перетекания 13. Под действием перепада давлений в БПГ 1 и РБ 2 ТС, нагретая в процессе работы приборов ПГ 6 в БПГ 1, перетекает в РБ 2 и изменяет направление течения в нем.

Для реализации поставленной задачи вдув ТС в РБ 2 осуществляют со стороны боковой поверхности РБ 2 с вектором скорости V вдуваемой ТС, направленным под заданным углом α к поперечной плоскости КГЧ и со смещением его относительно оси симметрии РБ (фиг.3).

Тем самым осуществляют закрутку вдуваемой в РБ 2 ТС относительно оси КГЧ с составляющими вектора скорости вдуваемой ТС V_x, V_y, V_z, направленными соответственно в радиальном (к оси РБ), аксиальном (в канале между ПО и оболочкой РБ) и тангенциальном (к оболочке РБ) направлениях, необходимых для обеспечения закрутки [5] ТС в РБ 2.

Перетекание ТС из БПГ 1 в РБ 2 через перегородку 3 реализуют в окружном относительно оси РБ 2 направлении (в отличие от осевого направления течения ТС в прототипе), осуществляя закрутку перетекаемой из БПГ 1 в РБ 2 ТС относительно оси РБ 2 в окружном направлении, одинаковым с направлением закрутки вдуваемой в РБ 2 ТС. Тем самым оттесняют ТС, перетекаемую в РБ 2 из БПГ 1 и нагретую приборами ПГ 6, в периферийном направлении.

При этом основная масса ТС, вдуваемая УВ 15, с реализацией закрученного в РБ 2 течения охлаждает торовую поверхность ПО 7, нагретую в процессе работы его приборов 25, оттесняя более вялую, потерявшую часть кинетической энергии и нагретую приборами ПГ 6 в БПГ 1 ТС в направлении перетекаемой в РБ 2 ТС, частично перемешивается с ней и через зазоры с оболочкой РБ 2 и агрегатами двигательной установки 22 перетекает к отверстиям истечения 16 в оболочке РБ 5, выполненными вблизи основания РБ 2, через которые вытекает в атмосферу, преодолевая сопротивление подпружиненных клапанов отверстий истечения 17.

Перед стартом РН термостатирование ПГ 6 и ПО 7 КГЧ прекращают. Магистрали питания ТС 20, 21 отводят. Подпружиненные клапаны отверстий вдува 10 и 11 и клапаны отверстий истечения 17 перекрывают отверстия вдува 8, 9 и отверстия истечения 16. Отверстия перетекания 12 разделительной перегородки 3 с клапанами отверстий перетекания 13 начинают работать в режиме обеспечения эксплуатационных в замкнутых объемах КГЧ давлений на активном участке.

Критерием эффективности термостатирования ПО 7 является количество тепла q, снимаемого с поверхности ПО 7, от температуры его поверхности Т_по по сравнению с количеством тепла q_вн, выделяемого в процессе работы его приборов: q≥q_вн (фиг.4).

Количество тепла q, снимаемого с поверхности ПО 7, может быть определено с использованием известной методики, с точностью до размерного коэффициента [6], учитывающей разность температур поверхности твердого тела и окружающей среды, по формуле

q=K·K₁·V^0,5·(Т_от-T)·S,

где q - количество тепла, снимаемого с объектов при обтекании ТС;

V - осредненная скорость ТС вблизи поверхности объекта;

Т - осредненная температура ТС вблизи поверхности объекта;

Т_от - температура поверхности объекта;

S - площадь поверхности объекта;

К - размерный коэффициент;

К₁ - коэффициент теплового сопротивления теплоизоляции объекта.

V и Т определяют по результатам математического моделирования обтекания ПО 7 при заданном угле α.

Количество тепла, выделяемого в процессе работы приборов объекта q_вн, определяют по известному из паспортных данных потреблению электроэнергии приборами 25, размещенными в ПО 7.

Из фиг.4 следует, что при заданном q_вн обеспечивается более интенсивное охлаждение поверхности ПО 7 по сравнению с прототипом (T_по1<Т_по2).

Таким образом, улучшают теплообмен на поверхности ПО 7, осуществляя его более интенсивное охлаждение, что приводит, наряду с уменьшением веса конструкции БСТ, к выполнению поставленной задачи - созданию БСТ КГЧ РН с улучшенными эксплуатационными характеристиками.

Проведенный анализ термостатирования объектов КГЧ показал, что при вдуве ТС в БПГ 1 и РБ 2 со штатными расходами и температурой ТС на входе в БПГ 1 и РБ 2, одинаковыми с прототипом, с вектором скорости V, направленным под углом α к поперечной плоскости КГЧ, равным 15°, обеспечивается эксплуатационная температура нагрева ПО 7 Т_по.<20° в режиме всего периода (5÷10 час.) предстартовой подготовки КГЧ. При этом за счет исключения магистрали подвода и раздаточного коллектора ТС в РБ обеспечивается увеличение веса ПГ, выводимого РН на ОИСЗ, на ˜23 кг.

В настоящее время техническое предложение прорабатывается для реализации на КГЧ по теме "Морской старт".

Литература

1. "Космодром", под ред. проф. А.П.Вольского, ВИ МО СССР, М., 1977, стр.210-212.

2. Там же, стр.204.

3. Руководство пользователя, SEA LAVNCH, March 26, 1966, Д688-10009-1, стр.5-2, 5-3, фиг.5.2.3-1.

4. "Космодром", под ред. проф. А.П.Вольского, ВИ МО СССР, М., 1977 - стр.211, рис.6.2.

5. А.Гупта и др. Закрученные потоки. Под ред. д-ра тех. наук С.Ю.Крашенинникова, М.: Мир. 1987, Стр.24.

6. "Основы теплопередачи в авиационной и ракетно-космической технике", под ред. проф. В.К.Кошкина, М.: Машиностроение, 1975, стр.28.

Изобретения относятся к способам и средствам термостатирования приборных отсеков ракет-носителей. Согласно предлагаемому способу, вдув термостатирующей среды в блок полезного груза и в разгонный блок осуществляют одновременно. При этом вдув термостатирующей среды в разгонный блок осуществляют со стороны его боковой поверхности под углом к плоскости его поперечного сечения и со смещением относительно его оси симметрии, благодаря чему обеспечивают закрутку вдуваемой термостатирующей среды относительно упомянутой оси. Перетекание термостатирующей среды из блока полезного груза в разгонный блок осуществляют в направлении, одинаковом с направлением закрутки вдуваемой в разгонный блок термостатирующей среды. Предлагаемая система содержит отверстия вдува, перетекания и истечения термостатирующей среды с шарнирно установленными в них клапанами одностороннего действия и устройства вдува термостатирующей среды. Устройство вдува термостатирующей среды в разгонный блок выполнено в виде дозвукового диффузора с изогнутой осью и установлено в зазоре между приборным отсеком и оболочкой разгонного блока. Входное отверстие диффузора сообщено с отверстием вдува в оболочке разгонного блока, а выходное расположено таким образом, что касательная к оси диффузора в его выходном сечении направлена под углом к плоскости поперечного сечения разгонного блока и со смещением относительно его оси симметрии. Шарниры клапанов отверстий перетекания перегородки, разделяющей блок полезного груза и разгонный блок, закреплены к ней так, что проекции их осей поворота на плоскость поперечного сечения разгонного блока совпадают с радиальными к его оси симметрии направлениями. Изобретения позволяют улучшить теплообмен на поверхности приборного отсека и уменьшить вес конструкции бортовой системы термостатирования. 2 н.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ термостатирования приборного отсека разгонного блока космической головной части ракеты-носителя, состоящей из последовательно соединенных и газодинамически взаимосвязанных блока полезного груза и разгонного блока, разделенных перегородкой, с размещенными в них полезным грузом и приборным отсеком тороидальной формы, включающий вдув термостатирующей среды в блок полезного груза и одновременно в разгонный блок, ее перетекание по их длине и из блока полезного груза в разгонный блок с последующим истечением, по крайней мере, из разгонного блока, при которых обеспечивают тепловой режим функционирования приборного отсека, отличающийся тем, что вдув термостатирующей среды в разгонный блок осуществляют со стороны его боковой поверхности так, что вектор скорости вдуваемой термостатирующей среды направлен в сторону приборного отсека под углом к плоскости поперечного сечения разгонного блока и со смещением относительно оси симметрии разгонного блока, обеспечивая закрутку вдуваемой термостатирующей среды относительно оси симметрии разгонного блока, а перетекание термостатирующей среды из блока полезного груза в разгонный блок осуществляют в окружном относительно оси симметрии разгонного блока направлении, одинаковом с направлением закрутки вдуваемой в разгонный блок термостатирующей среды, причем при упомянутых вдуве и перетекании с приборного отсека снимают количество тепла, большее или равное количеству тепла, выделяемого в процессе эксплуатации приборного отсека в период предстартовой подготовки космической головной части.2. Бортовая система термостатирования приборного отсека разгонного блока космической головной части ракеты-носителя, состоящей из последовательно соединенных и газодинамически взаимосвязанных блока полезного груза и разгонного блока, разделенных перегородкой, с размещенными в них полезным грузом и приборным отсеком тороидальной формы, содержащая отверстия вдува термостатирующей среды в оболочках блока полезного груза и разгонного блока, отверстия перетекания термостатирующей среды, расположенные по кольцу в разделительной перегородке, устройства вдува термостатирующей среды в блок полезного груза и разгонный блок, отверстия истечения термостатирующей среды, выполненные, по крайней мере, в оболочке разгонного блока, клапаны одностороннего действия отверстий, шарнирно установленные в оболочках блока полезного груза, разгонного блока и разделительной перегородке, отличающаяся тем, что устройство вдува термостатирующей среды в разгонный блок выполнено в виде дозвукового диффузора с изогнутой осью и установлено в зазоре между приборным отсеком и оболочкой разгонного блока, его входное отверстие сообщено с отверстием вдува в оболочке разгонного блока, а выходное отверстие расположено таким образом, что касательная к оси диффузора в его выходном сечении направлена в сторону приборного отсека под углом к плоскости поперечного сечения разгонного блока и со смещением относительно оси симметрии разгонного блока, при этом шарниры клапанов отверстий перетекания разделительной перегородки закреплены к перегородке так, что проекции их осей поворота на плоскость поперечного сечения разгонного блока совпадают с радиальными к оси симметрии разгонного блока направлениями и обеспечивается возможность перетекания термостатирующей среды из блока полезного груза в разгонный блок в окружном относительно оси симметрии разгонного блока направлении, одинаковом с направлением закрутки вдуваемой в разгонный блок термостатирующей среды.