СИСТЕМА НАДДУВА ТОПЛИВНЫХ БАКОВ Российский патент 2008 года по МПК F02K9/50 

Изобретение относится к космической технике, а точнее к области проектирования и эксплуатации реактивных двигательных установок (РДУ) космических летательных аппаратов (КЛА).

Система наддува топливных баков горючего и окислителя двигательной установки космического летательного аппарата используется в современных РДУ КЛА, применяемых для создания импульсов тяги, необходимых как для перемещения центра масс КЛА (коррекция траектории движения, торможение КЛА для обеспечения его схода с орбиты), так и для создания управляющих моментов относительно его центра масс (ориентация, развороты и т.д.). Импульсы тяги для различных режимов управления аппаратом в пространстве создаются с помощью имеющихся на борту реактивных двигателей (РД), величины тяг которых в зависимости от их назначения изменяются в широких пределах (от нескольких сотен кГс до единиц и менее кГс). Работа указанных двигателей с заданными параметрами обеспечивается системами наддува топливных баков и подачи топлива к входам двигателей.

Известны системы наддува топливных баков горючего и окислителя двигательной установки КЛА (см., например, журнал №7 "Авиация и космонавтика", М.: Воениздат, 1978 г., стр.36, 37, рис.2). Система содержит баллоны высокого давления, сообщенные пневмомагистралями с газовыми полостями топливных баков горючего и окислителя, и установленные на пневмомагистралях пускоотсечные клапаны и газовые редукторы. В таких системах выдавливание топлива из топливных баков производят газом, например, азотом или гелием, закачанным в баллоны высокого давления на Земле перед стартом. Понижение давления до необходимого рабочего давления производят посредством газовых редукторов, имеющих значительный перепад давления, что усложняет их конструкцию и работу.

Общими недостатками аналогов системы наддува топливных баков являются низкая надежность и малая эффективность работы.

Известна также система наддува топливных баков (см., например, патент России №2143579, кл. F02К 9/50, с приоритетом от 31.08.1998 г.), выбранная в качестве прототипа, которая содержит баллоны высокого давления, связанные пневмомагистралями с газовыми полостями соответствующих топливных баков горючего и окислителя, и установленные на пневмомагистрали пускоотсечные клапаны, дроссельные устройства в виде дисков с центральным дроссельным отверстием, заключенных в корпус, а также газовые редукторы. Выдавливание топлива из топливных баков производят газом, например азотом или гелием, закачанным в баллоны высокого давления (до давления порядка 350 кгс/см²) на Земле перед стартом. Понижение давления до необходимого рабочего давления (порядка до 10 кгс/см²) производят ступенчатым способом: до 30 кгс/см² посредством дроссельного устройства с последующим понижением до рабочего давления 10 кгс/см² посредством газового редуктора. Такое понижение давления улучшает условия работы газового редуктора, но так же, как и в вышеуказанном аналоге, газ поступает в арматуру и газовые полости топливных баков со значительно пониженной температурой (в результате эффекта дросселирования), что отрицательно сказывается как на арматуре, так и на конструкции и работе топливных баков, содержащих эластичную перекладную мембрану, контактирующую с выдавливаемым топливом.

Недостатками прототипа системы наддува топливных баков так же, как и у аналогов, является низкая надежность и малая эффективность работы.

Задачей настоящего изобретения является создание такой системы наддува топливных баков, которая обладала бы возможностью повышения надежности и эффективности работы системы.

Технический результат достигается тем, что в системе наддува топливных баков, содержащей баллоны высокого давления, связанные пневмомагистралями с газовыми полостями соответствующих топливных баков горючего и окислителя, и установленные на пневмомагистралях пускоотсечные клапаны, дроссельные устройства в виде дисков с центральным дроссельным отверстием, заключенных в корпус, а также газовые редукторы, в отличие от прототипа диски выполнены за одно целое с цилиндрическими корпусами дроссельных устройств, при этом со стороны торцов корпуса установлены решетки и раструбы для плавного перехода и соединения с пневмомагистралями, причем на поверхностях каждого диска с обеих сторон выполнены локально выступающие и равные по высоте тонкостенные ребра, расположенные противоположно тонкостенным ребрам, выполненным выступающими и равными по высоте на поверхностях соответствующих решеток, при этом ребро, выполненное на поверхности диска, и соответствующее ему ребро, выполненное на решетке, лежат в одной плоскости, а между торцами ребер диска и решеток установлены с поджатием фильтрующие элементы, выполненные в виде сетки из высококачественного, коррозионно-стойкого материала, притом дроссельные устройства встроены посредством раструбов в пневмомагистрали до газовых редукторов.

За счет введения в каждое дроссельное устройство двух фильтрующих элементов, один из которых установлен на входе, а второй - на выходе, обеспечивается защита дроссельных отверстий от возможного попадания твердых частичек, например окалин и т.п., как при изготовлении, так и при эксплуатации устройств, в результате чего обеспечивается равномерное распределение потока газа по поверхности фильтрующих элементов, кроме того, исключаются местные прогибы фильтрующих элементов под напором потока газа и сохраняется их целостность, а также уменьшается износ. При этом соединение дроссельного устройства посредством раструбов с пневмомагистралью до газовых редукторов, а также взаимная связь всех составных элементов устройства системы обеспечивает повышение надежности и эффективности ее работы, что подтверждено испытаниями опытных образцов, изготовленных с использованием предлагаемого технического решения.

Использование предлагаемой системы наддува топливных баков, например, на грузовом космическом корабле типа "Прогресс" позволит дать значительный экономический эффект за счет повышения надежности и эффективности работы системы.

Сущность изобретения поясняется фиг.1 и фиг.2, где на фиг.1 дана принципиальная схема системы наддува топливных баков, а на фиг.2 - продольный разрез дроссельного устройства, встроенного в пневмомагистраль системы наддува топливных баков.

Система наддува топливных баков состоит из следующих основных узлов и агрегатов: баллонов высокого давления 1, 2, связанных пневмомагистралями 3, 4 с газовыми полостями 5, 6 соответствующих топливных баков горючего 7 и окислителя 8, и установленных на пневмомагистралях 3, 4 пускоотсечных клапанов 9, 10, дроссельных устройств 11, 12 и газовых редукторов 13, 14. Каждое дроссельное устройство 11, 12 выполнено в виде диска 15 с центральным дроссельным отверстием 16, заключенным в корпус 17. Диск 15 выполнен за одно целое с цилиндрическим корпусом 17, при этом со стороны торцов установлены решетки 18, 19 и раструбы 20, 21 для плавного перехода и соединения с пневмомагистралями 3, 4. На поверхностях диска 15 с обеих сторон выполнены локально выступающие и равные по высоте тонкостенные ребра 22, расположенные напротив тонкостенных ребер 23, выполненных выступающими и равными по высоте на поверхностях решеток 18, 19. Между торцами ребер 22 и 23 диска 15 и решеток 18, 19 установлены с поджатием фильтрующие элементы 24, 25, выполненные в виде сетки из высокопрочного коррозионно-стойкого материала, например сетки из нержавеющей стали или титана с размером ячейки порядка 10 микрон. Дроссельные устройства 11, 12 встроены посредством раструбов 20, 21 в пневмомагистрали 3, 4 до газовых редукторов 13, 14. Для подогрева газа, например азота или гелия, значительно охлажденного после дросселирования, в систему наддува введен подогреватель 26. Потребителем топлива (горючего и окислителя) является, например, РД КЛА 27. Подогреватель 26 имеет два автономных контура 28, 29, включенных в соответствующие пневмомагистрали 3, 4, и обогревается от бортовой системы терморегулирования 30, подключенной к подогревателю 26.

Работает система наддува топливных баков следующим образом. Для выдавливания и подачи топлива к потребителю, например к РД КЛА 27, из топливных баков горючего 7 и окислителя 8 открывают пускоотсечные клапаны 9, 10 и газ, например гелий из баллонов высокого давления 1, 2 (с давлением порядка 350 кгс/см²), проходит через дроссельные устройства 11, 12, где в процессе дросселирования наряду с понижением давления (до ˜350 кгс/см²) значительно понижается температура газа. Далее газ поступает в газовые редукторы 13, 14, вторично понижающие давление газа до заданного 10 кгс/см² и необходимого для выдавливания топлива из топливных баков 7, 8 и подачи его к РД КЛА 27. Перед входом в газовые полости 5, 6 топливных баков 7, 8 газ пропускают через подогреватель 26, обеспечивающий подогрев газа до заданной и необходимой рабочей температуры, сохраняющей тепловой баланс в топливных баках 7, 8. Каждое дроссельное устройство снабжено двумя фильтрующими элементами 24, 25, установленными на входе и выходе из дроссельного отверстия 16 для защиты последнего от возможных попаданий твердых частичек, например окалин и т.п., как при изготовлении, так и при эксплуатации устройств. Кроме того, в процессе прохождения газа фильтрующий элемент 24 рассекает поток газа на входе в дроссельное отверстие и фильтрующий элемент 25 - на входе в газовый редуктор 13 (14), преобразуя поток газа в более мягкое - ламинарное течение, что позволяет исключить резкие скачки и удары и повысить надежность работы указанной арматуры. Выполнение на поверхностях диска 15 и решеток 18, 19 локально (местными прерывистыми с обеспечением зазора между соседними ребрами) выступающих и равных по высоте тонкостенных ребер 22 и 23 и установка с поджатием между последними фильтрующих элементов 24, 25 создает равномерное двухстороннее поджатие (закрепление) фильтрующих элементов 24, 25, что обеспечивает равномерное распределение потока газа по поверхности фильтрующих элементов и рассекание его при прохождении потока через микроотверстия фильтрующих элементов 24, 25. Кроме того, исключаются местные прогибы фильтрующих элементов (сеток) под напором потока газа, сохраняя их целостность и уменьшая износ. Таким образом, данная система наддува топливных баков горючего 7 и окислителя 8 со встроенными посредством раструбов 20, 21 в пневмомагистрали 3, 4 до газовых редукторов 13, 14 дроссельных устройств 11, 12, конструктивно выполненных согласно предлагаемому техническому решению, обеспечивает повышение надежности и эффективности работы системы, что, в свою очередь, выполняет поставленную задачу.

Изобретение относится к космической технике, а точнее к области проектирования и эксплуатации реактивных двигательных установок (РДУ) космических летательных аппаратов (КЛА). В системе наддува топливных баков, содержащей баллоны высокого давления, связанные пневмомагистралями с газовыми полостями соответствующих топливных баков горючего и окислителя, и установленные на пневмомагистралях пускоотсечные клапаны, дроссельные устройства в виде дисков с центральным дроссельным отверстием, заключенных в корпус, а также газовые редукторы, в отличие от прототипа диски выполнены за одно целое с цилиндрическими корпусами дроссельных устройств, при этом со стороны торцов корпуса установлены решетки и раструбы для плавного перехода и соединения с пневмомагистралями, причем на поверхностях каждого диска с обеих сторон выполнены локально выступающие и равные по высоте тонкостенные ребра, расположенные противоположно тонкостенным ребрам, выполненным выступающими и равными по высоте на поверхностях соответствующих решеток, при этом ребро, выполненное на поверхности диска и соответствующее ему ребро, выполненное на решетке, лежат в одной плоскости, а между торцами ребер диска и решеток установлены с поджатием фильтрующие элементы, выполненные в виде сетки из высококачественного, коррозионно-стойкого материала, притом дроссельные устройства встроены посредством раструбов в пневмомагистрали до газовых редукторов. Изобретение обеспечивает повышение надежности и эффективности работы системы. 2 ил.

Система наддува топливных баков, содержащая баллоны высокого давления, связанные пневмомагистралями с газовыми полостями соответствующих топливных баков горючего и окислителя, и установленные на пневмомагистралях пускоотсечные клапаны, дроссельные устройства в виде дисков с центральным дроссельным отверстием, заключенных в корпус, а также газовые редукторы, отличающаяся тем, что диски выполнены за одно целое с цилиндрическими корпусами дроссельных устройств, при этом со стороны торцов корпуса установлены решетки и раструбы для плавного перехода и соединения с пневмомагистралями, причем на поверхностях каждого диска с обеих сторон выполнены локально выступающие и равные по высоте тонкостенные ребра, расположенные противоположно тонкостенным ребрам, выполненным выступающими и равными по высоте на поверхностях соответствующих решеток, а между торцами ребер диска и решеток установлены с поджатием фильтрующие элементы, выполненные в виде сетки из высокопрочного, коррозионно-стойкого материала, при этом дроссельные устройства встроены посредством раструбов в пневмомагистрали до газовых редукторов.