КОСМИЧЕСКАЯ ГОЛОВНАЯ ЧАСТЬ РАКЕТЫ-НОСИТЕЛЯ Российский патент 2009 года по МПК B64G1/58 

Изобретение относится к ракетно-космической технике и может быть использовано при проектировании и создании космической головной части (КГЧ) в составе с космическим аппаратом (КА), снабженным экранно-вакуумной тепловой изоляцией (ЭВТИ) и выводимым ракетой-носителем (РН) в космическое пространство.

Изобретение предназначено для защиты обтекателя КГЧ, корпуса КА, его элементов, систем и агрегатов, размещенных в КА, от аэродинамического и теплового воздействия окружающей среды.

Известны и широко применяются в ракетостроении устройства для защиты топливной емкости с криогенным топливом и ее трубопроводов, содержащие защитную оболочку от воздействия окружающей среды [1], [2]. На поверхности топливных емкостей для уменьшения потерь из-за испарения криогенного топлива устанавливают ЭВТИ [3].

ЭВТИ, обладая высокими теплоизоляционными свойствами, представляет собой пакет, состоящий из последовательно расположенных межслойных экранов с минимальной степенью черноты, термически изолированных друг от друга разделительными прокладками. Отражательные экраны ограничивают большую часть притока тепла за счет излучения, а разделительные прокладки уменьшают теплопроводность между соседними экранами.

Эффективность такой изоляции, кроме свойств материалов экранов и прокладок, определяется величиной давления в теплоизоляционном слое, а также технологией ее изготовления и монтажа на элементы (топливные баки, космические аппараты) ракетно-космической системы (РКС). Причем для штатного функционирования ЭВТИ требуется создание глубокого вакуума (до 10^-4 мм рт.ст.), так как при его уменьшении резко возрастает коэффициент теплопроводности [4].

По техническому решению [1] ЭВТИ устанавливают на топливную емкость с криогенным топливом, предназначенную для длительного хранения криогенного топлива и его заправки в баки РН. При этом топливная емкость с ЭВТИ заключена в кожух (тепловую оболочку), установленный с зазором с топливным баком, образующим замкнутую герметичную теплоизоляционную полость между топливной емкостью и кожухом. Для вакуумирования этой полости до заданного остаточного давления предусмотрена соответствующая вакуумная оснастка и контроль давления в полости, что существенно усложняет конструкцию этого устройства, функционально предназначенного для эксплуатации его в наземных условиях.

По техническому решению [2] ЭВТИ устанавливают на топливную магистраль, также заключенную в кожух с образованием теплоизоляционной полости, вакуумированной до заданного остаточного давления и также предназначенной для эксплуатации магистрали в наземных условиях.

Известна также и широко применяется в ракетостроении КГЧ РН, содержащая сбрасываемый обтекатель, КА, выполненный в виде космического корабля (КК). КК выполняют в транспортно-грузовом ("Прогресс") [5] и пилотируемом ("Союз") [6] вариантах.

Обтекатель КГЧ предназначен для защиты КК "Союз" и КК "Прогресс" от силового и теплового воздействия аэродинамического потока.

КК "Союз" и "Прогресс" состоят из системы взаимосвязанных отсеков каркасной и ферменной конструкции, на поверхности которых установлена ЭВТИ, предназначенная для тепловой защиты оболочки отсеков, систем и агрегатов КК от теплового воздействия аэродинамического потока на активном участке полета РН, а также при функционировании КК в автономном полете в условиях длительного пребывания в космическом пространстве.

К недостаткам этих технических решений следует отнести повышенные аэродинамические нагрузки, действующие на ЭВТИ КК, и возможность ее повреждения в процессе вывода КК в космическое пространство. Как показал визуальный осмотр поверхности КК "Союз" в космическом пространстве, ЭВТИ имеет локальные "вздутия" и даже отслоение ее отдельных элементов. Тем самым понижается надежность эксплуатации ЭВТИ и, следовательно, систем и агрегатов, размещаемых в отсеках КК.

Техническое решение [6] наиболее близко к предлагаемому и принято авторами за прототип.

Задачей изобретения является обеспечение конструктивной прочности обтекателя КГЧ и ЭВТИ КА, выводимого РН в космическое пространство, в составе КГЧ.

Задача решается таким образом, что в КГЧ РН, содержащей обтекатель, КА, состоящий из отсеков, по крайней мере одного, на поверхности которых установлена ЭВТИ, согласно изобретению в нее введено устройство обеспечения прочностных и теплофизических характеристик экранно-вакуумной тепловой изоляции в виде сквозных дренажных отверстий, равномерно расположенных по поверхности упомянутой изоляции, сообщающих межслойные объемы газовой среды этой изоляции и под изоляцией с объемом газовой среды под обтекателем, при этом над дренажными отверстиями с зазорами относительно изоляции установлены отражательные экраны, а в обтекателе выполнены дренажные отверстия, по крайней мере одно, с заданной суммарной эффективной площадью, сообщающие объем газовой среды под обтекателем с атмосферой, причем заданные суммарные эффективные площади дренажных отверстий изоляции, зазоров между отражательными экранами и изоляцией и дренажных отверстий обтекателя определяются из соотношений

где

S, S₁, S₂ [см²] - суммарная площадь дренажных отверстий изоляции, зазоров между отражательными экранами и изоляцией и дренажных отверстий обтекателя соответственно;

µ, µ₁, µ₂ - коэффициент расхода дренажных отверстий изоляции, зазоров между отражательными экранами и изоляцией и дренажных отверстий обтекателя соответственно;

V, [м³] - суммарный объем газовой среды в изоляции и под изоляцией;

V₂, [м³] - суммарный объем газовой среды под обтекателем;

ΔР, [кгс/см²] - максимальный по траектории полета РН перепад давлений газовой среды, действующей на изоляцию;

ΔР₂, [кгс/см²] - максимальный по траектории полета РН перепад давлений газовой среды, действующей на обтекатель;

а, в - зависящие от параметров траектории полета РН коэффициенты, аппроксимирующие кривые зависимости эффективной площади дренажных отверстий изоляции и обтекателя от максимального по траектории полета перепада давлений, действующего на изоляцию и обтекатель.

Техническими результатами изобретения являются:

- уменьшение перепадов давлений, действующих на элементы ЭВТИ КА за счет сквозных дренажных отверстий, выполненных в ЭВТИ;

- обеспечение теплофизических характеристик ЭВТИ со сквозными дренажными отверстиями за счет отражательных от лучевых тепловых потоков экранов, установленных над сквозными дренажными отверстиями ЭВТИ;

- обеспечение допустимых перепадов давлений, действующих на обтекатель КГЧ, в составе с КА, снабженным устройством обеспечения прочностных и теплофизических характеристик ЭВТИ, за счет дренажных отверстий, выполненных в обтекателе с заданной эффективной площадью;

- определение суммарных эффективных площадей дренажных отверстий обтекателя КГЧ, ЭВТИ КА и зазоров между отражательными экранами и ЭВТИ, обеспечивающих перетекание газовой среды из межслойных объемов ЭВТИ и объемов под ЭВТИ в атмосферу.

Сущность изобретения поясняется на примере решения задачи применительно к КГЧ РН в составе с КА, выполненным в виде КК "Союз "

На фиг.1 приведена схема КГЧ РН в составе с КК, состоящим из системы отсеков каркасной и ферменной конструкции, на поверхности которого установлена ЭВТИ.

На фиг.2 показан фрагмент ЭВТИ КА с оболочкой каркасного отсека.

На этих фигурах:

1 - обтекатель;

2 - космический корабль (КК);

3 - каркасный отсек;

4 - форменный отсек;

5 - дренажные отверстия;

6 - устройства отрыва аэродинамического потока;

7 - подпружиненная крышка;

8 - экранно-вакуумная тепловая изоляция (ЭВТИ);

9 - оболочка каркасного отсека;

10- стержни форменного отсека;

11 - дренажные отверстия;

12 - отражательные экраны;

13 - межслойные экраны;

14 - теплоизоляционные прокладки.

На фиг.1 и 2 также иллюстрируется схема перетекания газовой среды из объема под ЭВТИ и из ЭВТИ в объем под обтекателем и далее в атмосферу (показано стрелками).

На фиг.3 приведена зависимость максимального по траектории полета РН перепада давлений газовой среды ΔР, действующего на ЭВТИ, от относительной эффективной площади µ·S/V ее дренажных отверстий.

На фиг.4 приведена зависимость максимального по траектории полета РН перепада давлений газовой среды ΔР₂, действующего на обтекатель, от относительной эффективной площади µ₂·S₂/V₂ его дренажных отверстий.

КГЧ РН (фиг.1, 2) содержит обтекатель 1, КК 2, состоящий из каркасных отсеков 3 и форменного отсека 4.

В обтекателе 1 выполнены дренажные отверстия 5, по крайней мере одно. Дренажные отверстия 5 могут быть выполнены в локальной зоне обтекателя 1 (Узел I, а) с отрицательным, избыточным над атмосферным, давлением по траектории полета РН, либо за устройством отрыва аэродинамического потока 6 (Узел I, в), либо совместно с подпружиненной крышкой 7 (Узел I, с). Выбор варианта дренирования обтекателя определяется допустимыми эксплуатационными нагрузками, действующими на обтекатель по траектории полета РН с учетом конструктивных особенностей обтекателя.

На поверхности КК 2 установлена ЭВТИ 8. Ее изготавливают в рулонном виде или отдельными панелями и крепят к оболочке каркасного отсека 9 и стержням форменного отсека 10. Места стыков ее отдельных элементов герметизируют.

В ЭВТИ 8 выполнено устройство обеспечения ее прочностных и теплофизических характеристик в виде сквозных дренажных отверстий 11 с отражательными экранами 12, установленными над дренажными отверстиями 11 с зазором относительно ЭВТИ 8.

Дренажные отверстия 11 сообщают объем газовой среды в ЭВТИ 8, находящийся между ее межслойными экранами 13 и теплоизоляционными прокладками 14, а также объем газовой среды под ней между собой с объемом под обтекателем 1.

Сквозные дренажные отверстия выполняют равномерно по поверхности ЭВТИ 8, чем обеспечивают равномерное или близкое к равномерному распределение давления в межслойных объемах ЭВТИ 8 и, следовательно, перепадов давлений, действующих на ее элементы.

Тем самым исключают концентрации напряжений в отдельных ее элементах от неравномерных перепадов давлений при наличии скрытого локального неперетекания газовой среды в межслойных объемах ЭВТИ 8. Одновременно отражательные экраны 12 исключают тепловой нагрев элементов КК 2 через дренажные отверстия 11 ЭВТИ 8 от излучения космических объектов.

Таким образом, уменьшают перепады давлений, действующие на элементы ЭВТИ 8, и сохраняют ее теплофизические характеристики.

Суммарную эффективную площадь µ·S дренажных отверстий 11 ЭВТИ 8 для заданной траектории полета определяют из соотношения (1), используя зависимость, приведенную на фиг.3, с учетом максимально допустимых (из условия прочности) перепадов давлений ΔР_доп, действующих на ЭВТИ 8 и входящих в это соотношение коэффициентов а, в, зависящих от параметров траектории РН (см. допустимую область "А" определения µ·S). В этом соотношении суммарный объем V газовой среды для каркасного отсека 3 принимают как объем, состоящий из объема газовой среды в ЭВТИ 8 и объема между ЭВТИ 8 и оболочкой каркасного отсека 9, а для ферменного отсека 4 - как объем, состоящий из объема газовой среды в ЭВТИ 8 и объема газовой среды в ферменном отсеке 4.

Суммарную эффективную площадь µ₁·S₁ зазоров между отражательными экранами 12 и ЭВТИ 8 определяют из соотношения (2).

Суммарную эффективную площадь µ₂·S₂ дренажных отверстий 5 обтекателя 1 для заданной траектории полета определяют из соотношения (3), используя зависимость, приведенную на фиг.4, с учетом максимально допустимых (из условия прочности) перепадов давлений ΔР_2доп, действующих на обтекатель 1, и входящих в это соотношение коэффициентов а, в, также зависящих от параметров траектории РН (см. допустимую область "В" определения µ₂·S₂). В этом соотношении суммарный объем V₂ газовой среды принимают как объем, состоящий из объема газовой среды под ЭВТИ 8, в ЭВТИ 8 и объема между обтекателем 1 и поверхностью ЭВТИ 8.

Формулы (1) и (3) содержат математическое описание зависимостей суммарной эффективной площади дренажных отверстий изоляции и обтекателя от максимальных по траектории полета РН перепадов давлений ΔР и ΔP₂, действующих соответственно на изоляцию и обтекатель, и получены по результатам анализа перетекания газовой среды в объеме, состоящем из газодинамически взаимосвязанных объема, находящегося под ЭВТИ, в ЭВТИ, и объема, находящегося под обтекателем КГЧ.

В ракетостроении межслойные экраны 13 изготавливают из алюминиевой фольги толщиной в несколько микронов либо алюминизированной полимерной пленки, а теплоизоляционные прокладки 14 - из различных стекловолокнистых материалов (стеклобумага, стеклохолст, стекловуаль и т.д.). Отражательные экраны 12 выполняют из материала с минимальной степенью черноты, например алюминиевой фольги.

Функционирование КГЧ в составе с КК, на поверхности которого установлена ЭВТИ, осуществляется следующим образом.

Поскольку в отличие от прототипа равномерно по поверхности ЭВТИ 8 выполнены сквозные дренажные отверстия 11, при полете КК в составе КГЧ на активном участке полета РН происходит перетекание газовой среды из объема под ЭВТИ 8 и межслойных ее элементов через сквозные дренажные отверстия 11 в объем под обтекателем 1 и далее через его дренажные отверстия 5 в атмосферу (фиг.1, 2).

Истечение газовой среды в атмосферу происходит с дозвуковыми скоростями с незапиранием ее в дренажных отверстиях 11 и 5, так как суммарная эффективная площадь µ₁·S₁ зазоров между отражательными экранами 12 и ЭВТИ 8 выполнена большей или равной суммарной эффективной площади µ·S дренажных отверстий 11 (µ₁·S₁≥µ·S) в соответствии с соотношением (2), а суммарная эффективная площадь µ₂·S₂ дренажных отверстий 5 выполнена большей или равной суммарной эффективной площади зазоров (µ₂·S₂≥µ₁·S₁) в соответствии с соотношением (3).

В межслойных объемах ЭВТИ 8 устанавливается давление, близкое к давлению под обтекателем КГЧ. Тем самым обеспечивают практически нулевые (с учетом запаздывания выравнивания давлений) перепады давлений, действующие на межслойные экраны 13 и теплоизоляционные прокладки 14 ЭВТИ 8 по траектории полета РН.

В автономном полете КК, после сброса обтекателя 1 КГЧ, происходит перетекание газовой среды из объема под ЭВТИ 8 и межслойных ее элементов в окружающую атмосферу (фиг.2). В межслойных объемах ЭВТИ 8 и под ней устанавливается внутреннее давление, близкое к атмосферному. Перепады давлений, действующие на межслойные экраны 13 и теплоизоляционные прокладки 14 ЭВТИ 8, также близки к нулю. При этом отражательные экраны 14, установленные над сквозными дренажными отверстиями 11, исключают воздействие теплового потока на элементы КК от излучения космических объектов.

Таким образом, обеспечивают конструктивную прочность обтекателя КГЧ, повышают конструктивную прочность и сохраняют теплофизические характеристики ЭВТИ КК, что приводит к выполнению поставленной задачи. Тем самым повышают надежность эксплуатации приборов, систем и агрегатов, размещенных в отсеках КК, выводимого РН в космическое пространство в составе КГЧ.

В настоящее время техническое решение прошло экспериментальную проверку и внедряется на одном из вариантов КГЧ РН в составе с КК "Союз".

Техническое решение может быть использовано для различных типов КА, выводимых РН в космическое пространство в составе КГЧ: околоземных, межпланетных, грузовых, пилотируемых и других КА.

Источники информации

1. Космодром. Под ред. проф. А.П.Вольского, ВИ МО СССР, М., 1977, стр.160-161, рис.5.3, 5.4.

2. Там же, стр.164, рис.5.6.

3. Космонавтика: Энциклопедия. /Под ред. В.П.Глушко. М.: Советская энциклопедия, 1985, с.394.

4. Справочник по физико-техническим основам криогеники / Под ред. проф. М.П.Малкова, М.: Советская энциклопедия, 1973, с.236-237.

5. Космонавтика: Энциклопедия. /Под ред. В.П.Глушко. М.: Советская энциклопедия, 1985, с.304-305.

6. Там же, стр.369-370.

Изобретение относится к ракетно-космической технике и может быть использовано при проектировании и создании космической головной части. Космическая головная часть ракеты-носителя содержит обтекатель, космический аппарат, состоящий из, по крайней мере одного отсека, на поверхности которого установлена экранно-вакуумная тепловая изоляция. Введено устройство обеспечения прочностных и теплофизических характеристик экранно-вакуумной тепловой изоляции в виде сквозных дренажных отверстий, равномерно расположенных по поверхности упомянутой изоляции, сообщающих межслойные объемы газовой среды этой изоляции и под изоляцией с объемом газовой среды под обтекателем. Над дренажными отверстиями с зазорами относительно изоляции установлены отражательные экраны. В обтекателе выполнены дренажные отверстия, по крайней мере одно, сообщающие объем газовой среды под обтекателем с атмосферой. Достигается уменьшение перепадов давления, действующих на экранно-вакуумную тепловую изоляцию, обеспечение ее теплофизических характеристик, обеспечение допустимых перепадов давления, действующих на обтекатель. 4 ил.

Космическая головная часть ракеты-носителя, содержащая обтекатель, космический аппарат, состоящий из отсеков, по крайней мере одного, на поверхности которых установлена экранно-вакуумная тепловая изоляция, отличающаяся тем, что введено устройство обеспечения прочностных и теплофизических характеристик экранно-вакуумной тепловой изоляции в виде сквозных дренажных отверстий, равномерно расположенных по поверхности упомянутой изоляции, сообщающих межслойные объемы газовой среды этой изоляции и под изоляцией с объемом газовой среды под обтекателем, при этом над дренажными отверстиями с зазорами относительно изоляции установлены отражательные экраны, а в обтекателе выполнены дренажные отверстия, по крайней мере одно, сообщающие объем газовой среды под обтекателем с атмосферой, причем суммарные эффективные площади дренажных отверстий изоляции, зазоров между отражательными экранами и изоляцией и дренажных отверстий обтекателя определяются из соотношений:
µ·S≥a·ΔP^-в·V, µ₁·S₁≥µ·S;
µ₂·S₂≥µ₁·S₁≥a·ΔP₂ ^-в·V₂,
где S, S₁, S₂ [см²] - суммарная площадь дренажных отверстий изоляции, зазоров между отражательными экранами и изоляцией и дренажных отверстий обтекателя соответственно;
µ, µ₁, µ₂ - коэффициент расхода дренажных отверстий изоляции, зазоров между отражательными экранами и изоляцией и дренажных отверстий обтекателя соответственно;
V [м³] - суммарный объем газовой среды в изоляции и под изоляцией;
V₂ [м³] - суммарный объем газовой среды под обтекателем;
ΔР [кгс/см²] - максимальный по траектории полета РН перепад давлений газовой среды, действующей на изоляцию;
ΔР₂ [кгс/см²] - максимальный по траектории полета РН перепад давлений газовой среды, действующей на обтекатель;
а, в - зависящие от параметров траектории полета РН коэффициенты, аппроксимирующие кривые зависимости эффективной площади дренажных отверстий изоляции и обтекателя от максимального по траектории полета перепада давлений, действующего на изоляцию и обтекатель.