СПОСОБ ТЕРМОСТАТИРОВАНИЯ ПОЛЕЗНОГО ГРУЗА ГОЛОВНОГО БЛОКА РАКЕТЫ-НОСИТЕЛЯ И БОРТОВАЯ СИСТЕМА ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ Российский патент 2009 года по МПК B64G1/50 F24F13/06 B64G5/00 

Изобретения относятся к ракетно-космической технике, а именно к воздушной бортовой системе термостатирования (БСТ) полезного груза (ПГ), размещенного в головном блоке (ГБ) ракеты-носителя (РН), и предназначены для обеспечения теплового режима ПГ в период предстартовой подготовки ГБ РН.

Известен способ термостатирования, например, приборов системы управления (СУ), размещенных в ГБ РН, включающий вдув термостатирующей среды (ТС) в ГБ, ее перетекание по длине ГБ с последующим истечением из него, при котором обеспечивают тепловой режим функционирования приборов СУ в период предстартовой подготовки ГБ. При этом вдув ТС в ГБ осуществляют с температурой и расходом ТС, соответствующими температуре в наиболее теплонапряженных зонах приборов СУ, которую контролируют в процессе работы приборов [1].

Недостаток этого технического решения - не обеспечивают упорядоченное течение ТС в ГБ, что приводит к неопределенности распределения скоростей и температур ТС по поверхности приборов СУ, необходимости выявления наиболее теплонапряженных зон приборов и необоснованно большому расходу ТС в процессе термостатирования.

Известно устройство для термостатирования приборов СУ, размещенных в ГБ РН, содержащее отверстие вдува и отверстие истечения ТС, выполненное в обтекателе ГБ. Отверстие вдува сообщено магистралью питания ТС с воздушной системой обеспечения теплового режима (ВСОТР) [2], обеспечивающей эксплуатационные параметры вдува в ГБ.

Недостаток этого техническогого решения - несовершенство его конструктивно-компоновочной схемы из-за отсутствия устройства вдува (УВ), обеспечивающего истечение ТС в заданном направлении с расчетными скоростями, что приводит к неупорядоченному перетеканию ТС в ГБ.

Известен способ термостатирования ПГ, размещенного в блоке полезного груза (БПГ) для РН морского базирования, включающий вдув ТС в замкнутый объем БПГ, перетекание ТС по его длине с последующим истечением из БПГ, в котором вдув ТС в БПГ осуществляют в осевом направлении [3].

Недостаток этого технического решения заключается в том, что вдув ТС только в осевом направлении не исключает возникновения местных локальных теплонапряженных зон отрыва на поверхности ПГ, имеющего сложную геометрическую форму, что снижает надежность термостатирования ПГ. Это приводит, так же как в аналоге, к необходимости определения локальных теплонапряженных зон ПГ, что увеличивает объем работ по термостатированию ПГ. Тем самым ухудшаются эксплуатационные характеристики БСТ.

Техническое решение [3] принято за прототип способа.

Известна также БСТ ПГ, размещенного в БПГ КГЧ, содержащая отверстие вдува ТС с клапаном, отверстия истечения с клапанами, выполненные в обтекателе БПГ. Клапаны отверстий - одностороннего действия и выполнены в виде подпружиненных крышек.

БСТ содержит также УВ ТС, размещенное в верхней части БПГ и выполненное в виде распылителя с отверстиями истечения ТС, обеспечивающими обтекание ПГ в осевом направлении. Распылитель соединен магистралью подвода ТС с отверстием вдува ТС в обтекателе БПГ [3].

Недостаток этого технического решения - увеличенный вес конструкции БСТ за счет распылителя УВ и магистрали подвода ТС к нему, размещенной в БПГ, что приводит к перетяжелению конструкции и потере в массе ПГ, выводимого РН на орбиту искусственного спутника Земли (ОИСЗ).

Тем самым ухудшают конструктивно-компоновочные характеристики БСТ.

Техническое решение [3] принято за прототип устройства.

Задачей изобретения является создание БСТ с улучшенными эксплуатационными и конструктивно-компоновочными характеристиками для термостатирования ПГ, размещенного в ГБ РН в период его предстартовой подготовки.

Задача решается тем, что в способе термостатирования ПГ PH, размещенного под обтекателем ГБ, включающем вдув ТС в ГБ, перетекание ТС по его длине с последующим истечением из ГБ, в процессе которых обеспечивают тепловой режим функционирования ПГ во время предстартовой подготовки ГБ РН, согласно изобретению вдув ТС в ГБ осуществляют над ПГ одновременно вдоль обтекателя ГБ в продольной плоскости, проходящей через ось симметрии блока и в перпендикулярном к этой плоскости направлении так, чтобы вектора скоростей вдуваемой ТС вдоль обтекателя ГБ были направлены в сторону верхней и нижней частей ГБ, а вектор скорости в указанном перпендикулярном направлении - относительно оси симметрии блока окружном направлении, обеспечивая закрутку с перетеканием ТС в ГБ.

Задача решается также тем, что в БСТ ПГ РН, размещенного под обтекателем ГБ, содержащей отверстие вдува ТС в блок, отверстия ее истечения в обтекателе ГБ, клапаны одностороннего действия отверстий вдува и истечения ТС, шарнирно установленные в обтекателе блока, УВ ТС в головной блок, согласно изобретению УВ ТС в ГБ выполнено в виде дозвукового диффузора, имеющего форму замкнутой симметричной емкости, с входным и тремя выходными отверстиями, находящимися в плоскостях, перпендикулярных плоскости расположения входного отверстия диффузора, причем два выходных отверстия расположены во взаимно перпендикулярных плоскостях, в диффузоре с зазором друг относительно друга установлены направляющие тарели, образующие каналы перетекания ТС, сообщающие входное и выходные отверстия, при этом диффузор установлен над ПГ вблизи обтекателя ГБ так, что его входное отверстие сообщено с отверстием вдува в обтекателе, а одно выходное отверстие находится в плоскости, параллельной продольной плоскости, проходящей через оси симметрии блока и диффузора так, что обеспечивается закрутка и перетекание ТС в окружном, относительно оси блока, направлении.

Диффузор может быть выполнен, например, эллипсоидной формы, шаровой, цилиндрической с глухим основанием или другой формы.

Техническими результатами изобретения являются:

- повышение эффективности и надежности термостатирования объектов за счет обеспечения практически равномерных эксплуатационных скоростей и температур ТС вблизи их поверхностей;

- уменьшение веса диффузора, а также упрощение технологии его установки в условиях ограниченного свободного объема в блоках.

Кроме того, уменьшается объем работ за счет исключения исследований по определению наиболее теплонапряженных зон ПГ, что приводит к уменьшению эксплуатационных затрат на проведение работ.

Задача решается на примере термостатирования ПГ, размещенного в ГБ РН.

На фиг.1 приведена схема ГБ с размещенным в нем ПГ (показан условно в габаритах) с основными элементами БСТ и выделен фрагмент обтекателя ГБ с диффузором. На этом же чертеже показано направление векторов скоростей вдуваемой в ГБ ТС в выходных отверстиях диффузора.

На фиг.2 в изометрии показан диффузор и основные его элементы.

На фиг.3 иллюстрируется поле скоростей ТС в поперечном сечении диффузора.

На фиг.4 и 5 иллюстрируется изменение скоростей и температур ТС в ГБ.

На этих фигурах:

1 - полезный груз (ПГ);

2 - обтекатель;

3 - диффузор;

4 - отверстие вдува;

5 - отверстия истечения;

6 - перегородка;

7 - клапан отверстия вдува;

8 - клапаны отверстий истечения;

9 - входное отверстие;

10, 11, 12 - выходные отверстия;

13 - тарели;

14 - магистраль питания.

БСТ ПГ 1 (фиг.1), размещенного под обтекателем 2 ГБ, содержит диффузор 3, отверстие вдува 4, отверстия истечения 5, выполненные в обтекателе 2 ГБ вблизи его основания или в перегородке 6, если она входит в состав ГБ. В отверстии вдува 4 установлен клапан отверстия вдува 7, в отверстиях истечения 5 могут быть установлены клапаны отверстий истечения 8. Все клапаны - одностороннего действия, и они шарнирно установлены в отверстии вдува 4 и отверстиях истечения 5 ТС.

Диффузор 3 (фиг.2) выполнен в виде замкнутой емкости эллипсоидной формы с входным отверстием 9, первым выходным отверстием 10, вторым выходным отверстием 11 и третьим выходным отверстием 12. Выходные отверстия расположены в плоскостях, перпендикулярных плоскости расположения входного отверстия 9. При этом третье выходное отверстие 12 расположено в плоскости, перпендикулярной плоскости расположения выходных отверстий 10 и 11.

В диффузоре 3 с зазором между собой установлены направляющие тарели 13, образующие каналы перетекания ТС, сообщающие его входное отверстие 9 с первым выходным отверстием 10, вторым выходным отверстием 11 и третьим выходным отверстием 12. Направляющие тарели 13 обеспечивают перетекание ТС в заданном направлении с дозвуковыми расчетными скоростями истечения ТС в выходных отверстиях диффузора.

Диффузор 3 установлен над ПГ 1 вблизи обтекателя 2 ГБ (фиг.1, узел I) так, что его входное отверстие 9 сообщено с отверстием вдува 4 в обтекателе 2, первое выходное отверстие 10 направлено в сторону верхней части ГБ, второе выходное отверстие 11 направлено в сторону нижней части ГБ, а третье выходное отверстие 11 находится в плоскости, параллельной продольной плоскости, проходящей через оси симметрии ГБ и диффузора 3.

Таким образом, выполнение УВ в виде дозвукового диффузора эллипсоидной формы с упомянутыми входным и выходными отверстиями и установка его вблизи обтекателя ГБ позволяют, по сравнению с прототипом, уменьшить вес конструкции БСТ за счет исключения распылителя, установленного в верхней части ГБ, с магистралью подвода ТС к нему и упростить монтаж его в ГБ.

Термостатирование ПГ 1 осуществляют следующим образом (фиг.1).

Предварительно открывают подпружиненный клапан отверстия вдува 7 и сообщают отверстие вдува 4 с магистралью питания 14 ТС ВСОТР. В течение времени предстартовой подготовки ГБ РН, при котором обеспечивают тепловой режим функционирования ПГ 1, осуществляют вдув ТС в ГБ со штатными расходами и температурами ТС на входе в отверстие вдува 4 обтекателя 2 ГБ.

В замкнутом объеме диффузора 3 ТС частично тормозится и изменяет направление течения в сторону первого выходного отверстия 10, второго выходного отверстия 11 и третьего выходного отверстия 12.

Для реализации поставленной задачи вдув ТС в ГБ осуществляют одновременно с векторами скоростей V₁ и V₂ ТС, через первое выходное отверстие 10 и второе выходное отверстие 11, направленными вдоль внутренней поверхности обтекателя 2 соответственно в сторону верхней и нижней частей ГБ, а также с вектором скорости V₃ (на фиг.1 условно повернут), направленным перпендикулярно векторам V₁ и V₂ через третье выходное отверстие 12.

Тем самым, взаимодействуя с обтекателем 2, ТС образует интерференционное, закрученное относительно оси ГБ течение, обеспечивающее обтекание ПГ 1 с эксплуатационными скоростями и температурами нагрева поверхности ПГ 1, не превышающими допустимых из условий прочности и работоспособности элементов ПГ 1 при полете РН.

Через отверстия истечения 5 с клапанами отверстий истечения 7 ТС истекает в окружающую атмосферу.

Перед стартом РН подачу ТС и термостатирование ПГ 1 прекращают. При этом магистраль питания 14 ТС отводят, подпружиненный клапан отверстия вдува 7 и клапаны отверстий истечения 8 перекрывают соответственно отверстие вдува 4 и отверстия истечения 5 в обтекателе 2 ГБ.

Проведенное математическое моделирование течения ТС в диффузоре 3 и каналах ГБ показало, что выбранная конфигурация диффузора 3 и его размещение в ГБ обеспечивают расчетные скорости истечения из диффузора 3 36÷42 м/с (фиг.3), достаточно равномерные эксплуатационные скорости 1,5÷3 м/с (фиг.4) и температуры ~20°С (фиг.5) обтекания ПГ 1, что соответствует техническим условиям эксплуатации ПГ 1 в процессе термостатирования.

Анализ количества тепла, снимаемого с поверхности ПГ 1 от температуры его нагрева по сравнению с количеством тепла, выделяемого в процессе его эксплуатации, проведенный по известной методике (см., например, [4]), с учетом полученных скоростей обтекания ПГ 1 и температур его нагрева, показал, что с ПГ 1 снимается количество тепла больше, по сравнению с количеством тепла, выделяемого в процессе его эксплуатации.

Тем самым обеспечивают термостатирование ПГ 1 в режиме всего периода (5-10 ч) предстартовой подготовки ГБ. Весовой анализ показал также, что за счет уменьшения веса конструкции БСТ может быть достигнуто увеличение веса ПГ, выводимого на ОИСЗ, на ~10 кг.

Таким образом, наряду с улучшением конструктивно-компоновочных характеристик БСТ улучшают и эксплуатационные характеристики БСТ, что приводит к выполнению поставленной задачи.

В настоящее время техническое решение принято для реализации на одном из вариантов ГБ для РН наземного базирования, по нему выпускается рабочая документация.

Техническое решение может быть также реализовано для ПГ, размещенного в БПГ РН морского базирования.

Литература

1. "Космодром", под ред. проф. А.П.Вольского, ВИ МО СССР, М., 1977, стр.204, 210-212.

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

3. Патент РФ 2279377.

4. Патент РФ 2279377, стр.8.

Изобретения относятся к воздушной бортовой системе термостатирования полезного груза, размещенного в головном блоке (ГБ) ракеты-носителя, и используются в период предстартовой подготовки ГБ. Способ включает вдув термостатирующей среды в ГБ, ее перетекание по длине ГБ и последующее истечение из этого блока. Вдув осуществляют над полезным грузом одновременно вдоль обтекателя ГБ в его продольной плоскости и в перпендикулярном направлении. При этом создают условия, чтобы векторы скоростей вдуваемой среды вдоль обтекателя ГБ были направлены в сторону верхней и нижней частей ГБ, а вектор скорости этой среды в перпендикулярном направлении - вокруг оси симметрии ГБ. Этим обеспечивают закрутку с перетеканием термостатирующей среды в ГБ. Бортовая система термостатирования содержит отверстие вдува термостатирующей среды, отверстия ее истечения в обтекателе ГБ, клапаны одностороннего действия данных отверстий, шарнирно установленные в обтекателе ГБ. Имеется устройство вдува среды в ГБ, которое выполнено как дозвуковой диффузор в форме замкнутой симметричной емкости с входным и тремя выходными отверстиями. Последние находятся в плоскостях, перпендикулярных плоскости расположения входного отверстия диффузора, причем два из них - во взаимно перпендикулярных плоскостях. В диффузоре установлены направляющие тарели, образующие каналы перетекания термостатирующей среды, сообщающие указанные входное и выходные отверстия. Диффузор установлен над полезным грузом вблизи обтекателя ГБ так, что его входное отверстие сообщено с отверстием вдува в обтекателе. Третье выходное отверстие диффузора расположено так, что обеспечивается закрутка и перетекание среды в окружном относительно оси ГБ направлении. Технический результат изобретений состоит в повышении эксплуатационных и конструктивно-компоновочных характеристик бортовой системы термостатирования. 2 н.п. ф-лы, 5 ил.

1. Способ термостатирования полезного груза головного блока ракеты-носителя, размещенного под обтекателем головного блока, включающий вдув термостатирующей среды в головной блок, ее перетекание по длине головного блока с последующим истечением из этого блока, в процессе которых обеспечивают тепловой режим функционирования полезного груза во время предстартовой подготовки головного блока ракеты-носителя, отличающийся тем, что вдув термостатирующей среды в головной блок осуществляют над полезным грузом одновременно вдоль обтекателя головного блока в продольной плоскости, проходящей через ось симметрии блока, и в перпендикулярном к этой плоскости направлении так, чтобы векторы скоростей вдуваемой термостатирующей среды вдоль обтекателя головного блока были направлены в сторону верхней и нижней частей головного блока, а вектор скорости этой среды в указанном перпендикулярном направлении был направлен в окружном, относительно оси симметрии блока, направлении, обеспечивая закрутку с перетеканием термостатирующей среды в головном блоке.

2. Бортовая система термостатирования полезного груза головного блока ракеты-носителя, размещенного под обтекателем головного блока, содержащая отверстие вдува термостатирующей среды, отверстия ее истечения в обтекателе головного блока, клапаны одностороннего действия отверстий вдува и истечения термостатирующей среды, шарнирно установленные в обтекателе головного блока, устройство вдува термостатирующей среды в головной блок, отличающаяся тем, что указанное устройство вдува выполнено в виде дозвукового диффузора, имеющего форму замкнутой симметричной емкости, с входным и тремя выходными отверстиями, находящимися в плоскостях, перпендикулярных плоскости расположения входного отверстия диффузора, причем два выходных отверстия расположены во взаимно перпендикулярных плоскостях, в диффузоре соосно с зазором друг относительно друга установлены направляющие тарели, образующие каналы перетекания термостатирующей среды, сообщающие указанные входное и выходные отверстия, при этом диффузор установлен над полезным грузом вблизи обтекателя головного блока так, что его входное отверстие сообщено с отверстием вдува в обтекателе, а одно выходное отверстие находится в плоскости, параллельной продольной плоскости, проходящей через оси симметрии блока и диффузора так, что обеспечивается закрутка и перетекание термостатирующей среды в окружном относительно оси блока направлении.