ВСТРОЕННЫЙ ПЛАСТМАССОВЫЙ ВКЛАДЫШ ДЛЯ ТОПЛИВНЫХ БАКОВ ДЛЯ УСЛОВИЙ МИКРОГРАВИТАЦИИ Российский патент 2010 года по МПК F17C13/08 

Настоящее изобретение относится к топливным бакам для космических платформ, пусковых установок и всех видов космических транспортных аппаратов.

Точнее, данное изобретение относится к необходимости уменьшить стартовую массу космического аппарата, уменьшить производственные затраты и затраты на разработку, и, одновременно, уменьшить время, необходимое для введения бака в действие.

ТЕХНОЛОГИЯ

Баки для транспортировки ракетного топлива используются для хранения двух компонентов самовоспламеняющейся смеси (горючее и окислитель) на борту космического аппарата на всем протяжении срока службы.

Компоненты самовоспламеняющейся смеси должны подаваться в двигатели при определенном давлении подачи.

Эта определенная функция выполняется с использованием газов наддува, обычно инертных газов, которые, таким образом, гарантированно совместимы с ракетным топливом.

Чтобы избежать всасывания пузырьков газа в двигатели, что может привести к их сбою, необходимо отделить жидкую фазу ракетного топлива от газообразной фазы текучей среды наддува во время подачи ракетного топлива в линии подачи двигателя.

Необходимость понизить затраты и обеспечить постоянное качественное функционирование, требуемое от нового поколения космических аппаратов, как для целей телекоммуникации, так и для межпланетных полетов, приводит к использованию легких материалов с краткосрочной разработкой и изготовлением.

Вес баков ракетного топлива изменяется от минимум 25 до 70% общего веса двигательной установки, без учета непосредственно ракетного топлива.

Эти значения поддерживаются в последних результатах работы промышленности по разработке баков, изготовленных из композиционных материалов, в которых необходим вкладыш, совместимый с ракетным топливом, который затем обертывается углеродистым волокном, которое обеспечивает прочность конструкции.

Обычно такие вкладыши изготавливаются из титана, и их вес составляет 30% от общего веса бака.

Кроме того, устройство наддува топливных баков также должно быть объединено с вкладышем. Указанное устройство также называют PMD или устройством управления топливом.

Указанное устройство в традиционных технологиях составляет 40% общего веса бака.

В заключение существуют современные требования резкого сокращения времени проектирования баков.

Этого, вместе с сокращением затрат на проектирование, можно достигнуть, используя альтернативные материалы, более быстро полученные, и инновационные проекты, которые заметно уменьшают работы по изготовлению и управлению.

Здесь представлены новый встроенный пластмассовый вкладыш в соответствии с настоящим изобретением, а также рассматриваемый материал и принципы проектирования.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Существующая технология предлагает вкладыши для баков космического корабля, изготовленные из титана и из пластмассовых материалов. Оба не включают никакого устройства для распределения топлива.

Обычно пластмассовые вкладыши, которые были разработаны прежде, имеют полую конфигурацию: гладкие внутренние стенки, без какого-либо приспособления, выполняющего какую-либо поддерживающую функцию. Они используются только для баков с газом под давлением. В настоящее время устройства распределения топлива объединяются с металлическими вкладышами во время их сборки. Они содержат следующие элементы: стрингеры, трубопроводы, отделитель жидкости, отстойники, которые привариваются друг к другу и впоследствии привариваются к вкладышу непосредственно.

Дополнительно к вышеупомянутому существуют три других решения:

a. Объединенная емкость для двигательных установок и аналогичных; способы объединения конструкционных элементов в системе космического аппарата с помощью систем хранения жидкого ракетного топлива (Zachary R. Taylor). Патент США №6745983. Патент относится к объединению системы бака и несущей конструкции.

b. Композиционная емкость с наддувом с пластмассовым вкладышем для хранения газообразных веществ под давлением. Патент относится к объединению пластмассового вкладыша и композиционной конструкции, где вкладыш содержит клапан, на который наматывается композитное волокно. Однако этот клапан не выполнен встроенным, а скорее, установлен позднее, при использовании трубы с резьбой. Это изобретение используется исключительно для газов, так что совместимость с компонентами ракетного топлива не учитывается (Christian Rashe, Steffen Rau). Патент США №6230922. европейский патент 0753700.

с. Хранилище для бака с газом под давлением. Заявка относится к системе газораспределения, где бак под давлением сжимается и расширяется для непосредственной реализации функции газораспределения. Резервуар состоит из полимерного вкладыша, укрепленного высокопрочными волокнами (John I. Izuchukwu). Патент США № US 2004/0055600.

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Аппарат согласно настоящему изобретению был создан в результате определенных требований, но все же полностью не решенных, направленных на уменьшение веса двигательной установки космического корабля.

Встроенный пластмассовый вкладыш изготовлен из PTFE для достижения главной цели - уменьшения веса и совместимости и с горючим, и с окислителем.

Вкладыш не является структурным элементом, так что его толщина может быть уменьшена до значения, которое достаточно для реализации функции хранения в течение длительного времени.

Вкладыш, таким образом, укреплен посредством сверхпрочных волокон, например углеволокном или волокном кевлар.

Вкладыш обычно имеет цилиндрическую или сферическую форму, и он сформован из двух частей: нижний свод и верхний свод.

Нижний свод содержит элементы устройства распределения топлива: отстойник, отделитель жидкости и стрингеры.

Объединенные со сводом эти элементы являются неотъемлемыми его частями и изготовлены посредством того же самого формовочного оборудования.

Отстойник может быть предварительно изготовлен, в зависимости от типа конфигурации, и отлит с нижним сводом так, чтобы получить единый конечный элемент.

Невозвратный клапан, который представляет собой устройство, которое предотвращает образование самовоспламеняющейся смеси горючего и окислителя, разработан и изготовлен полностью объединенным с верхним сводом вкладыша. Этот подход применим и к упругому элементу (пружина) и непосредственно к герметизирующему элементу клапана.

Чтобы получить более высокий уровень избыточности, внутри сегмента трубы может быть установлен второй клапан, изготовленный из того же самого материала, который объединяется с первым клапаном ультразвуковой сваркой и подвергается навиванию, чтобы гарантировать герметичность под давлением. Таким образом, обеспечивается большая надежность функции герметизации невозвратного устройства.

Полученные таким образом эти два свода затем объединяются вместе и свариваются ультразвуковой сваркой, чтобы предотвратить любой вид утечки наружу.

Таким образом, задачей изобретения является обеспечение бака, способного обеспечить совместимость различных типов текучих сред, хранить и распределять текучие среды без газовых включений при условиях микрогравитации, чтобы препятствовать обратному течению паров внутрь и минимизировать общий вес бака, отличающегося тем, что:

a) вмещающий элемент бака изготовлен посредством технологии горячего формования из пластмассового материала, совместимого с текучими средами, которые должны храниться в баке;

b) внутри он содержит устройство для распределения текучей среды и устройства для предотвращения противотока испарений, оба устройства, полностью или частично, изготовлены из того же самого пластмассового материала, используемого для вмещающего элемента;

с) он образован нижним сводом, изготовленным из пластмассы, который объединяет внутри себя устройство для распределения текучей среды без газа наддува, с линиями подачи посредством элементов типа отделителя текучей среды, стрингеров и отстойников; и верхним сводом, изготовленным из пластмассы, который объединяет внутри себя устройство для предотвращения противотока пара; причем оба свода объединяет в одно целое сегмент трубы, чтобы заполнять линии текучей средой, содержащейся в баке, и непосредственно бак газом наддува.

Под текучей средой подразумевается текучая среда или жидкость, в частности текучее или жидкое ракетное топливо.

Предпочтительно элемент отстойника изготовлен из металлического материала и впоследствии объединен с отделителем текучей среды и введен в литьевую форму нижнего свода таким образом, чтобы получить полностью объединенный конечный компонент.

Предпочтительно отделитель текучей среды далее объединен с дополнительным отделителем текучей среды, чтобы сохранить текучую среду в гравитационной окружающей среде и во время горизонтальной транспортировки бака, содержащего текучую среду, частично или полностью заполненного.

Предпочтительно отделитель текучей среды и стрингеры обеспечены для функции демпфирования динамических нагрузок из-за смещения текучей среды в баке, более предпочтительно материал вмещающей конструкции вкладыша должен быть гибким, таким образом увеличивая его легкость, уменьшая при этом его толщину, посредством оказания давления во время навивания волокна для усиления конструкции.

Предпочтительно внешняя поверхность вмещающей конструкции вкладыша соответственно образована, чтобы осуществлять необходимое сцепление волокна во время процесса его навивания.

Предпочтительно невозвратное устройство продублировано.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Настоящее изобретение далее описано посредством не ограничивающих примеров со ссылкой на сопровождающие чертежи.

Фиг.1: трехмерное изображение сечения сборки "объединенного пластмассового вкладыша", где изображена конфигурация изобретения в его объединенной форме.

Фиг.2: трехмерная деталь нижней части нижнего свода, на которой можно видеть основные элементы устройства распределения топлива.

Фиг.3: трехмерная деталь верхней части верхнего свода, на которой можно видеть невозвратный клапан.

Фиг.4: сечение этих двух сводов в том виде, как они вынуты из литьевой формы.

Фиг.5: трехмерный внутренний вид нижнего свода, на котором показано устройство распределения топлива, и элементы, которые его составляют, в том виде, как они получены в процессе отливки.

Фиг.6: сечение сводов как нижнего, так и верхнего, на котором показано местоположение элементов устройства распределения топлива.

Фиг.7: трехмерный внутренний вид верхнего свода, показывающий конфигурацию контрольного клапана, изготовленного в процессе отливки.

Фиг.8: трехмерный вид с сечением, изображающий верхнюю часть верхнего свода, на котором видно местоположение контрольного клапана.

Фиг.9: детальный трехмерный вид S-образной пружины невозвратного клапана. Элемент перехода между сегментом трубы и элементом герметизации.

Основные отличия уникальности изобретения показаны в деталях чертежей. Указанные детали пронумерованы, чтобы облегчить поиск и понимание.

Элементы настоящего изобретения могут иметь различные размеры согласно требованиям задания и необходимой последовательности распределения топлива.

Таким образом, при условии, что главное направление настоящего изобретения - возможность получения объединенной вмещающей конструкции вкладыша и элементов устройства, и для распределения топлива, и для удержания паров, посредством единой операции отливки, описание деталей конструкции не может ограничить объем изобретения.

Настоящее изобретение раскрывает новую конструкцию вкладыша, новый способ производства и сборки вкладыша посредством объединения трех различных основных функций для топливного бака в одном и том же агрегате:

a) вмещение горючего и окислителя;

b) распределение горючего и окислителя без газовых включений;

c) сохранение паров горючего и окислителя.

Существующая технология, которая до сих пор используется и которую превосходит настоящее изобретение, обеспечивает выполнение второй и третьей функций элементами, изготовленными отдельно и собранными затем с баком:

a. Распределение горючего и окислителя осуществляется предназначенным для этого устройством, в котором используется принцип поверхностного натяжения, изготовленным из металлического материала. В свою очередь, оно обычно образовано различными элементами, которые должны быть собраны вместе прежде, чем собранный узел собран в баке.

b. Сохранение паров горючего и окислителя достигается установкой невозвратных клапанов, приваренных к линии подачи газа на входе бака и изготовленных из металлических элементов.

Настоящее изобретение состоит из конструкции, которая, вместе со способом изготовления отливки, объединяет все функции в едином элементе, полученном отливкой PTFE, совместимой и с горючим, и с окислителем.

Указанный элемент, вследствие присущих процессу отливки отличий, изготавливается в виде двух половинок (см. фиг.4-11 и 12).

Нижний свод (11), как показано на фиг.2, 5 и 6, получен единым способом, соответственно, в дополнение к конструкции вкладыша, так же получены элементы устройства распределения топлива:

=> Воронкогасители (32)

=> Стрингеры (33)

Отстойник (31), в зависимости от конфигурации, может быть получен отдельно и вставлен в литьевую форму, чтобы получить готовое изделие совместной отливкой.

Отстойник (31), отделитель текучей среды (32) и стрингеры (33) имеют способность сохранять жидкое ракетное топливо в течение орбитальных периодов полета космического корабля, используя свойства поверхностного натяжения ракетного топлива непосредственно. Таким образом, однажды заполненная и увлажнившая дно во время заполнения бака жидкая фаза ракетного топлива содержится отдельно от газообразной фазы наддува.

Элементы устройства распределения топлива, как описано, не ограничены выполнением функции предотвращения введения газа в линии подачи топлива, но они также выполняют, по существу, функцию демпфирования нагрузок, индуцированных динамическим движением топлива внутри бака во время стадии ускорения.

Отделитель жидкости (32) обычно бывает звездообразной формы, внешний радиус которого, глубина и число пластин, которые его составляют, определены в соответствии с требованиями устройства распределения топлива (фиг.2 и 5).

Настоящее изобретение не ограничено несколькими определенными задачами, но позволяет осуществить широкий диапазон различных конфигураций и размеров.

Подобное утверждение может быть сделано для стрингеров (33).

Как правило, они равномерно расположены по периферии внутренних стенок вкладыша.

Они могут быть получены согласно широкому диапазону различных конфигураций и размеров.

Нижний свод имеет в своем основании сегмент трубы, который содержит металлический цилиндр, совместно отлитый с пластмассовым сводом, который обеспечивает объединение бака с трубопроводом подачи топлива. Этот сегмент трубы усилен волокном вместе с единой конструкцией вкладыша.

Усиление необходимо для того, чтобы позволить противостоять уровню давления, достигнутому в течение срока службы бака.

Тот же самый подход применен к верхнему своду (12), как показано на фиг.3, 7 и 8. Верхний свод (l2), как показано на фиг.3, 7 и 6, получен единым способом, соответственно, в дополнение к конструкции вкладыша, так же получены элементы устройства удержания паров топлива:

сегмент трубы (21)

пружина (23)

клапан (22)

седло (24) клапана

Сегмент трубы (21), обычно цилиндрический, содержит седло (24) клапана невозвратного устройства.

Это устройство служит для предотвращения обратного тока паров горючего и окислителя во входное отверстие соответствующих баков, которые обычно, чтобы раздельно содержать два компонента самовоспламеняющейся смеси, представляют собой два различных модуля.

Вторая половина устройства контроля образована клапаном (22), который удерживается давлением S-образной пружины (23) у седла (24) клапана.

S-образная пружина также осуществляет функцию физического соединения между клапаном (22) и сегментом трубы (21), в котором непосредственно размещено устройство, как показано на фиг.9.

Эти два свода (11 и 12), которые могут иметь полусферическую, цилиндрическую, эллиптическую форму или любую другую осесимметричную форму, совпадают при определении окончательной конфигурации, как показано на фиг.4.

Указанные два свода сварены вместе (10) с помощью сверхзвуковой технологии, чтобы получить окончательную конфигурацию (фиг.1) объединенного пластмассового вкладыша.

Необходимость предотвращения обратного тока паров горючего и окислителя определена необходимостью поддерживать постоянное давление в топливных баках впуском газа снаружи внутрь баков.

В общем система газонаддува одновременно питает и бак горючего, и бак окислителя.

Это способствует образованию паров, которые могут просачиваться обратно во входное отверстие. Поэтому необходимо избежать любой ценой любого контакта между горючим и окислителем и предотвратить образование самовоспламеняющейся смеси, когда она не должна быть образована.

Невозвратное устройство, как оно было задумано, может быть последовательно избыточным, что увеличивает эффективность его функционирования.

Избыточность может быть получена посредством изготовления с использованием специализированной литьевой формы дополнительного невозвратного устройства (20).

Таким образом, может быть получена часть узла, как показано на фиг.3 и 8.

Функции, описанные выше, в их объединении с вкладышем, не ограничены использованием для двигательных установок. В основном все те гидравлические системы, которые должны быть использованы для космического применения или в отсутствие гравитации, которые нуждаются в распределении жидкостей без газа и/или предотвращении противотока паров, могут использовать преимущества настоящего изобретения.

Один или более элементов изобретения могут быть изготовлены из металла и впоследствии отлиты совместно с основной конструкцией вкладыша (10) так, чтобы быть нераздельными частями конструкции.

Настоящее изобретение может быть осуществлено в самых различных формах и с самыми различными материалами, таким образом не отклоняясь от его составляющих и существенных признаков, как заявлено ниже.

Формы и материалы в общем выбираются согласно потребностям полета, для которого они предназначены, и жидкостей, которые должны транспортироваться и/или храниться.

Описание изобретения должно быть принято во внимание исключительно посредством иллюстрации, и оно ни в коей мере не должно быть ограничивающим изобретение.

Поэтому объем изобретения должен быть рассмотрен, как обозначено в приложенной формуле изобретения, а не в соответствии с предшествующим описанием.

Любая модификация, которая попадает в пределы объема изобретения, и эквивалентность относительно прилагаемой формулы изобретения будут рассмотрены как включенные в пределы объема формулы изобретения.

Изобретение относится к топливным бакам для космических платформ, пусковых установок и любых видов космических транспортных аппаратов. Аппарат включает топливный бак. Вмещающий компонент бака изготовлен из пластмассового материала, совместимого с текучими средами, которые хранятся в баке, посредством технологии горячего формования отливки. Вмещающий компонент бака содержит внутри устройство для распределения жидкости и устройство для предотвращения противотока паров. Оба устройства, полностью или частично, изготовлены из того же самого пластмассового материала, используемого для вмещающего компонента. Вмещающий компонент бака образован нижним сводом, изготовленным из пластмассы, который объединяет внутри себя устройство для распределения текучей среды без наддува, с линиями подачи посредством отделителя жидкости, стрингеров и отстойников, и верхним сводом, изготовленным из пластмассы, который объединяет внутри себя устройство для предотвращения противотока паров. Оба свода объединяет в одно целое сегмент трубы, чтобы заполнять линии текучей средой, содержащейся в баке, и непосредственно бак газом наддува. Использование изобретения позволит обеспечить совместимость различных видов текучих сред и минимизировать общий вес бака. 6 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. Аппарат, включающий топливный бак, обеспечивающий совместимость различных типов текучих сред, способный вмещать и распределять текучие среды без газов, содержащихся в них в условиях микрогравитации, предотвращать пары от плавного обратного тока и минимизировать общий вес бака, отличающийся тем, что
a) вмещающий компонент бака изготовлен из пластмассового материала, совместимого с текучими средами, которые хранятся в баке, посредством технологии горячего формования отливки, которая объединяет все части функции в единый элемент;
b) содержит внутри устройство для распределения жидкости и устройство для предотвращения противотока паров; оба устройства, полностью или частично, изготовлены из того же самого пластмассового материала, используемого для вмещающего компонента;
c) образован нижним сводом, изготовленным из пластмассы, который объединяет внутри себя устройство для распределения текучей среды без наддува, с линиями подачи посредством элементов типа отделителя жидкости, стрингеров и отстойников, и верхним сводом, изготовленным из пластмассы, который объединяет внутри себя устройство для предотвращения противотока паров; причем оба свода объединяет в одно целое сегмент трубы, чтобы заполнять линии текучей средой, содержащейся в баке, и непосредственно бак газом наддува.

2. Аппарат по п.1, в котором элемент отстойника изготовлен из металлического материала и затем объединяется с отделителем жидкости и вводится в литьевую форму нижнего свода таким образом, чтобы получить полностью объединенный конечный элемент.

3. Аппарат по п.1, в котором отделитель жидкости для жидкой среды объединен с дополнительным отделителем жидкости, чтобы сохранять текучие среды в гравитационной окружающей среде и в течение горизонтальной транспортировки бака, частично или полностью заполненного текучими средами.

4. Аппарат по п.1, в котором отделитель жидкости и стрингеры выполнены для обеспечения функции демпфирования динамических нагрузок из-за смещения текучей среды в баке.

5. Аппарат по п.1, в котором материал вмещающей конструкции вкладыша является гибким с тем, чтобы увеличивать его легкость, уменьшая при этом его толщину, посредством оказания давления во время навивания волокна для усиления конструкции.

6. Аппарат по п.1, в котором внешняя поверхность вмещающей конструкции вкладыша соответственно изготовлена так, чтобы осуществлять необходимое сцепление волокна во время процесса его навивания.

7. Аппарат по п.1, в котором невозвратное устройство продублировано.