УСОВЕРШЕНСТВОВАННАЯ СИСТЕМА ПИТАНИЯ РАКЕТНЫМ ТОПЛИВОМ ДЛЯ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА Российский патент 2018 года по МПК B64G5/00 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к технической области систем заправки ракетным топливом космического аппарата и находит свое применение, в частности для криогенных или некриогенных двигателей ракеты-носителя.

Уровень техники

Заправку ракетным топливом космического аппарата, такого как ракета, необходимо производить как можно ближе к старту, чтобы максимально ограничить время хранения ракетного топлива в баках ракеты.

Однако существующие устройства для подачи топлива в баки космического аппарата создают значительные потери напора, которые существенно уменьшают расход, с которым заполняются баки, и существенно увеличивают продолжительность заполнения, что приводит к увеличению времени хранения ракетного топлива в баках космического аппарата.

Кроме того, использование криогенного ракетного топлива затрудняет применение некоторых технологий, в частности, применение электромагнитных приводов, которые не совместимы с такими температурами, например, порядка -253°С.

Наконец, модификация комплектующих, расположенных на космическом аппарате является проблематичной, так как предполагает осуществление множества сложных и длительных испытаний. Следовательно, необходимо избегать внесения изменений в бортовую часть, то есть в конструкцию космического аппарата.

Раскрытие изобретения

Чтобы по меньшей мере частично решить эти проблемы, изобретением предложена система питания ракетным топливом космического аппарата, содержащая:

- бортовое устройство, содержащее

• корпус, имеющий отверстие питания, ведущее к бортовому баку,

• клапан, выполненный с возможностью выборочного перекрывания или открывания указанного отверстия питания,

- наземное устройство, содержащее

• трубопровод питания, имеющий свободный конец,

• корпус органа управления, окружающий указанный свободный конец трубопровода питания и снабженный приводом,

при этом бортовое устройство и наземное устройство выполнены с возможностью соединения так, чтобы в открытой конфигурации обеспечивать перекачку ракетного топлива из трубопровода питания в бортовой бак и в закрытой конфигурации изолировать бортовой бак от трубопровода питания, при этом привод выполнен с возможностью управления открыванием и перекрыванием отверстия питания при помощи клапана,

причем, согласно изобретению, указанный привод окружает внешнюю периферию трубопровода питания.

Таким образом, изобретением предложена система питания ракетным топливом для космического аппарата, в которой потери напора на уровне соединения между космическим аппаратом и наземным оборудованием сведены к минимуму, за счет чего время заполнения бака космического аппарата значительно сократилось. Кроме того, размеры клапана уменьшились, что способствует снижению полетной массы.

Кроме того, предложенную систему можно использовать на существующих космических аппаратах без внесения каких-либо изменений в сам космический аппарат. Наконец, система является совместимой с криогенным ракетным топливом. Согласно частному варианту осуществления, наземное устройство содержит пусковую конструкцию, содержащую наземный бак, с которым соединен трубопровод питания, при этом пусковая конструкция дополнительно содержит затвор, выполненный так, чтобы

- в конфигурации питания соединять указанный трубопровод питания с наземным баком,

- в конфигурации перекрывания изолировать трубопровод питания от наземного бака.

Пусковая конструкция обычно дополнительно содержит систему слива, выполненную с возможностью осуществления продувки трубопровода питания так, чтобы при подаче команды указанная система слива откачивала ракетное топливо, содержащееся в указанном трубопроводе питания, и направляла его в бак базы.

Система питания ракетным топливом может дополнительно содержать средства обнаружения утечек, выполненные с возможностью осуществления проверок на герметичность в указанном трубопроводе питания, когда клапан перекрывает указанное отверстие питания.

Обычно привод соединен с упругим возвратным средством, действующим толкающим усилием на привод, стремясь переместить его в открытую конфигурацию, в которой привод открывает клапан.

При этом система предпочтительно содержит орган управления, например, пневматический орган, выполненный с возможностью воздействия усилием на привод, противодействующим толкающему усилию, создаваемому упругим возвратным средством, таким образом, чтобы стремиться переместить привод в закрытую конфигурацию.

С другой стороны, привод может быть соединен с упругим возвратным средством, действующим толкающим усилием на привод, стремясь переместить его в закрытую конфигурацию, в которой привод закрывает клапан.

При этом система предпочтительно содержит орган управления, например, пневматический орган, выполненный с возможностью воздействия усилием на привод, противодействующим толкающему усилию, создаваемому упругим возвратным средством, так, чтобы стремиться переместить привод в открытую конфигурацию.

Краткое описание чертежей

Другие отличительные признаки, задачи и преимущества изобретения будут более очевидны из нижеследующего описания, представленного исключительно в качестве иллюстративного и неограничивающего примера, со ссылками на прилагаемые чертежи.

На фиг. 1 показана заявленная система питания ракетным топливом в конфигурации питания;

на фиг. 2 показана система, изображенная на фиг. 1, в закрытой конфигурации.

На всех чертежах общие элементы обозначены одинаковыми цифровыми позициями.

Осуществление изобретения

На фиг. 1 показана заявленная система питания ракетным топливом в конфигурации питания.

На этой чертеже показаны бортовая часть 10 и наземная часть 20, соответствующие бортовому оборудованию на космическом аппарате и оборудованию, установленному на земле.

Таким образом, показанная на фиг. 1 система питания содержит оборудование бортовой части 10 и оборудование наземной части 20.

В частности, показанная система содержит в бортовой части 10 бортовое устройство 100, содержащее:

- корпус 110, имеющий отверстие 112 питания, ведущее к бортовому баку 120;

- клапан 134, установленный с возможностью перемещения скольжением, соединенный с направляющей 130 клапана и выполненный с возможностью выборочного перекрывания или открывания указанного отверстия 112 питания корпуса 110.

Клапан 134 расположен так, чтобы в зависимости от своего перемещения в направляющей 130 клапана перекрывать или не перекрывать отверстие 112 питания.

Предпочтительно между направляющей 130 клапана и корпусом 110 установлен направляющий элемент 140.

Направляющая 130 клапана связана с толкающим средством 160, выполненным так, чтобы в отсутствие приложения дополнительных усилий действовать толкающим усилием на направляющую 130 клапана для удержания клапана 134 в положении перекрывания отверстия 112 питания.

В наземной части 20 на фиг.1 показано наземное устройство 200, содержащее:

- трубопровод 210 питания, имеющий свободный конец 212,

- наземный бак 220, установленный в пусковой конструкции 230.

Трубопровод питания оснащен корпусом 240 органа управления, окружающим свободный конец 212 и обеспечивающим его крепление на корпусе 110.

Корпус 240 органа управления снабжен приводом 250, установленным с возможностью перемещения скольжением вокруг свободного конца 212 на внешней периферии трубопровода 210 питания. Привод 250 связан с упругим возвратным средством 260, в данном случае с толкающей пружиной, действующей толкающим усилием на привод 250, стремясь переместить его таким образом, чтобы свободный конец 252 привода 250 вышел за пределы свободного конца 212 трубопровода 210 питания.

Показанный корпус 240 органа управления содержит также отверстие 245 управления, выполненное с возможностью приложения давления управления к приводу 250, противодействующего толкающему усилию, создаваемому упругим возвратным средством 260, и позволяющего переместить привод 250 так, чтобы его свободный конец 252 приблизился к свободному концу 212 трубопровода 210 питания.

Когда бортовое устройство 100 и наземное устройство 200 объединены, свободный конец 212 трубопровода 210 питания расположен напротив отверстия 112 питания корпуса 110.

Таким образом, привод 250 расположен напротив отверстия 112 питания корпуса 110. Привод 250 выполнен так, чтобы при объединении бортового устройства 100 и наземного устройство 200 свободный конец 252 привода 250 вошел в контакт с подвижной частью 130, предпочтительно по существу на наружной периферии подвижной части 130.

Таким образом, привод 250 может управлять перемещением клапана 134 и, следовательно, открыванием или перекрыванием отверстия 112 питания, например, перемещая направляющую 130 клапана таким образом, чтобы клапан 134 перекрывал или не перекрывал каналы питания, выполненные вблизи отверстия 112 питания.

Показанное упругое возвратное средство 260 действует толкающим усилием на привод 250, стремясь переместить направляющую 130 клапана, чтобы клапан 134 открыл отверстие 112 питания, и обеспечить таким образом прохождение текучей среды из трубопровода 210 питания в бортовой бак 120.

И наоборот, приложение давления управления через отверстие 245 управления позволяет управлять приводом 250 так, чтобы уменьшить или даже аннулировать усилие, которым он действует на клапан 130; при этом толкающее средство 160 переводит клапан 130 в закрытую конфигурацию, в которой клапан 134 перекрывает отверстие 112 питания, как показано на фиг. 2.

Таким образом, управление открыванием или закрыванием отверстия 112 питания можно осуществлять посредством управления давлением, прикладываемым через отверстие 245 управления.

В представленном варианте осуществления в отсутствие давления управления, прикладываемого через отверстие 245 управления, на привод 250 действует толкающее усилие со стороны упругого возвратного средства 260, которое стремится открыть отверстие 112 питания; следовательно, в данном случае осуществляют управление открыванием отверстия 112 питания.

Можно также реализовать обратную конфигурацию, в которой осуществляют управление закрыванием отверстия 112 питания. При этом упругое возвратное средство выполнено с возможностью создания усилия, стремящегося переместить привод 250 таким образом, чтобы аннулировать или по крайней мере минимизировать усилие, которым он действует на направляющую 130 клапана, при этом клапан 134 перекрывает отверстие 112 питания в отсутствие давления, прикладываемого через отверстие 245 управления.

Трубопровод 210 питания соединен с наземным баком 220, который связан с системой 222 перекачки, обычно содержащей насос, выполненный с возможностью обеспечения перекачки текучей среды, такой как ракетное топливо, из наземного бака 220 в бортовой бак 120 через трубопровод 210 питания и отверстие 112 питания.

Вблизи свободного конца 212 трубопровода 210 питания расположен также затвор 214, выполненный так, чтобы в конфигурации перекрывания перекрывать трубопровод 210 питания, а в конфигурации питания обеспечивать перекачку текучей среды из наземного бака 220 в бортовой бак 120. На фиг. 1 затвор 214 показан в конфигурации питания, а на фиг. 2 - в конфигурации перекрывания.

Далее следует описание примера работы представленной системы.

Рассмотрим первоначальную конфигурацию, в которой бортовое устройство 100 и наземное устройство 200 соединены. Затвор 214 закрыт, так же как и клапан 134. Таким образом, бортовой бак 120 и наземный бак 220 изолированы друг от друга.

Бортовое устройство 100 и наземное устройство 200 соединяют, как показано на фиг. 1. Привод 250 открывает впускное отверстие 112.

Затвор 214 открывают и систему 222 перекачки приводят в действие для заполнения бортового бака текучей средой, содержащейся в наземном баке 220.

После заполнения бортового бака 120 до необходимого уровня заполнение прекращают. Приводом 250 управляют таким образом, чтобы он перестал действовать усилием открывания на направляющую 130 клапана 134, и бортовой бак 120 оказывается изолирован от трубопровода 210 питания. Система 222 перекачки перестает перекачивать текучую среду из наземного бака 220 в трубопровод 210 питания.

При этом трубопровод 210 питания заполнен текучей средой. Чтобы избежать выливания этой текучей среды при разъединении бортового устройства 100 и наземного устройства 200, трубопровод 210 питания опорожняют, продувая находящуюся в нем текучую среду, затем затвор 214 закрывают. Опорожнение трубопровода питания обычно производят при помощи системы слива, которая может, например, подавать давление в трубопровод 210 питания.

В трубопроводе 210 питания можно провести проверки, позволяющие проверить герметичность клапана 134.

После проведения проверок космический аппарат может взлетать, при этом бортовое устройство 100 и наземное устройство 200 отделены друг от друга.

Предложенная система имеет ряд преимуществ.

Во-первых, расположение привода на внешней периферии трубопровода 210 питания, а не внутри трубопровода 210 питания позволяет ограничить присутствие комплектующих, расположенных в трубопроводе 210 питания и, следовательно, ограничить возмущения потока текучей среды в трубопроводе 210 питания. За счет этого уменьшаются потери напора, расход можно увеличить и, следовательно, заполнение бортового бака 120 можно ускорить при меньшем диаметре клапана 134 в бортовой части.

Расположение привода 250 на внешней периферии трубопровода 210 питания и вынос наружу каналов элементов управления приводом 250 позволяет расположить на одной линии трубопровод питания и отверстие 112 питания, что является преимуществом с точки зрения уменьшения потерь напора.

Кроме того, предложенная конструкция привода 250 и системы управления приводом является более совместимой с криогенным ракетным топливом, обычно используемым для космических аппаратов, которое достигает температур порядка -253°С, то есть несовместимых с некоторыми типами приводов, таких как магнитные приводы.

Наконец, представленное наземное устройство 200 можно использовать, не внося конструктивных изменений на уровне бортового устройства 100. При приведении в действие клапана 134 значение имеют только размеры трубопровода 210 питания и привода 250. Таким образом, предложенное наземное устройство 200 можно объединять с существующими бортовыми устройствами 100.

Изобретение относится к системам заправки ракетным топливом (РТ) космического аппарата (КА). Система питания РТ КА содержит бортовое устройство (100), включающее корпус (110) с отверстием (112) питания, ведущим к бортовому баку (120), и клапан (134), выполненный с возможностью выборочного перекрывания или открывания указанного отверстия (112) питания, и наземное устройство (200), содержащее трубопровод (210) питания со свободным концом (212), корпус (240) органа управления, окружающий указанный свободный конец (212) трубопровода (210) питания и снабженный приводом (250). Бортовое устройство (100) и наземное устройство (200) выполнены с возможностью соединения так, чтобы в открытой конфигурации обеспечивать перекачку ракетного топлива из трубопровода (210) питания в бортовой бак (120), а в закрытой конфигурации изолировать бортовой бак (120) от трубопровода (210) питания. Привод (250) выполнен с возможностью управления открыванием и перекрыванием отверстия (112) питания при помощи клапана (134). Привод (250) окружает внешнюю периферию трубопровода (210) питания. Техническим результатом изобретения является уменьшение времени заполнения бортового бака с уменьшением потерь напора. 8 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Система питания ракетным топливом космического аппарата, содержащая:

- бортовое устройство (100), содержащее

- корпус (110), имеющий отверстие (112) питания, ведущее к бортовому баку (120), и

- клапан (134), выполненный с возможностью выборочного перекрывания или открывания указанного отверстия (112) питания;

- наземное устройство (200), содержащее

- трубопровод (210) питания, имеющий свободный конец (212), и

- корпус (240) органа управления, окружающий указанный свободный конец (212) трубопровода (210) питания и снабженный приводом (250),

при этом бортовое устройство (100) и наземное устройство (200) выполнены с возможностью соединения так, чтобы в открытой конфигурации обеспечивать перекачку ракетного топлива из трубопровода (210) питания в бортовой бак (120) и в закрытой конфигурации изолировать бортовой бак (120) от трубопровода (210) питания, при этом привод (250) выполнен с возможностью управления открыванием и перекрыванием отверстия (112) питания при помощи клапана (134),

отличающаяся тем, что, что указанный привод (250) окружает внешнюю периферию трубопровода (210) питания.

2. Система по п. 1, в которой наземное устройство содержит пусковую конструкцию (230), содержащую наземный бак (220), с которым соединен трубопровод (210) питания, при этом указанная система дополнительно содержит затвор (214), выполненный с возможностью

- в конфигурации питания обеспечивать перекачку ракетного топлива между наземным баком (220) и бортовым баком (120), и

- в конфигурации перекрывания изолировать бортовой бак (120) от наземного бака (220).

3. Система по п. 2, в которой указанная пусковая конструкция дополнительно содержит систему слива, выполненную с возможностью осуществления продувки трубопровода (210) питания так, чтобы при подаче команды указанная система перекачки откачивала ракетное топливо, содержащееся в указанном трубопроводе (210) питания, и направляла его в бак базы.

4. Система по п. 2, дополнительно содержащая средства обнаружения утечек, выполненные с возможностью осуществления проверок на герметичность в указанном трубопроводе (210) питания, когда клапан (134) перекрывает отверстие (112) питания.

5. Система по п. 1, в которой указанный привод (250) соединен с упругим возвратным средством (260), действующим толкающим усилием на привод (250), стремясь переместить его в открытую конфигурацию, в которой привод (250) открывает клапан (134).

6. Система по п. 5, содержащая орган (245) управления, выполненный с возможностью воздействия усилием на привод (250), противодействующим толкающему усилию, создаваемому упругим возвратным средством (260), так, чтобы стремиться переместить привод в закрытую конфигурацию.

7. Система по п. 1, в которой указанный привод (250) соединен с упругим возвратным средством (260), действующим толкающим усилием на привод (250), стремясь переместить его в закрытую конфигурацию, в которой привод (250) закрывает клапан (134), при этом клапан (134) перекрывает отверстие (112) питания.

8. Система по п. 7, содержащая орган (245) управления, выполненный с возможностью воздействия усилием на привод (250), противодействующим толкающему усилию, создаваемому упругим возвратным средством (260), так, чтобы стремиться переместить привод (250) в открытую конфигурацию, в которой клапан (134) не перекрывает отверстие (112) питания.

9. Система по одному из пп. 6 или 8, в которой орган (245) управления является пневматическим органом управления.