Пусковой топливный клапан летательного аппарата Российский патент 2021 года по МПК B64D37/00 F02K9/50 

Изобретение относится к устройствам для подачи топлива из топливного бака летательного аппарата (ЛА) с вытеснительной системой подачи топлива, стартующего при помощи стартового ускорителя, и может быть использовано при проектировании и производстве новых образцов ракетной техники.

В настоящее время разрабатывается большое количество ЛА с жидкостными ракетными, турбореактивными или прямоточными маршевыми двигателями. Первоначальный старт и разгон до скорости, необходимой для нормального запуска маршевых двигателей, производится при помощи стартовых ускорителей. Подача топлива в маршевый двигатель для его запуска производится к моменту окончания работы стартового ускорителя. Для пуска топлива в маршевый двигатель используют топливные клапаны различных конструкций. Момент их срабатывания определяется или по времени, или при достижении ЛА определенной скорости. При этом система управления ЛА выдает соответствующий сигнал на срабатывание топливного клапана. В подавляющем большинстве случаев происходит срабатывание пиротехнического устройства.

Известны пусковые клапаны различных конструкций. Наиболее распространеннной является конструкция устройств, аналогичных пироклапану, содержащему корпус, заглушку, мембрану, перекрывающую топливную магистраль, шток с уплотнительными кольцами и источник энергии - пиропатрон. Срабатывание пироклапана происходит при подаче на пиропатрон электрического сигнала. После срабатывания пиропатрона пороховые газы толкают шток, и он, перемещаясь в корпусе, срезает мембрану, открывая тем самым подачу топлива в топливную магистраль.

Недостатки подобной конструкции заключаются в том, что для обеспечения его работы необходимы:

- специальная ветка кабеля от системы управления и подача электрического сигнала в определенный момент времени, что усложняет конструкцию, при этом кабель уменьшает полезное пространство в отсеке ЛА;

- пиропатрон, требующий особых условий хранения и обращения и являющийся устройством одноразового действия, т.е. его работоспособность не может быть проверена перед сборкой ЛА;

- срезаемая мембрана, которая должна иметь строго определенные характеристики материала и толщину, чтобы, с одной стороны, надежно перекрывать топливную магистраль до старта, выдерживая повышение давления при нагреве топлива, с другой - гарантированно прорезаться при воздействии на нее штока при старте.

Клапан, в целом, имеет сложную форму, затрудняющую его изготовление, и значительные габариты, уменьшая полезное пространство в отсеке ЛА.

Известен пусковой клапан с разрушаемым элементом [1. Пат. 2579299 RU, МПК⁶ F16K 17/14. Пусковой клапан / Баскаков В.И., Иванова Т.В. - Заявл. 04.03.2016; опубл. 10.04.2016, Бюл. №10.], содержащий полый корпус с входным патрубком в форме стакана со срезаемым дном. Выходной патрубок установлен соосно входному. Силовой привод выполнен в виде поршня со штоком, взаимодействующим со срезаемым дном. Приемная камера для срезаемого дна смонтирована на корпусе. При этом между корпусом и приемной камерой установлена шторка в виде упругой лепестковой мембраны. В донной части приемной камеры закреплен демпфер из пластичного материала в форме выпуклой чашеобразной диафрагмы.

Недостатком данного изобретения является сложность конструкции, предполагающей наличие специальных, отдельно изготовленных деталей, т.е. демпфера и диафрагмы с лепестками, для фиксации подвижного элемента после срабатывания.

Известен быстродействующий клапан для подачи жидкости [2. Пат. на ПМ 164512 SU, МПК F06k, F02k. Быстродействующий клапан для подачи жидкости, например компонента топлива в ЖРД / Беляев Ю.В. и др. - Заявл. 10.11.1963; опубл. 13.08.1964.], содержащий корпус, срезаемую мембрану, гибкую диафрагму, пробивающий элемент и пиропривод, выполненный в виде отдельного узла.

Конструкция имеет сложную форму, содержит множество деталей, среди которых два элемента изготовлены из материалов с характеристиками, требующими особого контроля свойств, - срезаемую мембрану и гибкую диафрагму. Кроме того, клапан не технологичен, и его производство трудоемко из-за наличия пиротехнического элемента.

Целью заявляемого изобретения является разработка пускового топливного клапана ЛА, характеризующегося автоматизмом срабатывания и простотой конструкции.

Заявляемый пусковой топливный клапан ЛА состоит из корпуса и расположенного в нем поршня с уплотнительным кольцом. На корпусе жестко и герметично закреплен перевернутый стакан, в полости которого размещен сильфон с герметичной полостью. Один конец сильфона жестко прикреплен ко дну стакана, а второй конец выполнен с зацепом. В корпусе топливного клапана и в поршне выполнены отверстия под зацеп, имеющий возможность перемещения в этих отверстиях. В корпусе выполнено отверстие для заполнения полости стакана топливом.

Заявляемое устройство поясняется чертежами (фиг. 1-2).

На чертежах показан пусковой топливный клапан, содержащий: корпус 1, поршень 2, расположенный внутри корпуса 1, уплотнительное кольцо 3, перевернутый стакан 4, в полости которого размещен сильфон 5 с герметичной полостью и зацепом 6, фиксирующим поршень 2 в корпусе 1. Уплотнительное кольцо 3 обеспечивает герметичность установки поршня 2 в корпус 1. Перевернутый стакан 4 жестко и герметично закреплен на корпусе 1. Один конец сильфона 5 жестко прикреплен ко дну стакана 4 гайкой 7, а второй конец сильфона 5 выполнен с зацепом 6. В корпусе 1 и в поршне 2 выполнены сквозные отверстия 8 и 9 соответственно под зацеп 6 сильфона 5. В корпусе 1 выполнено сквозное отверстие 10 для заполнения полости стакана 4 топливом и передачи давления на сильфон 5. Корпус 1 выполнен с упором 11 для стопорения поршня 2.

Топливный клапан расположен в задней части топливного бака 12 топливной системы ЛА, на входе в двигатель 13.

В процессе изготовления ЛА и на этапе его хранения происходит повышение давления в полости топливного бака 12. При этом на сильфон 5 и на поршень 2 действует давление, вызывающее перемещение зацепа 6, но недостаточное для расфиксации поршня 2.

При старте ЛА производится наддув топливного бака 12 до определенного давления. Одновременно с этим производится разгон ЛА с помощью стартового ускорителя. Возникает перегрузка, действующая в направлении двигателя 13 и вызывающая повышение давления в задней части топливного бака 12 до значения равного:

где:

ρ - плотность топлива;

g - ускорение свободного падения;

h - высота столба жидкости, в данном случае равная длине топливного бака, т.к. перегрузка при старте действует продольно, в направлении двигателя, расположенного в хвостовой части ЛА;

G - значение перегрузки, возникающей при работе стартового ускорителя.

Давление перегрузки суммируется с давлением наддува бака 12. От действия давления, равного сумме давления наддува и давления перегрузки, вызванного ускорением ЛА, сильфон 5 сжимается, вытягивая зацеп 6 из отверстия 9 поршня 2, таким образом при достижении расчетного перемещения зацеп 6 расфиксирует поршень 2. Неудерживаемый более поршень 2 под воздействием давления перемещается в корпусе 1 до достижения упора 11, при этом расширение в корпусе 1 позволяет топливу по открывшемуся зазору поступать к двигателю 13.

На этапе хранения и транспортирования давление в топливном баке ЛА может повышаться до значения, определяемого конструкцией бака и специальными компенсирующими мерами, т.е. применением компенсаторов давления, например, наличием воздушной подушки. При этом данное значение не превышает расчетной суммы давлений наддува и перегрузки, т.е. хода сильфона 5 не достаточно для выхода зацепа 6 из отверстий 8 и 9 и для расфиксации поршня 2 соответственно.

Техническим результатом заявляемого изобретения является создание пускового топливного клапана ЛА, характеризующегося автоматизмом срабатывания и простотой конструкции.

Технический результат достигается за счет конструктивных особенностей клапана.

Дополнительным преимуществом клапана является надежность, которая достигается благодаря:

- конструктивным особенностям клапана;

- исключению из конструкции следящих и исполнительных устройств, электрических или пиротехнических;

- рассчитанной жесткости сильфона, позволяющей ему сжиматься на необходимую величину при достижении расчетного давления, что позволяет производить подачу топлива в двигатель к моменту его запуска.

Конструктивные особенности заявляемого клапана позволяют производить испытания, связанные с повышенным давлением, при наземной отработке и обеспечивают надежное и безопасное хранение изделия.

Конструкция заявляемого клапана проста, что обуславливает технологичность и экономическую эффективность его изготовления.

Устройство может быть выполнено с помощью стандартного оборудования и материалов отечественного производства. Таким образом, заявленное изобретение соответствует критерию «промышленная применимость».

Источники, принятые во внимание:

1. Пат. 2579299 RU, МПК⁶ F16K17/14. Пусковой клапан / Баскаков В.И., Иванова Т.В. - Заявл. 04.03.2016; опубл. 10.04.2016, Бюл. №10.

2. Пат. на ПМ 164512 SU, МПК F06k, F02k. Быстродействующий клапан для подачи жидкости, например компонента топлива в ЖРД / Беляев Ю.В. и др. - Заявл. 10.11.1963; опубл. 13.08.1964.

3. Пат. 2507129 RU, МПК⁶ B64D 37/10, F02K 9/50. Топливный бак двигательной установки летательного аппарата / Булаев А.А., Никитин В.И. - Заявл. 24.07.2012; опубл. 20.02.2014, Бюл. №5.

4. Пат. 2507127 RU, МПК⁶ B64D 37/02. Топливный бак летательного аппарата / Кочнев И.А. и др. - Заявл. 11.05.2012; опубл. 20.02.2014, Бюл. №5.

5. Пат. 2021168 RU, МПК (1990.01) B64D 37/00. Способ выработки топлива из баков летательного аппарата и топливная система летательного аппарата / Белов А.П., Марфуненков К.А., Ацеров П.А. - Заявл. 10.04.1992; опубл. 15.10.1994.

6. Пат. 2497724 RU, МПК⁶ B64D 37/00. Топливный бак летательного аппарата / Никитин В.И., Куранов Е.Г., Реш Г.Ф. - Заявл. 09.04.2012; опубл. 10.11.2013, Бюл. №31.

7. Пат. 2120054 RU, МПК (1995.01) F02M 37/00, F02M 37/22. Система питания двигателя внутреннего сгорания / Куколев П.В., Горбунов В.В., Солдатов В.П. - Заявл. 20.05.1997; опубл. 10.10.1998.

8. Пат. 148659 SU, МПК 46g, 1₀₅. Устройство для регулирования подачи и отсечки подачи компонентов топлива, например, к агрегатам ЖРД / Беляев Ю.В., Шмуклер Б.Ю. - Заявл. 29.09.1961; опубл. в 1962 г., Бюл. №13.

9. Пат. 2046201 RU, МПК (1995.01) F02K 9/58. Пиропереключатель / Беляков В.В. - Заявл. 20.11.1989; опубл. 20.10.1995.

10. Пат. 2081793 RU, МПК (1995.01) B64D 37/00. Система перекачки топлива летательного аппарата / Белов А.П., Моисеев В.И., Сяфуков А.Х. - Заявл. 01.07.1994; опубл. 10.07.1996.

11. Пат. 2667126 FR, МПК B22D 1/00 и др. Connection device with automatic positioning / Claude Masse - Заявл. 26.09.1990; опубл. 27.03.1992.

12. Пат. 2509910 RU, МПК⁶ F02K 9/95. Устройство для химического зажигания компонентов топлива в ЖРД / Билевич Д.Н. и др. - Заявл. 30.11.2012; опубл. 20.03.2014, Бюл. №8.

13. Поликовский В.И. Силовые установки летательных аппаратов с воздушно-реактивными двигателями: Учеб. пособие [Текст] / В.И. Поликовский, Д.Н. Сурнов / МАИ им. С. Орджоникидзе. - М.: Машиностроение, 1965. - 261 с.

14. Башта Т.М. Машиностроительная гидравлика: Справ, пособие [Текст] / Т.М. Башта. - 2-е изд., перераб. и доп.- М.: Машиностроение, 1971. - 672 с.

15. Киселев П.Г. Справочник по гидравлическим расчетам: [Текст] / П.Г. Киселев. - 2-е изд. - М. - Л.: Госэнергоиздат, 1957. - 352 с.

Изобретение относится к устройствам для подачи топлива из топливного бака летательного аппарата. Пусковой топливный клапан летательного аппарата состоит из корпуса (1) и расположенного в нем поршня (2) с уплотнительным кольцом (3). На корпусе жестко и герметично закреплен перевернутый стакан (4), в полости которого размещен сильфон (5) с герметичной полостью. Один конец сильфона жестко прикреплен ко дну стакана, а второй конец выполнен с зацепом (6). В корпусе топливного клапана и в поршне выполнены отверстия (8) под зацеп (6), имеющий возможность перемещения в этих отверстиях (8). В корпусе выполнено отверстие (10) для заполнения полости стакана топливом. Достигается автоматизмом срабатывания и упрощение конструкции. 2 ил.

Пусковой топливный клапан летательного аппарата, состоящий из корпуса и расположенного в нем поршня с уплотнительным кольцом, отличающийся тем, что на корпусе жестко и герметично закреплен перевернутый стакан, в полости которого размещен сильфон с герметичной полостью; один конец сильфона жестко прикреплен ко дну стакана, а второй конец выполнен с зацепом; в корпусе топливного клапана и в поршне выполнены отверстия под зацеп сильфона, при этом зацеп имеет возможность перемещения в этих отверстиях; в корпусе выполнено отверстие для заполнения полости стакана топливом.