Топливный бак двигательной установки малого космического аппарата с эластичным вытеснителем топлива Российский патент 2023 года по МПК F02K9/50 B64G1/40 

Изобретение относится к космической технике и касается топливных баков двигательных установок (ДУ) малых космических аппаратов (МКА), преимущественно, класса наноспутник, с эластичным вытеснителем топлива (ЭВТ).

Известен топливный бак ДУ с ЭВТ в виде емкости с размещенным в ней топливом, соединенный с емкостью расходный трубопровод подачи топлива в микродвигатель, проходящий через бак, узлы герметизации расходного трубопровода с эластичной емкостью и оболочкой топливного бака, а также газобаллонную систему наддува бака для подачи газа в пространство между оболочкой бака и эластичной емкостью с целью сжатия емкости и вытеснения тем самым топлива в микродвигатель (см. книгу Беляев, Н. М Расчет и проектирование реактивных систем управления космических летательных аппаратов / Н. М. Беляев, И. Е. Уваров. - М.: Машиностроение, 1974. - 200 с., рис. 3.20).

Недостатком подобных топливных баков является увеличение массы конструкции и снижение надежности функционирования из-за конструктивной сложности узлов герметизации ЭВТ на выходе из топливного бака, находящегося под давлением вытеснения топлива, введения в состав ДУ газобаллонной системы подачи газа высокого давления, а также неконтролируемых остатков топлива незабора вследствие непрогнозируемой деформации ЖВТ, находящегося под внешним давлением, приводящей к вероятности перекрытия места входа топлива в расходный трубопровод.

Наиболее близким техническим решением к заявленному (прототипом) является топливный бак, содержащий ЭВТ в виде эластичной емкости с размещенными в ней топливом и заборным устройством топлива в виде цилиндрической оболочки с отверстиями, соединенной с расходным трубопроводом, узлы герметизации заборного устройства с эластичной емкостью и оболочкой топливного бака, а также газобаллонную систему наддува бака для подачи газа в пространство между оболочкой бака и эластичной емкостью для вытеснения топлива через отверстия заборного устройства в микродвигатель (см. книгу Беляев, Н. М Расчет и проектирование реактивных систем управления космических летательных аппаратов / Н. М. Беляев, И. Е. Уваров. - М.: Машиностроение, 1974. - 200 с., рис. 3.22).

Данное техническое решение обеспечивает забор топлива при любом пространственном положении эластичной емкости, но имеет следующие недостатки:

- увеличение габаритно-массовых характеристик ДУ из-за конструктивной сложности узлов герметизации заборного устройства с эластичной емкостью и топливным баком, необходимостью использования газобаллонной системы подачи газа высокого давления в бак;

- снижения надежности функционирования ЭВТ: в случае нарушения целостности эластичной емкости система будет функционировать в нештатном режиме с перемешиванием газа наддува с рабочим топливом, при этом не гарантировано полное вытеснение топлива из бака.

Указанные недостатки особенно проявляются при создании ДУ для наноспутников массой до (8-10) кг с ограничением габаритов и массы ДУ, например: габариты ДУ могут быть ограничены размерами 100х100х100 мм, масса топлива в виде смеси дистиллированной воды и этилового спирта может составлять 0,2 кг, а масса всей заправленной ДУ может составлять не более 1,1 кг. Использование указанного топливного бака с ЭВТ приведет к увеличению габаритов и пассивной массы ДУ.

Технической задачей заявляемого решения является снижение габаритно-массовых характеристик и повышения надежности функционирования топливного бака и двигательной установки в целом.

Поставленная задача достигается тем, что объемное заборное устройство образовано жестко закрепленной в баке эквидистантно расположенной, с зазором относительно его внутренней поверхности, оболочками с отверстиями, с образованием заборной полости, соединенной с расходным трубопроводом бака, при этом эластичный вытеснитель выполнен в виде размещенных внутри оболочки не менее четырех эластичных вытеснительных емкостей, внутри которых закачен газ под избыточным давлением подачи топлива, которое размещено в пространстве между внешними поверхностями эластичных вытеснительных емкостей и внутренней поверхностью топливного бака.

Заявленное техническое решение поясняется чертежом в виде объемных геометрических моделей топливного бака для указанного выше ДУ наноспутника, на котором изображено:

- на фиг. 1 общий вид топливного бака;

- на фиг. 2 разнесенный общий вид топливного бака;

- на фиг. 3 общий вид топливного бака без донышка;

- на фиг. 4 общий вид топливного бака в разрезе перед заправкой топлива;

- на фиг. 5 общий вид топливного бака в разрезе после заправки топлива.

Топливный бак с внутренней полостью содержит внешний корпус 1, внутренний корпус 2, съемное донышко 3, соединенное с внешним корпусом болтовым соединением 4, узлы вакуумирования и заправки 5, крепежные узлы 6.

Съемное донышко 3 через прокладку 7, при помощи болтового соединения 4, герметично соединено с внешним корпусом 1.

Внутренний корпус 2 изготовлен как единая деталь в виде полого стакана 8 с внешним донышком 9 и внутренним донышком 10, в котором выполнено заборное отверстие 11, соединяемое с расходным трубопроводом топлива для подачи его в пневмогидросистему ДУ (на чертеже не показан).

Полость внутреннего стакана 8 служит для размещения в нем пуско/отсечного электроклапана и микродвигателя ДУ и обеспечивает повышенную плотность компоновки всей ДУ.

Внешнее донышко 9 образует донышко всего бака и соединено, при помощи сварки, с внешним корпусом 1.

Объемное заборное устройство образовано жестко закрепленными в баке, при помощи узлов 6, эквидистантно расположенными, с зазором не более 1 мм относительно его внутренней поверхности, оболочками 12, 13, соединенными между собой поворотными замковыми устройствами (на чертеже не показано), с отверстиями, с образованием заборной полости, сообщаемой с заборным отверстием 11.

Внутри соединенных оболочек 12, 13 расположен эластичный вытеснитель в виде четырех эластичных вытеснительных емкостей 14, внутри которых закачен газ под избыточным давлением подачи топлива.

Топливо в виде смеси дистиллированной воды и этилового спирта размещено в пространстве 15 между внешними поверхностями эластичных вытеснительных емкостей 14 и внутренней поверхностью топливного бака.

Заявляемое устройство работает следующим образом.

Выбор начального избыточного давления в эластичных вытеснительных емкостях 14 на момент заправки топливного бака топливом в виде смеси дистиллированной воды и этилового спирта осуществляют с учетом гидросопротивления в расходной магистрали электротермической ДУ.

Заданное начальное давление в эластичных вытеснительных емкостях 14 может создаваться как при их изготовлении (при этом материал емкостей должен обеспечивать сохранение первоначальной формы в нормальных условиях, например износостойкие резиновые смеси), показаны на фиг. 2, так и в составе топливного бака путем введения в состав емкостей заправочных ниппелей (на чертеже не показаны).

Смонтированные в баке эластичные вытеснительные емкости 14 располагают в баке в соответствии с фиг 3.

Заправку топливом бака осуществляют массовым методом с выдачей в бак заданной заправляемой массовой дозы (для рассматриваемого бака с габаритами 100х100х100 мм масса топлива - не более 200 г).

Перед заправкой топливный бак вакуумируют через узел вакуумирования 5 во внешнем донышке 9, в котором выполнен аналогичный узел подачи заправляемого топлива. При вакуумировании эластичные вытеснительные емкости 14 деформируются с увеличением объема, ограниченного внутренними поверхностями заборных оболочек 12, 13 с отверстиями в соответствии с фиг 4.

Заправку топлива в бак осуществляют через аналогичный узел 5 подачи заправляемого топлива, при этом эластичные вытеснительные емкости 14 деформируются с уменьшением объема и увеличением давления и занимают положение в соответствии с фиг.5.

Топливный бак входит в состав импульсной ДУ, содержащей пуско/отсечной электроклапан, соединенный трубопроводами с заборным отверстием 11 и с электротермическим микродвигателем с газоводами и нагревательным элементом.

Запуск ДУ происходит по горячей схеме, при которой предварительно разогревается микродвигатель нагревательным элементом, а затем через пуско/отсечной электроклапан подается топливо.

Топливо эластичными вытеснительными емкостями 14 под давлением при кратковременном открытии пуско/отсечного электроклапана (не более
1 с) вытесняется через заборные оболочки 12, 13 с отверстиями и попадает в заборное отверстие 11 и далее через трубопроводы в пускр/отсечной электроклапан в микродвигатель. С учетом выполнения множества отверстий в заборных оболочках 12, 13 обеспечивается подача топлива в заборное отверстие 11 в условиях невесомости при любом пространственном положении эластичных вытеснительных емкостей 14.

С учетом того, что давление вытеснения в эластичных вытеснительных емкостях 14 меняется от конечного (при заправке) до начального (в конце работы ДУ) равномерную массовую подачу топлива через пуско/отсечной электроклапан обеспечивают регулированием времени открытия клапана в процессе работы ДУ.

При потере герметичности одной из эластичных вытеснительных емкостей 14 работоспособность всей ДУ не нарушится при сохранении герметичности оставшихся вытеснительных емкостей. Попадание газа из емкости с нарушенной герметичностью в топливо приведет к нештатной работе электротермического микродвигателя, в который будет попадать газожидкостная смесь, но при этом все топливо из топливного бака будет выработано.

Масса объемного заборного устройства в виде оболочек 12,13 для габаритов ДУ 100х100х100 мм составляет 194 г.

Масса системы наддува бака в устройстве по прототипу в составе: газобаллонная система наддува для габаритов ДУ 100х100х100 мм (бак объемом 212 см³ с газом наддува (441 г), пуско/отсечной клапан (40 г), штуцеры и трубопровод (16 г), система герметизации эластичной емкости с корпусом бака (30 г), заборное устройство (15 г) составляет 546 г.

Экономия массы составляет 64%.

Кроме того, наличие газобаллонной системы в устройстве по прототипу увеличивает объем ДУ в целом на 25%.

Технический результат: снижение пассивной массы ДУ на 64%; сокращение объема ДУ на 25%; повышение надежности функционирования топливного бака и ДУ в целом.

Изобретение относится к области ракетно-космической техники, а именно к топливным бакам двигательных установок космических аппаратов. Топливный бак содержит внешний корпус, эквидистантно расположенные с зазором оболочки с отверстиями с образованием заборной полости и эластичный вытеснитель топлива в виде четырёх емкостей, находящихся под действием избыточного давления газа. Достигается снижение массо-габаритных характеристик и повышение надежности функционирования топливного бака и двигательной установки в целом. 5 ил.

Топливный бак двигательной установки малого космического аппарата с эластичным вытеснителем топлива, содержащий внешний корпус, эластичный вытеснитель топлива, находящийся под действием избыточного давления газа и заборное устройство в виде оболочки с отверстиями, соединенное с расходным трубопроводом бака, отличающийся тем, что объемное заборное устройство образовано жестко закрепленными в баке эквидистантно расположенными, с зазором относительно его внутренней поверхности, оболочками с отверстиями, с образованием заборной полости, соединенной с расходным трубопроводом бака, при этом эластичный вытеснитель выполнен в виде размещенных внутри оболочки не менее четырех эластичных вытеснительных емкостей, внутри которых закачен газ под избыточным давлением подачи топлива, которое размещено в пространстве между внешними поверхностями эластичных вытеснительных емкостей и внутренней поверхностью топливного бака.