Способ термостатирования зоны полезного груза в многослойном головном обтекателе космической головной части Российский патент 2024 года по МПК B64G1/48 F24F9/00 

Изобретение относится к ракетно-космической технике, в частности к способу термостатирования полезного груза (ПГ) в период предстартовой подготовки ракеты-носителя (РН).

Известен способ термостатирования зоны под головным обтекателем (ГО), включающий вдув подготовленного термостатирующего теплоносителя (ТТ) под ГО космической головной части (КГЧ), с последующим истечением из-под ГО в окружающую среду и с ограничениями по скорости вблизи ПГ, при которой обеспечивается допустимая температура ПГ в период предстартовой подготовки [1].

Недостатками этого технического решения являются высокие требования, предъявляемые к характеристикам ТТ, например, к максимальной скорости вблизи ПГ, к чистоте и влажности, что обуславливает необходимость использования больших холодильно-нагревательных центров с высоким энергопотреблением, а также необходимость создания диффузоров или других устройств для снижения скорости ТТ до дозвукового диапазона при входе в зону ПГ [2].

Известен способ термостатирования зоны разгонного блока (РБ) (RU 2280596 С2; МПК F24F 13/06; RU 2285640 С2; МПК F24F 13/06), в котором подача ТТ в зону РБ осуществляется через дозвуковой диффузор с использованием клапанов одностороннего действия для истечения ТТ.

Известен способ термостатирования зоны под КГЧ (RU 2290353 С2; МПК F24F 13/06), в котором подача ТТ в зону под КГЧ происходит одновременно в зону ПГ и РБ, при этом истечение ТТ происходит с закруткой через устройства вдува, установленное в зоне ПГ под сферической частью ГО.

Известен способ термостатирования зоны под КГЧ (RU 2353556 С2 МПК F24F 13/06), в котором подача ТТ в зону под КГЧ происходит одновременно в зону ПГ и РБ, при этом истечение ТТ происходит с закруткой через устройства вдува.

Общими недостатками этих трех способов являются высокие требования к качеству ТТ, а также необходимость использования дозвукового диффузора с воздуховодами вдоль ГО при входе ТТ в зону РБ и/или ПГ, что уменьшает рабочий объем зоны ПГ.

Известен способ термостатирования зоны ПГ, с использованием нагретой стенки ГО со стороны ПГ, при этом подача ТТ происходит внутрь ГО по поперечно-щелевым каналам, образованным кольцевыми шпангоутами с отверстиями для прохода ТТ[3].

Недостатком этого технического решения является большое аэродинамическое сопротивление, создаваемое кольцевыми шпангоутами внутри ГО, что обуславливает необходимость утолщения стенок ГО и сложность монтажа, а также приводит к увеличению стоимости производства ГО за счет профилирования отверстий по периметру кольцевых шпангоутов.

Известен способ использования воздушной завесы для ограничения передачи тепла (RU 2349843 С1 МПК F24F 9/00), в которой формируется приточный поток воздуха через первый край проема в стене, например, через дверной проем, и используются на втором краю всасывающие поток воздуха отверстия, образуя тем самым между первым и вторыми краями проемов воздушную завесу.

Недостатком является частичное использование создаваемого теплового потока и сложность в обеспечении расчетных или прогнозируемых температурных полей воздушных потоков для поддержания свободной конвекции газовой среды в зоне ПГ на требуемом температурном уровне.

Известен способ термостатирования зоны ПГ, с использованием нагретой стенки со стороны ГО. При этом подача ТТ происходит внутрь ГО по вертикальным продольно-щелевым каналам, образованными лонжеронами, тем самым достигается отсутствие взаимодействия ТТ с ПГ, что позволяет снизить требования к ТТ [4].

Техническое решение [4] принято авторами за прототип предлагаемого способа.

Недостаток этого технического решения заключается в технологической сложности и недостаточной надежности монтажа лонжеронов без утолщения стенок ГО [5], что может привести к разрушению ГО в процессе полета. Также в данной работе не предусмотрена возможность равномерного распределения ТТ по продольно-щелевым каналам при его входе. Кроме того, предложенное направление ТТ в продольно-щелевых каналах ГО снизу-вверх в летнем режиме приведет к повышенным энергозатратам на подачу ТТ для поддержания требуемого теплового режима ПГ.

Задачей изобретения является обеспечение термостатирования ПГ под ГО в период предстартовой подготовки ракеты путем свободной конвекции газовой среды в зоне ПГ под ГО за счет равномерно-распределенной подачи ТТ через продольно-щелевые каналы, образованные лонжеронами между внутренними слоями ГО, тем самым снижая энергозатраты не только на подготовку теплоносителя, но и на стоимость пуска ракетно-космической системы в целом, а также позволит увеличить объем полезной нагрузки и жесткость головного обтекателя.

Техническим результатом является отсутствие взаимодействия ТТ с ПГ, что позволяет исключить или существенно снизить высокие требования к качеству и параметрам теплоносителя, в т.ч. и к его скорости, уменьшить массу ГО с теплозащитными материалами, увеличить зону ПГ под ГО, увеличить жесткость ГО и сократить энергозатраты на подготовку ТТ.

Технический результат достигается за счет того, что вход ТТ происходит через разъемное соединение (PC) 1, далее через распределительные коллекторы 2, 3 по магистралям питания 4, 5 достигается равномерное и однонаправленное распределение ТТ по продольно-щелевым каналам 6, образованным стержневой конструкцией или лонжеронами 7, 8 и установленными между внешней 9 и внутренней 10 стенками ГО с последующим выходом в окружающую среду через дренажные окна щелевых каналов 11, 12 (фиг. 1-3). Внешняя и внутренняя стенки ГО 9, 10 в совокупности с продольно щелевыми каналами 6, образуют многослойную структуру ГО.

Термостатирование ПГ 13, размещаемого под ГО, осуществляется в зоне ПГ 14 за счет естественной конвекции газовой среды (например, воздуха, азота, гелия), возникающей из-за градиента температуры внутренней поверхности 15 внутренней стенки 10 ГО.

Для предотвращения натекания внешней среды в зону под ГО используется теплоноситель (например, воздух, азот, гелий), подаваемый по магистрали питания наддува 16, поддерживающим избыточное давление под ГО не менее образованного набегающим атмосферным ветровым потоком.

Подача ТТ в продольно-щелевые каналы 6 через PC 1 и далее через нижний распределительный коллектор 2 и верхний 3 определяется условиями эксплуатации («зимний или «летний» режимы).

Так, при эксплуатации в «зимнем» режиме подача ТТ в каналы 6 в сторону его выхода через дренажные окна щелевых каналов 12 при закрытых окнах 11 происходит через нижний распределительный коллектор 2. В результате на внутренней поверхности внутренней стенки ГО 15 образуется градиент температуры.

Расчеты показывают, что в «зимнем» режиме при температуре окружающего воздуха минус 50°С, скорости ветра 12 м/с и при подаче ТТ 3 м³/с с температурой 40°С через распределительный коллектор 2 и продольно-щелевые каналы 6 толщиной 11 мм с последующим выходом в атмосферу градиент на внутренней поверхности внутренней стенки 15 ГО имеет распределение, представленное на фиг. 4.

Под действием естественной конвекции происходит перемешивание среды в зоне ПГ 14, что показано на фиг. 5.

В «летнем» режиме подача ТТ в щелевые каналы 6 происходит через верхний коллектор 3 с последующим выходом из каналов 6 через дренажные окна 11 при закрытых окнах 12.

В периоды между «зимнем» и «летним» режимами выбор работающего распределительного коллектора 2 или 3 не имеет значения ввиду малого перепада температур между воздухом окружающей среды и ТТ внутри щелевых каналов 6.

Изменяя расход и температуру ТТ, достигаются требуемые температурные режимы в зоне ПГ.

Весовой анализ показал, что при использовании предложенного способа термостатирования в зоне ПГ, масса ГО с щелевыми каналами может быть уменьшена на ~400 кг за счет уменьшения массы внешней стенки 9 ГО и исключения теплоизоляции на внутренней поверхности внутренней стенки ГО.

Термостатирование через продольно-щелевые каналы 6 ГО образуют тепловую завесу, что увеличивает тепловое сопротивление ГО в целом, а в полете за счет вакуумирования щелевого канала уменьшается теплопередача в зону ПГ.

Литература

1. «Космодром», под ред. Проф. А.П. Вольского, ВИ МО СССР, М., 1977 стр. 210-212.

2. Матвеева О.П., Романяк А.Ю., Удовик И.С. Анализ вариантов сокращения энергопотребления в процессах поддержания тепловых режимов космических аппаратов на стартовых комплексах //Инженерный журнал: наука и инновации. - 2019. - №. 12 (96). - С.6.

3. Matveeva О., Romanyak A., Udovik I. Improving the processes of missile preparation at launch complexes on the basis of system design of interacting elements // AIP Conference Proceedings. - AIP Publishing LLC, 2019. - T. 2195. - №. 1. - C. 020067.

4. Matveeva O., Romanyak A., Udovik I. Investigation of the process of maintaining the thermal regime of spacecraft on launch complexes with distributed circulation of coolant //AIP Conference Proceedings. - AIP Publishing LLC, 2021. - T. 2318. - №. 1. - C. 100002.

5. Wegner P., Higgins J., Van West B. Application of advanced grid-stiffened structures technology to the Minotaur payload fairing // 43rd AIAA/ASME/ASCE/AHS/ASC Structures, Structural Dynamics, and Materials Conference. - 2002. - C. 1336.

Изобретение относится к области термостатирования полезного груза (ПГ) в период предстартовой подготовки ракеты-носителя (РН). Термостатирование ПГ в зоне его размещения под головным обтекателем (ГО) РН осуществляют путем естественной конвекции газовой среды, которая возникает из-за градиента температур вдоль внутренней стенки ГО. Теплоноситель (газовую среду) подают через распределительный коллектор в продольно-щелевые каналы, образованные лонжеронами ГО, достигая равномерного распределения среды по поверхности внутренней стенки ГО. Чтобы внешняя среда не затекала в зону под ГО, теплоноситель подают с избыточным, по отношению к набегающему ветровому потоку, давлением. Технический результат состоит в исключении взаимодействия теплоносителя с ПГ и тем самым снижении требований к качеству и параметрам (в т. ч. скорости) теплоносителя, а также в сокращении энергозатрат на его подготовку. 5 ил.

Способ термостатирования зоны полезного груза в многослойном головном обтекателе (ГО) космической головной части, включающий создание во внутренних продольно-щелевых каналах, образованных лонжеронами ГО между его стенками, однонаправленного движения термостатирующего теплоносителя по всей длине ГО, исключая его контакт с размещенными под ГО элементами и полезным грузом, отличающийся тем, что теплоноситель подают в продольно-щелевые каналы ГО через коллекторную систему для равномерного его распределения, с образованием тепловой завесы полезного груза и с последующим сбросом теплоносителя в окружающую среду.