Спосіб наддування паливного бака рушійної установки ракети-носія

Реферат: UA 100755 U UA 100755 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Корисна модель належить до галузі ракетно-космічної техніки і може бути використана для наддування баків рушійних установок ракет-носіїв. В даний час як паливо рушійних установок (РУ) сучасних ракет-носіїв (РН), особливо їх перших ступенів, поширення знаходять (і плануються до застосування) низькокиплячий окислювач - рідкий кисень, і висококипляче пальне типу гас (РГ-1, Т-1, Т-6, метан, сінтін, далі гас). Достатньо перелічити РН "Зеніт" (Україна); Antares (США, Україна); численне сімейство РН "Союз-2", "Русь-М", "Ангара" (Росія); Atlas-V, Falcon 9 (США); та інші. Сьогодні відомі різні способи наддування паливних баків РУ. Але для наддування паливних баків РУ на теперішній час найбільше поширення знайшов гелій. Гелієві СН мають ряд позитивних сторін, завдяки яким вони успішно застосовуються вже більше п'ятдесяти років. Ці системи досить добре вивчені, технології роботи з даним робочим тілом наддування на всіх етапах робіт налагоджені. Гелієві СН не потребують великого обсягу експериментального відпрацювання, високої кваліфікації проектантів систем живлення РРД, що також є вагомим аргументом їх популярності. Відомий спосіб наддування бака з пальним І ступеня РН "Зеніт" [Призваны временем. Ракеты и космические аппараты конструкторского бюро "Южное", под общей ред. С.Н. Конюхова. - Д.: Арт-пресс, 2004. - 230с. - С. 11-14], який є найбільш близьким з числа відомих до технічного рішення, що заявляється, за технічною суттю і досягуваному результату. Спосіб включає встановлення до старту ракети-носія температури стисненого газу у місті зберігання на рівні температури палива, наприклад рідкого кисню, а на етапі роботи рушійної установки потрібні витрати стисненого газу до бака дозують за допомогою спеціального елемента, наприклад жиклера [А.с. № 112091 СССР, МКИ F 02k 11/00, B64D 37/24. Способ наддува топливного бака / Б.А. Шевченко, Ю.А. Митиков. Заявитель КБ "Южное". - № 2216292/23; заявл. 09.03.77; опубл. 05.01.78. - 4 с]. Нижча температура гелію порівняно з температурою пального досягається досить просто - гелій з балонів, які занурені в рідкий кисень, через міжбаковий відсік безпосередньо падають в вільний об'єм баку пального. Гелій (початкова температура якого в балонах ~90К, кінцева - ~50К) в баку знімає тепло з верхнього днища баку і верхнього шару палива, підігрівається і відтворює потрібний тиск. Недоліком відомого способу є його низька надійність при роботі на мінімальних газових об'ємах в баках. На початку польотного наддування, коли запускається рідинний двигун, витрати газу наддування зазнають великі зміни і реалізується найбільша небезпека для всього ракетного комплексу (найбільше аварій, як відомо, відбувається на запуску РУ), яка полягає в наступному. Розглянемо газобалонну СН (кресл.), яка реалізує зазначений спосіб (Митиков Ю.А., Андриевский М.В. Комбинированный наддув бака с углеводородным горючим - сверххолодная и высокотемпературная подсистемы. - АКТТ (ХАИ). - 2013. - № 6(103). - С. 94-98). Вона включає балони з гелієм 1, які розміщені в баку з рідким киснем 2. Балони з'єднані видатковою магістраллю 3 через ЕПК 4 з дозуючим витрати елементом-жиклером 5 і зворотним клапаном 6 з вільним об'ємом бака пального 7. Як бачимо, видаткова магістраль 3, дозуючий витрати елемент - жиклер 5, розміщені в міжбаковому відсіку, в якому піддержується температура, як правило, близько нормальної (±30 °C). На початку роботи системи теплий гелій з видаткової магістралі через "теплий" дозуючий елемент - жиклер, які мають розкид 60 градусів, надходить до бака. Далі температура гелію різко знижується (темп залежить від початкової температури гелію в видаткової магістралі, початковому тиску газу в балонах (теж має розкид) і об'єму магістралі) практично до температури його у балоні. Площа жиклера зменшується. Таким чином, на початку роботи системи витрати гелію мають великий розкид, що може призвести як до різкого зростання тиску, так і до провалу тиску газу в баку, відповідно - на вході в двигун при його виході на режим. Це дуже небезпечно. Зараз небезпека усувається збільшенням початкового вільного об'єму газу в баку. Це - прямі втрати енергетики носія. Для більш детального підтвердження вказаного, розглянемо класичну залежність в загальному вигляді для визначення витрати газу при критичному витіканні через прохідний перетин, який дозує витрати, площею f  mi  55 f mq p б   zRT 1  m 2 q2    , де m - газодинамічна функція, яка враховує молекулярну вагу газу в балоні (для гелію m  2,28 );  - коефіцієнт витрати; 1 UA 100755 U q  - газодинамічна функція (при критичному режимі дорівнює 1); p б - тиск газу наддування перед жиклером (в балоні); 5 z - коэффициент стисливості газу наддування; R - газова стала газу наддування; T - температура газу наддування;   - приведений гідроопір тракта наддування. 10 15 20 25 Задачею, на вирішення якої спрямована корисна модель, що заявляється, є підвищення надійності способу наддування, підвищення енергетики шляхом зменшення початкового мінімального об'єму газу в баку. Поставлена задача вирішується тим, що в відомому способі наддування паливного баку РУ, в якому на борту ракети-носія температуру стисненого газу встановлюють на рівні температури палива, наприклад рідкого кисню, а на етапі роботи рушійної установки потрібні витрати стисненого газу до баку дозують за допомогою спеціального елемента, наприклад жиклера, який відрізняється тим, що перед початком витрати стисненого газу на наддування бака температури дозуючого витрати газу елемента, частини видаткової магістралі з дозуючим елементом від місця зберігання газу та газу в ній встановлюють на рівні температури газу в місці його розміщення на борту ракети-носія. Таким чином, зменшується практично до нуля розкид факторів, що впливають на витрати газу на наддування. Ситуація стає цілком керованою. Найбільш просто запропонований спосіб можна реалізувати, якщо розмістити дозуючий елемент-жиклер до ЕПК, а зарядку (підживлення) балонів гелієм проводити за цією самою видатковою магістраллю до самого відриву носія від старту. Треба відзначити, що, наприклад, на космодромі Байконур, зарядку балонів виробляють з температурою гелію не вище - 160 °C при витратах 0,3 кГ/с. При зменшенні витрат, температура гелію ще зменшується. Наводимо приклад ефективності запропонованого технічного рішення. За розрахункам авторів, запропоноване технічне рішення дозволяє зменшити початковий газовий об'єм на 200 л для носія середнього класу. Це еквівалентно збільшенню корисного навантаження на ~9 кг. При середній ціні виведення $20 тис/кг, трьох пусках на рік і часу життя комплексу 30 років, економічний ефект виходить досить значний. 30 ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 35 40 Спосіб наддування паливного бака рушійної установки ракети-носія стисненим газом, наприклад гелієм, що полягає в тому, що на борту ракети-носія температуру стисненого газу у місті зберігання встановлюють на рівні температури палива, наприклад рідкого кисню, а на етапі роботи рушійної установки потрібні витрати стисненого газу до бака дозують за допомогою спеціального елемента, наприклад жиклера, який відрізняється тим, що перед початком витрати стисненого газу на наддування бака температури дозуючого витрати газу елемента, частини видаткової магістралі з дозуючим елементом від місця зберігання газу та газу в ній встановлюють на рівні температури газу в місці його зберігання на борту ракети-носія. Комп’ютерна верстка І. Скворцова Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 2