Система наддування паливних баків космічного апарата

Реферат: Система наддування паливних баків космічного апарата містить пневмомагістралі, зв'язані з балонами наддування і газовими порожнинами паливних баків, та послідовно встановлені на кожній пневмомагістралі електропневмоклапани і газові редуктори. Вона споряджена дросельними пристроями і запобіжними клапанами, встановленими на кожній пневмомагістралі, причому дросельні пристрої встановлені до, а запобіжні клапани - після газових редукторів, при цьому площа критичного перерізу дросельного пристрою задовольняє співвідношенню: Sд  Tд Tк  Pб Pд  Sк . UA 94053 U (12) UA 94053 U UA 94053 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Корисна модель належить до ракетно-космічної галузі, а саме - до заправного обладнання космічних апаратів (КА), і може використовуватися для наддування паливних баків КА на орбіті. Система наддування паливних баків КА використовується для створення імпульсів тяги, які необхідні як для переміщення центру мас КА (корекція траєкторії руху, гальмування КА для забезпечення його сходу з орбіти), так і для створення керуючих моментів відносно його центра мас (орієнтація, розвертання). Імпульси тяги для різних режимів керування КА у просторі створюються за допомогою реактивних двигунів (РД), величини тяг яких у залежності від їх призначення змінюються у широких межах (від декількох сотень кгс до одиниць і менше кгс). Робота вказаних РД з заданими параметрами забезпечується системами наддування паливних баків і подавання палива до входів двигунів. Відомою є система наддування паливних баків КА, що містить пневмомагістралі, зв'язані з балонами наддування і газовими порожнинами паливних баків, та клапани і газові редуктори, встановлені на пневмомагістралях (див. книгу Мелькумов Т.М. и др. Ракетные двигатели, М, "Машиностроение", 1976, с. 10). У випадку виходу з ладу однієї з пневмомагістралей ракетні двигуни не можуть функціонувати. Недоліком цієї системи є її низькі експлуатаційні характеристики через малу живучість системи і її низьку надійність у процесі польоту КА на орбіті. Найближчою до запропонованої по технічному рішенню є вибрана як прототип система наддування паливних баків КА, яка описана у патенті РФ № 2.140.003, МПК F02K 9/50, B64D 37/00, 1997 р. Ця система містить пневмомагістралі, зв'язані з балонами наддування і газовими порожнинами паливних баків, та послідовно встановлені на кожній пневмомагістралі електропневмоклапани і газові редуктори. Пневмомагістралі з'єднані за допомогою додаткової пневмомагістралі з клапанами, що дозволяє, у випадку виходу з ладу однієї пневмомагістралі з балоном, використовувати запас газу наддування з другого балона для забезпечення подавання обох компонентів палива у РД. Недоліком цієї системи є її невисокі експлуатаційні характеристики через відсутність захисту паливних баків від руйнування у випадку виходу з ладу газового редуктора. В основу корисної моделі поставлена задача створення удосконаленої системи наддування паливних баків КА, яка б дозволяла підвищити її експлуатаційні характеристики шляхом уведення в неї нових операцій, таких як: - наявність дросельних пристроїв і запобіжних клапанів, встановлених на кожній пневмомагістралі, причому дросельні пристрої встановлюються до, а запобіжні клапани після газових редукторів, при цьому площа критичного перерізу дросельного пристрою задовольняє співвідношенню: Sд  Tд Tк  Pб Pд  Sк , де Tд - температура газу на вході у дросельний пристрій; Tк - температура газу на вході у запобіжний клапан; Pб - допустимий аварійний тиск газу у паливному баку; Pд - тиск на вході у дросельний пристрій; Sк - площа критичного перерізу запобіжного клапана, що дозволяє забезпечити захист паливних баків від руйнування у випадку виходу з ладу газового редуктора. Поставлена задача вирішується таким чином, що запропонована система наддування паливних баків КА, що містить пневмомагістралі, зв'язані з балонами наддування і газовими порожнинами паливних баків, та послідовно встановлені на кожній пневмомагістралі електропневмоклапани і газові редуктори, вона споряджена дросельними пристроями і запобіжними клапанами, встановленими на кожній пневмомагістралі, причому дросельні пристрої встановлені до, а запобіжні клапани після газових редукторів, при цьому площа критичного перерізу дросельного пристрою задовольняє співвідношенню: Sд  Tд Tк  Pб Pд  Sк , де Tд - температура газу на вході у дросельний пристрій; Tк - температура газу на вході у запобіжний клапан; Pб - допустимий аварійний тиск газу у паливному баку; Pд - тиск на вході у дросельний пристрій; Sк - площа критичного перерізу запобіжного клапана. Для пояснення конструкції системи і її роботи додаються креслення та її детальний опис. Запропонована система складається з пневмомагістралей 1, 2, зв'язаних з балонами 3, 4 наддування і газовими порожнинами 5, 6 паливних баків пального 7 і окислювача 8, та 1 UA 94053 U 5 10 15 20 25 послідовно встановленими на кожній пневмомагістралі 1, 2 електропневмоклапанів 9, 10 і газових редукторів 11, 12. На пневмомагістралях 1, 2 встановлені також дросельні пристрої 13, 14 і запобіжні клапани 15, 16. Дросельні пристрої 13, 14 встановлені до газових редукторів 11, 12, причому вони можуть бути встановлені як перед електропневмоклапанами 9, 10, так і після них. Запобіжні клапани 15, 16 встановлені після газових редукторів 11, 12. Система також має ракетні двигуни (РД) 17. Робота запропонованої системи здійснюється наступним чином. Для витиснення і подавання палива з баків 7, 8 до РД 17 відкривають електропневмоклапани 9, 10 і газ (азот) з балонів 3, 4 наддування (балони перед стартом 2 заповнюють азотом до тиску 350 кгс/см ) проходить через дросельні пристрої 13, 14 і надходить 2 у газові редуктори 11, 12, які відрегульовані на вихідний тиск, наприклад 20 кгс/см . Цей тиск необхідний для витиснення палива з баків 7, 8 і подавання його до РД 17. У випадку виходу з ладу, наприклад, газового редуктора 11, встановленого на пневмомагістралі 1, тиск за газовим редуктором 11 і у газовій порожнині 5 паливного бака 7 2 починає зростати. При тиску, наприклад, 28 кгс/см спрацьовує запобіжний клапан 15. При тиску 2 30 кгс/см запобіжний клапан повністю відкриється, при цьому витрачання газу через нього буде 2 дорівнювати витрачанню газу через дросельний пристрій 13. Тиск 30 кгс/см стабілізується. Через те, що тиск є близьким до максимально допустимого для збереження цілісності паливного бака 7, то необхідно дотримуватися певної відповідності між максимальними витратними можливостями дросельного пристрою 13 і запобіжного клапана 15 або між критичними діаметрами дросельного пристрою 13 і запобіжного клапана 15. Для заданої конструкції паливних баків допустимий аварійний тиск Рб є визначеною величиною. Характеристики дросельного пристрою і запобіжного клапана повинні забезпечити тиск Рб не вище заданого у аварійній ситуації - вихід з ладу газового редуктору. Дросельний пристрій і запобіжний клапан у аварійній ситуації (вихід з ладу газового редуктора) працюють на надкритичному режимі, тобто: 2Pк < Pб < 0,5Pд , 30 (1) де Pб - допустимий аварійний тиск газу у паливному баку (він дорівнює тиску гальмування на виході дросельного пристрою і дорівнює тиску на вході у запобіжний клапан); 2 Pк - тиск на виході з запобіжного клапана (не перевищує 1 кгс/см ); Pд - тиск на вході у дросельний пристрій (дорівнює тиску у балонах наддування). Виходячи з умови (1), масові витрачання газу через дросельний пристрій і запобіжний клапан відповідно складають: 35 Gд  Pд  Sд    к  Tд ;  (2) Gк  Pб  Sк    к  40  R  R Tк ,  (3) де Sд , Sк - площі критичних перерізів дросельного пристрою і запобіжного клапана відповідно;  - коефіцієнт витрачання (складає 0,8-1,0); к  - функція від показника адіабати "к"; Tд , Tк - температура газу на вході у дросельний пристрій і запобіжний клапан відповідно. В умовах стаціонарного значення Рб необхідно виконання умови: Gд  Gк . (4) 45 Виходячи з умови (4), отримуємо вираз для визначення критичного перерізу дросельного пристрою Sд  Tд 50 Tк  Pб Pд  Sк . (5) 2 2 Наприклад, при Рб=30 кгс/см , Рд=350 кгс/см і діаметрі витратного критичного перерізу запобіжного клапана d=1,7 мм діаметр критичного перерізу дросельного пристрою повинен бути 2 UA 94053 U 5 10 15 20 25 30 35 dд=0,5 мм. Критичний переріз - це такий отвір, при проходженні через який швидкість газу досягає швидкості звуку. Таким чином, встановлення на пневмомагістралях системи наддування паливних баків дросельних пристроїв і запобіжних клапанів із взаємозалежними розмірами їх критичних перерізів, котрі розраховуються за формулою (5), виключає при виході з ладу газового редуктора закидання газу високого тиску у газові порожнини паливних баків, зберігаючи таким чином їх цілісність і працездатність, що у свою чергу підвищує надійність системи наддування у процесі експлуатації. Система контролю, передбачена у системі наддування, після сигналу про підвищення тиску вище робочого на вході у газову порожнину паливного бака забезпечує відключення подавання газу з балона наддування аварійної пневмомагістралі і переключення паливного бака на працездатну пневмомагістраль завдяки спеціально передбаченій додатковій пневмомагістралі з клапанами. Таким чином, збережений від руйнування паливний бак продовжує роботу, тобто забезпечує подавання палива з нього до РД. Заправлення паливних баків КА перед стартом здійснюється на заправній станції за допомогою пристрою за патентом України № 85922u, МПК B64G 5/00, F17C 6/00, 2013 р., при цьому: - дегазацію компонентів палива здійснюють за патентом України № 74420, МПК B01D 19/00, F41F 3/00, 2003 р.; - доставлення компонентів палива на заправну станцію здійснюють у ємностях за патентом України № 73802, МПК F17C 3/00, B65D 88/00, 2003 р. Компоненти палива використовують за патентом США № 5.636.513, клас 60/204, 1997 р. Таким чином, запропонована система, яка має просту і надійну конструкцію, забезпечує розширення її функціональних можливостей. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ Система наддування паливних баків космічного апарата, що містить пневмомагістралі, зв'язані з балонами наддування і газовими порожнинами паливних баків, та послідовно встановлені на кожній пневмомагістралі електропневмоклапани і газові редуктори, яка відрізняється тим, що вона споряджена дросельними пристроями і запобіжними клапанами, встановленими на кожній пневмомагістралі, причому дросельні пристрої встановлені до, а запобіжні клапани - після газових редукторів, при цьому площа критичного перерізу дросельного пристрою задовольняє співвідношенню: Sд  Tд Tк  Pб Pд  Sк , де Tд - температура газу на вході у дросельний пристрій; Tк - температура газу на вході у запобіжний клапан; Pб - допустимий аварійний тиск газу у паливному баку; Pд - тиск на вході у дросельний пристрій; Sк - площа критичного перерізу запобіжного клапана. 3 UA 94053 U Комп’ютерна верстка М. Шамоніна Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4