Захисна споруда стартового комплексу для передстартової підготовки і запуску ракети-носія

Реферат: UA 106244 C2 (12) UA 106244 C2 Винахід належить до стартових комплексів для підготовки і пуску ракет-носіїв. Захисна споруда стартового комплексу для передстартової підготовки і запуску ракети-носія виконана у вигляді закриваючого комунікації тонкостінного кожуха з металевого матеріалу. Для виключення можливості руйнування наземних стартових паливозаправних, пневматичних і електричних комунікацій від впливу високотемпературних продуктів згоряння палива ракетних двигунів закриваючий комунікації кожух виконано з кількох захисних кожухів, які встановлено на відсіках заправлення ракети-носія окислювачем, пальним, стиснутими газами і лінії підведення електроенергії. На зовнішню поверхню кожного кожуха встановлене теплозахисне покриття разової дії, наприклад, з матеріалу АФ-10ПО. На внутрішній поверхні кожуха в районі розташування наземних стартових комунікацій встановлені елементи випарного охолодження у вигляді металевих ємностей, заповнених рідиною, наприклад дистильованою водою з додаванням до неї інгібіторів. Над електричними проводами, кабелями і комунікаціями з гумовими ущільнювачами виконані порожнини, заповнені матеріалом, що змінює при нагріванні свій фазовий стан, наприклад парафіном. UA 106244 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Винахід належить до ракетно-космічної техніки і розповсюджується на пристрої захисту паливозаправних, пневматичних і електричних комунікацій стартового комплексу, що підводяться до ракети-носія, від високотемпературних продуктів згорання маршових двигунів ракети-носія. Перед запуском ракети-носія забезпечують подачу в неї компонентів палива, газу і електроенергії. Їх подачу здійснюють від стартової споруди за допомогою роз'ємних паливозаправних, пневматичних і електричних комунікацій, вказаних в російських патентах №№ 2242411, 2270792, 2318706 "Стартовый комплекс…", № 2194654 "Универсальная система для подготовки и пуска ракет космического назначения…", № 2328417 "Способ подготовки и пуска ракет-носителей…" і українському патенті № 58538 "Наземний стартовий комплекс…". Зрозуміло, що наземні паливозаправні, пневматичні і електричні комунікації від стартового комплексу до ракети-носія повинні бути захищені від дії на них високотемпературного факела ракетних двигунів. Згідно з книгою В.А. Володин, Ю.Н. Ткаченко. "Конструкция и проектирование ракетных двигателей". Москва. "Машиностроение". 1984. (стор.71) температура продуктів згорання газу і рідинного кисню складає 3799 К=3526 °C, а продуктів згорання несиметричного диметилгідразину і чотириокису азоту-3516К=3243 °C, що вище температури плавлення конструкційних матеріалів. В теперішній час розроблено декілька способів і пристроїв для виключення термічного руйнування конструкційних матеріалів стендового устаткування і стендових комунікацій. 1. В деяких стартових спорудах розжарені продукти згорання ракетного палива відводять від них через колодязь-газовід, в якому при контакті з повітрям продукти згорання охолоджуються. Так, згідно з формулою російського патенту № 2180644 спосіб старту ракети-носія з багатосопловою руховою установкою, що полягає в тому, що старт здійснюють із стартової споруди з отвором, через який пропускають гази, що є продуктами згорання ракетного палива, і відводять їх за допомогою багатоскатних лотків, відмінний тим, що бічні стінки отвору встановлюють за межами поверхні, яка є межею надзвукової ділянки струменів рушійної установки при старті і подальшому відході ракети-носія від стартової споруди, а області течії в місцях зустрічі з поверхнею вказаних лотків окремих газодинамічно взаємодіючих струменів рушійної установки ізолюють один від одного. По російському патенту № 2345925 "Морская платформа для запуска ракет" платформа має пусковий стіл з отвором для виходу вихлопних газів і охолоджуваний водою газовідбивач. По українському патенту № 90212 "Пусковий комплекс Ковальова для космічного носія" в стартовій споруді нижче двигуна першого ступеня розташовано колодязь-газовід, частково заповнений водою, під поверхнею якої розташована система зменшення її щільності шляхом спінення. 2. В інших випадках для виключення руйнування конструкційних матеріалів продукти згорання ракетного палива охолоджують водою. По патенту № 2314234 "Устройство для охлаждения газовой струи ракетного двигателя…" пристрій виконано у вигляді патрубка з похилим водоводом, в нижній частині якого встановлений насадок, що забезпечує подачу частини води вниз. По патенту № 2320884 "Устройство подачи воды для снижения акустического воздействия на ракету-носитель и охлаждения газовой струи ракетного двигателя, содержащее водовод замкнутой формы с патрубками для подвода воды и щелями для подачи воды…" пристрій забезпечує порожнисту водяну завісу навкруги газового струменя ракетного двигуна. 3. В деяких випадках для захисту агрегатів наземного устаткування від продуктів згорання ракетного палива використовуються газовідбивачі. Так, по патенту № 2347726 пристрій для захисту наземного устаткування стартового комплексу від потоку високотемпературного газу, що розтікається, містить відображувальну поверхню, утворену нижньою і верхньою площинами з різними кутами нахилу, на якій встановлені виступаючі пілони, що забезпечують дроблення потоку газу на окремі струмені, причому пристрій для захисту агрегатів встановлений перед устаткуванням стартового комплексу, розташованим на поверхні стартового майданчика з боку вогняного отвору. Подібний газовідбивач встановлений в пусковій системі стартових комплексів по патентах № 2242411, № 2270792. Використовування газовідбивачів має той недолік, що значно збільшується відстань між комунікаціями стартового комплексу і ракетою-носієм для забезпечення стабільного розтікання і достатнього зміщення з повітрям високотемпературного газу маршових двигунів ракети-носія. 4. Відносно надійно комунікації з їх роз'ємними з'єднаннями захищені від дії зовнішніх чинників за рахунок їх установки в захисній споруді у вигляді кожуха. 1 UA 106244 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Так, по патенту № 2286505 "Устройство для защиты разъемов коммуникаций от воздействия внешней среды, содержащее…разъем с присоединенными коммуникациями…". В цьому патенті захисна споруда виконана у вигляді кожуха - аналог. По патенту № 2281892 "Устройство отвода коммуникаций с разъемным соединением, содержащее подвижную створку защитного сооружения, каретку с разъемным соединением и коммуникациями, …отличающееся тем, что…каретка с разъемным соединением и коммуникациями установлена в защитном сооружении…" (кожухе). Захисна споруда виконана у вигляді тонкостінного кожуха і виготовлена з металевого матеріалу - прототип. Пристрій відведення комунікацій по патенту № 2281892 призначено для передстартової подачі газів в ракету, тобто, подачу газів від стартової споруди в ракету здійснюють через гнучкі комунікації і патрубок, який з'єднують з бортовим роз'ємом. Після заправки ракети газами патрубок від'єднують від бортового роз'єму в автоматичному режимі на початковій ділянці підйому ракети. Пристрій відведення комунікацій по вказаному патенту має два суттєвих недоліки. Перший недолік пристрою відведення комунікацій по патенту № 2281892 полягає у виконанні захисної споруди у вигляді кожуха з тонкостінного металевого матеріалу. За середньостатистичними даними час дії високотемпературних продуктів згорання компонентів палива на агрегати стартового комплексу і комунікації, складає від 5 до 10 секунд. Цього часу достатньо для руйнування, у тому числі оплавлення будь-яких конструкційних матеріалів. В цьому плані вельми сумнівна стійкість кожуха, з якого виконано захисну споруду, від дії продуктів згорання ракетних двигунів першого ступеня ракети-носія. Другий недолік пристрою по патенту № 2281892 полягає в тому, що воно призначено для захисту від високотемпературних продуктів згорання ракетних двигунів тільки пневматичних комунікацій без використовування в них гумотехнічних виробів і електричних кабелів. При підвищенні температури усередині кожуха захисної споруди понад 80 °C не гарантується працездатність гумотехнічних виробів. Див. наприклад, книгу В.А. Анурьев. "Справочник конструктора-машиностроителя". Том 1. Москва. "Машиностроение". 1980. Стор.261. При підвищенні температури в захисній споруді більше 55 °C, не гарантується працездатність електричних дротів і кабелів з гумовою ізоляцією. Див. наприклад, книгу "Справочник машиностроителя". Том 2. Главный редактор тома д-р техн. наук проф. Н.С. Ачеркан. Издание второе, исправленное и дополненное. Государственное научно-техническое издательство машиностроительной литературы. Москва. 1956. Стор. 350. В основу винаходу поставлена задача підвищення надійності і якості роботи захисної споруди шляхом: установки кожухів в декількох відсіках, наприклад у відсіку заправки ракети-носія окислювачем, відсіку її заправки пальним, відсіку її заправки стисними газами і відсіку підведення в неї електроенергії, розміщених в зоні пускового столу під установку ракети-носія; установки на зовнішню поверхню кожухів знімного теплозахисного покриття разової дії, наприклад, з матеріалу АФ-10ПО; установки на внутрішній поверхні кожухів в районі розташування наземних стартових комунікацій елементів випарного охолодження у вигляді металевих ємностей, заповнених рідиною, наприклад дистильованою водою з додаванням до неї інгібіторів, що виключають появу в рідині цвілі і корозію металу; виконання усередині кожухів над комунікаціями з гумовими ущільнювачами, електричними дротами і кабелями порожнин, заповнених матеріалом, що змінює при нагріві свій фазовий стан, наприклад парафіном, з об'ємом, достатнім для поглинання накопиченого тепла за рахунок зміни свого фазового стану. Таким чином пропонована захисна споруда після порівняння з прототипом має нижчеперелічені переваги: 1. Установка кожухів в декількох відсіках, розміщених в зоні пускового столу під установку ракети-носія дозволяє підвищити зручність і надійність стиковки наземних стартових комунікацій з ракетою-носієм через опорне кільце під її установку. 2. Виключається можливість оплавлення зовнішньої поверхні кожуха від дії розжарених до високої температури продуктів згорання палива двигунів ракети-носія після їх включення за рахунок установки на його зовнішню поверхню знімного теплозахисного покриття, наприклад, з матеріалу АФ-10ПО, крім того, значно зменшується кількість теплової енергії, що надходить у внутрішню порожнину кожуха. 3. Значно зменшується нагрів наземних стартових комунікацій і підвищується надійність їх роботи за рахунок установки на внутрішній поверхні кожуха елементів випарного охолоджування, заповнених рідиною, що випаровується (дистилюючою водою). 2 UA 106244 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 4. Забезпечується збереження працездатності роз'ємних з'єднань наземних стартових комунікацій з гумовими ущільнювачами, а також електричних дротів і кабелів усередині кожуха за рахунок заповнення порожнин, виконаних над ними, матеріалом, наприклад, парафіном, що змінює при нагріві свій фазовий стан із твердого в рідкий і не допускаючим підвищення температури навколишнього середовища вище за температуру його плавлення. Суть винаходу пояснюється схемним кресленням захисної споруди у складі стартового комплексу. Укрупнено стартовий комплекс містить пусковий стіл 1, опорне кільце 2 для установки на ньому ракети-носія 3 і наземні стартові комунікації, із безлічі яких на кресленні показана одна комунікація 4 заправки ракети-носія 3 стисним газом. Опорне кільце 2 встановлюється на стартовий стіл 1 на декількох опорах 5, а ракета-носій 3 на опорне кільце 2 встановлюється на декількох інших опорах 6. Захисна споруда для захисту наземних стартових комунікацій від високотемпературних продуктів згорання ракетних двигунів виконана у вигляді декількох кожухів 7 з листового металевого матеріалу. В захисній споруді кожухи 7 встановлені в декількох відсіках, наприклад, у відсіку заправки ракети-носія 3 окислювачем, відсіку її заправки пальним, відсіку її заправки стисними газами і відсіку підведення в неї електроенергії і розміщені в зоні пускового столу 1. Наземні стартові комунікації стикуються через опорне кільце 2 з відповідними комунікаціями разової дії, сполученими з ракетою-носієм 3 через електричні з'єднувачі в кабельних комунікаціях і гермоущільнювальні з'єднувачі в газогідравлічних комунікаціях. В конічному гермоущільнювальному з'єднанні, приведеному на кресленні, між конічними поверхнями комунікацій наземного типу і разової дії встановлено кільце ущільнювача 8, виконане, наприклад, з гуми. Комунікації, що знаходяться усередині опорного кільця 2 і за ним до ракети-носія 3 не вимагають їх установки в кожухах захисної споруди і називаються разовими унаслідок їх руйнування від дії високотемпературних продуктів згорання компонентів палива ракетних двигунів при старті ракети-носія 3. Тому разові комунікації вимагають заміни на нові з їх стиковкою з наземними стартовими комунікаціями при установці на опорне кільце 2 наступної ракети-носія 3. Для збереження працездатності з'єднувачів наземних стартових комунікацій з комунікаціями разової дії всі вказані з'єднувачі встановлюють усередині кожухів 7 захисної споруди. Кожухи 7 встановлюють на декількох відсіках, розміщених навкруги стартового столу 1. Це дозволяє підвищити зручність і надійність стиковки наземних стартових комунікацій з ракетою-носієм 3. Як сказано раніше, жоден з конструкційних матеріалів не витримує температури продуктів згорання ракетних двигунів. У зв'язку з цим на зовнішню поверхню кожного з кожухів 7 перед стартом ракети-носія З встановлюють знімне теплозахисне покриття 9 разової дії, наприклад, з матеріалу АФ-10ПО. Матеріал АФ-10ПО є склопластиком на основі склотканини Т-10-80 і смоли АФ-10 як зв'язуюче. При дії на цей матеріал високотемпературних продуктів згорання палива ракетних двигунів відбувається його руйнування при температурі близько 1700 °C. По розрахунковоекспериментальних даних величина віднесення матеріалу за рахунок зовнішньої теплової дії за час близько трьох секунд складає поряд 1 мм. За цими даними для виключення оплавлення конструкційного матеріалу кожуха 7 захисної споруди за час дії факела ракетних двигунів товщина захисного покриття складає поряд 10 мм. Установка теплозахисного покриття 9 на кожух 7 захисної споруди не тільки виключає його оплавлення, але і зменшує теплову енергію, що надходить всередину нього. Після пуску ракети-носія захисне покриття 9 кожуха 7 захисної споруди замінюють на нове. Для подальшого пониження температури усередині кожухів захисної споруди на їх внутрішній поверхні в районі розташування наземних стартових комунікацій встановлені елементи випарного охолоджування 10 у вигляді металевих ємностей, заповнених рідиною з високою теплотою випаровування. Ємності 10 заправляються рідиною через дренажні штуцери, приєднані до їх верхньої частини (на малюнку не показані). Як випарну рідину, найбільш доцільне використовувати дистильовану воду, що має високу теплоту випаровування. В дистилюючу воду додають інгібітори-засоби для захисту внутрішніх поверхонь випарних елементів від корозії і виключення появи у воді біологічних шкідників і рослинної фауни. Наприклад, по рекомендації Науково-виробничого підприємства "Лабораторія водної хімії" м. Черкаси, Україна, для захисту внутрішньої поверхні випарних елементів від корозії пропонується використовувати засоби ЛВХ- 1.1ЛА, ЛВХ-1.1Б, ЛВХ- 1.1В- ТУ У24.6-36029050003:2009, а для захисту води від біологічних шкідників і рослинної фауни - засоби ЛВХ- 2.ЗА ЛВХ- 2.3Б, ЛВХ- 2.3В- ТУ У24.6-36029050-001:2009. Як відомо, при випаровуванні води температура випарних елементів при атмосферному тиску знижується до плюс 100 °C. Зниження температури до цієї величини цілком достатньо для захисту пневматичних і гідравлічних комунікацій від перегріву. 3 UA 106244 C2 5 10 15 20 25 Для пониження температури усередині кожуха до величини, що забезпечує працездатність електричних дротів, кабелів, і комунікацій з гумовими ущільнювачами над ними виконана порожнина 11, заповнена матеріалом, що змінює при нагріві до вищезгаданої температури свій фазовий стан з твердого в рідке. Найбільш доцільно за такий матеріал використовувати парафін. Об'єм порожнини визначається масою розміщеного в ній матеріалу, при якій поглинена при його плавленні теплова енергія перевищує зовні теплову енергію, що надходить. Як сказано раніше, для гуми необхідне пониження температури навколишнього середовища до 80 °C, а для електричних дротів і кабелів до 55 °C. Згідно зі згаданим довідником по фізиці температура плавлення парафіну складає 54 °C (стор. 465). Таким чином пропонована захисна споруда досить проста для практичної реалізації, забезпечує безвідмовну роботу наземних паливозаправних, пневматичних і електричних комунікацій з їх роз'ємними з'єднаннями і дозволяє підвищити надійність роботи стартового комплексу для передстартової підготовки і запуску ракет-носіїв в цілому. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ Захисна споруда стартового комплексу для передстартової підготовки і запуску ракети-носія, що виконана у вигляді закриваючого комунікації тонкостінного кожуха з металевого матеріалу, яка відрізняється тим, що закриваючий комунікації кожух виконано з кількох захисних кожухів, які встановлено на відсіках заправлення ракети-носія окислювачем, пальним, стиснутими газами, і лінії підведення електроенергії, при цьому на зовнішню поверхню кожного кожуха встановлене теплозахисне покриття разової дії, наприклад, з матеріалу АФ-10ПО, а на внутрішній поверхні кожуха в районі розташування наземних стартових комунікацій встановлені елементи випарного охолодження у вигляді металевих ємностей, заповнених рідиною, наприклад дистильованою водою з додаванням до неї інгібіторів, при цьому над електричними проводами, кабелями і комунікаціями з гумовими ущільнювачами виконані порожнини, заповнені матеріалом, що змінює при нагріванні свій фазовий стан, наприклад парафіном. 4 UA 106244 C2 Комп’ютерна верстка Л. Ціхановська 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 5