Другий ступінь багатоступінчастої ракети-носія на рідкому кисні

Реферат: Другий ступінь багатоступінчастої ракети-носія на рідкому кисні містить бак пального, бак окислювача з верхнім днищем, на котрому змонтовані верхня юбка, люк-лаз з кришкою, штуцер з піроклапаном, насадки з заглушками і трубопроводи. У верхній юбці виконані прорізи для насадків. Штуцер з піроклапаном змонтовані на зовнішній поверхні кришки люка-лаза. На верхньому днищі змонтована хрестовина, котра з'єднана за допомогою трубопроводів з піроклапаном і двома насадками, орієнтованими діаметрально протилежно, розміщеними у поперечній площині i розташованими з нахилом до радіуса бака окислювача величиною 5-10°. Кожна заглушка закріплена на кронштейні верхньої юбки за допомогою гнучкого зв'язку, наприклад тросика. UA 73823 U (12) UA 73823 U UA 73823 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Корисна модель належить до ракетно-космічної галузі, а саме - до багатоступінчастих ракетносіїв на кріогенних компонентах палива, другі ступені яких виходять на навколоземні орбіти з залишками палива. Інтенсивні запуски корисних навантажень (КН) на навколоземні орбіти призвели до високої засміченості орбіт, яка загрожує безпеці діючих КН. Так, на орбітах висотою 500-900 км знаходиться біля 1200 т штучних об'єктів, які складають 20.000 фрагментів. Значну їх частину складають фрагменти других і третіх ступенів ракет. Ці ступені, які мають залишки компонентів палива, під час тривалого пасивного польоту зазнають дії вакууму, теплових зовнішніх потоків та інших факторів, що може призвести до їх руйнування з утворенням десятків і сотень осколків. Відомим є другий ступінь багатоступінчастої ракети-носія на рідкому кисні, що містить бак пального, бак окислювача з верхнім днищем, на котрому змонтовані перехідник (верхня юбка), люк-лаз з кришкою, штуцер, сопла (насадки) з заглушками і піроклапанами, а у перехіднику виконані прорізи для сопел [див. книгу Конструкция управляемых баллистических ракет. / Под ред А.М. Синюкова и Н.И. Морозова. - М.: Воениздат, 1969. - С. 229, 345]. Після відділення другого ступеня від головного блока з корисним навантаженням або третього ступеня, по команді системи керування спрацьовують піроклапани і відкривають заглушки. В результаті цього стиснені гази скидаються з внутрішньої порожнини бака у навколишнє середовище і гальмують ступінь. В подальшому залишки палива випаровують і скидаються також у навколишнє середовище. Штуцери призначені для підведення системи наддування і кріплення датчика тиску або температури. Недоліком відомого другого ступеня є його низькі експлуатаційні характеристики, тому що енергії стиснених газів недостатньо для надійного гальмування ступеня і не зіткнення його з корисним навантаженням. Найближчим до запропонованого по технічному рішенню є вибраний як прототип другий ступінь багатоступінчастої ракети-носія (РН) на рідкому кисні, який описаний у патенті України № 66708u, МПК F42B 15/00, B64G 1/00, 2011 р. Цей ступінь (головний блок) містить бак пального (газогенератор), агрегатний відсік (бак окислювача), на котрому змонтовані насадки (сопла) і трубопроводи, а у агрегатному відсіку виконані прорізи з заглушками (обтічниками) для насадків. Трубопроводи з'єднують внутрішню порожнину газогенератора з соплами, котрі розташовані по периметру агрегатного відсіку у різних поперечних площинах і слугують для керування головним блоком (ГБ) шляхом відведення газоподібних продуктів згоряння. Сопла розміщені у радіальних площинах і орієнтовані в бік нижнього торця ступеня. Компоновка другого ступеня наведена у книзі Алексеев Ю.С., Джур О.Є., Кулик О.В., Кучма Л.Д., Ніколенко Є.Ю., Хуторний В.В. Технологія виробництва ракетно-космічних літальних апаратів. Дніпропетровськ: АРТ-ПРЕС, 2007. - С. 298 р. 5.25. Недоліком відомого другого ступеня є його невисокі експлуатаційні характеристики, тому що сопла створюють осьову тягу для ступеня у процесі виведення корисного навантаження на орбіту. В основу корисної моделі поставлена задача створення удосконаленого другого ступеня багатоступінчастої РН на рідкому кисні, який би забезпечував підвищення експлуатаційних характеристик комплексу шляхом уведення в нього нових операцій, таких як: - штуцер з піроклапаном монтуються на зовнішній поверхні кришки люка-лаза, на верхньому днищі монтується хрестовина, котра з'єднана за допомогою трубопроводів з піроклапаном і двома насадками, орієнтованими діаметрально протилежно, розміщеними у поперечній площині і розташованими з нахилом до радіуса бака окислювача величиною 5-10°, а кожна заглушка закріплюється на кронштейні верхньої юбки за допомогою гнучкого зв'язку, наприклад тросика, що дозволяє скидати надлишковий тиск з бака окислювача і виключити його руйнування. Встановлення штуцера на кришці дозволяє уніфікувати різні модифікації РН, а саме для триступеневих РН, коли другий ступінь падає і не виходить на орбіту, на бак встановлюють кришку без штуцера, трубопроводів і насадків, а прорізи на верхній юбці закривають обтічниками; - на внутрішній поверхні кришки люка-лаза монтується трубка, котра сполучається зі штуцером, орієнтується перпендикулярно до внутрішньої поверхні верхнього днища i має довжину 400-500 мм, що дозволяє гарантовано скидати надлишковий тиск з внутрішньої порожнини бака, тому що у випадку попадання залишків рідкого кисню у штуцер значно підвищується його гідравлічний опір; - на хрестовині за допомогою додаткового трубопроводу послідовно монтуються жиклер з діаметром отвору 0,5-1,0 мм, фільтр і додатковий насадок для сполучення внутрішньої порожнини трубопроводів з атмосферою, що дозволяє забезпечити захист внутрішніх порожнин 1 UA 73823 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 трубопроводів від забруднення під час наземної експлуатації і мінімальний гідравлічний опір під час скидання тиску. Поставлена задача вирішується таким чином, що запропонований другий ступінь багатоступінчастої РН на рідкому кисні, який містить бак пального, бак окислювача з верхнім днищем, на котрому змонтовані верхня юбка, люк-лаз з кришкою, штуцер з піроклапаном, насадки з заглушками і трубопроводи, а у верхній юбці виконані прорізи для насадків, в ньому штуцер з піроклапаном змонтовані на зовнішній поверхні кришки люка-лаза, на верхньому днищі змонтована хрестовина, котра з'єднана за допомогою трубопроводів з піроклапаном і двома насадками, орієнтованими діаметрально протилежно, розміщеними у поперечній площині і розташованими з нахилом до радіусу бака окислювача величиною =5-10°, a кожна заглушка закріплена на кронштейні верхньої юбки за допомогою гнучкого зв'язку, наприклад тросика. На внутрішній поверхні кришки люка-лаза змонтована трубка, котра сполучена зі штуцером, орієнтована перпендикулярно до внутрішньої поверхні верхнього днища і має довжину 400-500 мм. На хрестовині за допомогою додаткового трубопроводу послідовно змонтовані жиклер з діаметром отвору 0,5-1,0 мм, фільтр і додатковий насадок для сполучення внутрішньої порожнини трубопроводів з атмосферою. Для пояснення конструкції другого ступеня і його роботи додаються креслення та його детальний опис. На кресленнях зображено: - на фіг. 1 - пневмогідравлічна схема ступеня; - на фіг. 2 - загальний вигляд бака окислювача; - на фіг. 3 - вигляд А фіг. 2 (розміщення елементів на верхньому днищі); - на фіг. 4 - виносний елемент Б-Б фіг. 2 (загальний вигляд насадка); - на фіг. 5 - розріз В-В фіг. 2 (загальний вигляд трубки). Другий ступінь складається з бака пального 1 тороподiбної форми, двигуна 2, бака окислювача 3 з верхньою юбкою 4 і ракетних двигунів твердого палива (РДТП) 5. Бак окислювача 3 складається з верхнього днища 6, нижнього днища 7, люка-лаза 8 з кришкою 9. На кришці 9 змонтований штуцер 10 і трубка 11, а на верхньому днищі 6 встановлена хрестовина 12. Штуцер 10 з'єднаний з хрестовиною 12 за допомогою трубопроводу 13 з теплоізоляцією і піроклапаном 14. Хрестовина 12 з'єднана з насадками 15 за допомогою трубопроводів 16 і 17, які мають однакову довжину. Насадки 15 закриті завальцьованими заглушками 18 (з фольги товщиною 0,5 мм) з тросиками 19, які кріпляться до кронштейнів 20. Хрестовина 12 сполучена з додатковим трубопроводом 21, на якому змонтовані жиклер 22, фільтр 23 і безмоментний додатковий насадок 24 з радіальними отворами. Робота запропонованого другого ступеня здійснюється наступним чином. У процесі наземної експлуатації другого ступеня (транспортування, ховання, складання і перевірки РН) додатковий трубопровід 21 забезпечує перетікання повітря з малим витрачанням з внутрішньої порожнини трубопроводів 13, 16, 17 у навколишнє середовище і навпаки, що виключає дію перепаду тиску на заглушки 18 і їх передчасне скидання. Під час пуску РН другий ступінь виводить ГБ або третій ступінь з ГБ на навколоземну орбіту. В процесі польоту другого ступеня наддування бака окислювача 3 здійснюють за патентом України № 57097С2, МПК F02K11/00, B64D37/24, 2000 р. Вимикають двигун 2 і вмикають РДТП 5. В результаті цього ступінь гальмує, а основні залишки рідкого окислювача переміщуються з нижнього днища 7 вперед протягом 9-13 с, вдаряються у верхнє днище 6 і розтікаються по циліндричній поверхні бака окислювача 3. Через 150 с після вимикання двигуна 2 спрацьовує піроклапан 14 і газоподібна суміш газу наддування і пари кисню з внутрішньої порожнини бака 3 скидає заглушки 18 і виходить у навколишнє середовище через трубку 11, трубопровід 13, трубопроводи 16, 17 і насадки 15. Трубка 11 і трубопроводи 13, 16, 17 мають внутрішній діаметр 19 мм, а внутрішній діаметр насадків 15 складає 12 мм. Внутрішній діаметр додаткового трубопроводу 21 складає 4 мм, а жиклера 22-0,5-1,0 мм, тому витрачання через них під час скидання тиску складає незначну величину. Ступінь починає обертатися навколо поздовжньої осі, а потім частково процесує, в результаті чого залишки кисню накопичуються у верхньому днищі, а залишки пального - у нижньому днищі. Час існування другого ступеня на орбіті висотою 300-400 км і нахилом 51° складає 14 діб, при цьому коефіцієнт освітленості для цієї орбіти складає 0,57-0,61. Кількість залишків рідкого кисню у баці складає 550 кг, вага ступеня складає 10 т, а об'єм бака окислювача складає 50 куб. м. Загальне витрачання газу, що скидають, складає 9,64-31 г/с, а тягове зусилля вздовж осі насадків складає 2,96-5,6 кгс, при цьому кутова швидкість обертання ступеня складає 6 град/с. Протягом 5.000 с після спрацювання піроклапану 14 тиск у баці 3 падає з 3,2 до 1,7 кгс/кв. см 2 UA 73823 U 5 10 абс, а температура у трубопроводах 15, 16 - з мінус 2,25 °C до мінус 170 °C (температура замерзання рідкого кисню складає мінус 220 °C). Величини теплових потоків до кисню у баці для різних варіантів розташування його залишків складають: у випадку розташування кисню на циліндричній поверхні бака - 0,2-3,1 ккал/с, а у випадку розташування кисню у нижньому або верхньому днищі - 0,1 ккал/с. Як третій ступень може використовуватися розгiнний блок за патентом РФ № 2.043.956С1, МПК B64G 1/40, 1993 р. або № 2.059.541С1, МПК B64G 1/40, F02K 9/42, 1996 р. Для кріплення третього ступеня на другому ступені може використовуватися похила рама за патентом РФ № 2.248.311С2, МПК B64G 1/40, F17C 1/00, 2002 р. Таким чином, запропонований другий ступінь, який має просту і надійну конструкцію, дозволяє виключити руйнування ступеня на пасивній ділянці траєкторії і не забруднює КН газами, що скидають. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 15 20 25 30 1. Другий ступінь багатоступінчастої ракети-носія на рідкому кисні, що містить бак пального, бак окислювача з верхнім днищем, на котрому змонтовані верхня юбка, люк-лаз з кришкою, штуцер з піроклапаном, насадки з заглушками і трубопроводи, а у верхній юбці виконані прорізи для насадків, який відрізняється тим, що в ньому штуцер з піроклапаном змонтовані на зовнішній поверхні кришки люка-лаза, на верхньому днищі змонтована хрестовина, котра з'єднана за допомогою трубопроводів з піроклапаном і двома насадками, орієнтованими діаметрально протилежно, розміщеними у поперечній площині i розташованими з нахилом до радіуса бака окислювача величиною 5-10°, а кожна заглушка закріплена на кронштейні верхньої юбки за допомогою гнучкого зв'язку, наприклад тросика. 2. Другий ступінь багатоступінчастої ракети-носія на рідкому кисні за п. 1, який відрізняється тим, що на внутрішній поверхні кришки люка-лаза змонтована трубка, котра сполучена зі штуцером, орієнтована перпендикулярно до внутрішньої поверхні верхнього днища і має довжину 400-500 мм. 3. Другий ступінь багатоступінчастої ракети-носія на рідкому кисні за п. 1, який відрізняється тим, що на хрестовині за допомогою додаткового трубопроводу послідовно змонтовані жиклер з діаметром отвору 0,5-1,0 мм, фільтр і додатковий насадок для сполучення внутрішньої порожнини трубопроводів з атмосферою. 3 UA 73823 U 4 UA 73823 U 5 UA 73823 U Комп’ютерна верстка А. Крижанівський 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 6