Система повітряного термостатування головного блока ракети

Реферат: Система повітряного термостатування головного блока ракети, містить джерело повітряного постачання, виконане у вигляді ресиверів стисненого повітря, трубопровід подавання з фільтром і керованою арматурою, котрий з'єднує джерело повітряного постачання з бортовим рознімним з'єднанням головного блока, охолоджувач повітря, насос, холодильну машину, електронагрівник, виконаний у вигляді теплоізольованого металевого корпусу з кришкою і трубчастими електронагрівачами, та пульт керування з датчиком температури. Ресивери стисненого повітря розділені зворотним клапаном на дві частини, котрі мають різну величину тиску повітря. UA 97328 U (12) UA 97328 U UA 97328 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до ракетно-космічної техніки, а більш конкретно - до наземного обладнання, і може використовуватися у системах повітряного термостатування відсіків ракет на стартових комплексах. Відомою є система повітряного термостатування головного блока (ГБ) ракети, що містить джерело повітряного постачання у вигляді повітряних вентиляторів, трубопровід подавання повітря з фільтром і керованою арматурою, котрий прокладений по фермі обслуговування, охолоджувачі повітря першого і другого ступенів, холодильний центр, з'єднаний з охолоджувачами повітря за допомогою рідинних магістралей з запірною і регулюючою арматурою та електронагрівник (див. книгу "Космодром" под ред. А.П. Вольского, М. "Воениздат", 1977, с. 208-213, рис. 6.2). Недоліком відомої системи є її низькі експлуатаційні якості, такі як: - порушення температурного режиму ГБ, необхідного для нормального функціонування КА до пуску, тому що ферма обслуговування разом з трубопроводом подавання повітря відводиться від ракети перед пуском за значний проміжок часу (5-10 хвилин); - порушення температурного режиму ГБ, необхідного для збереження КА у випадку аварійного вимикання двигуна (АВД) в процесі пуску, тому що для підведення ферми обслуговування з трубопроводом подавання повітря потрібен значний час (20-30 хвилин). Найближчою до запропонованої по технічному рішенню є вибрана як прототип система повітряного термостатування (СПТ) головного блока ракети за патентом України № 83844u, МПК B64G 5/00, F25B 29/00, 2013 р. Ця система містить джерело повітряного постачання, виконане у вигляді ресиверів стисненого повітря, трубопровід подавання з фільтром і керованою арматурою, котрий з'єднує джерело повітряного постачання з бортовим рознімним з'єднанням головного блока, охолоджувач повітря, насос, холодильну машину, електронагрівник та пульт керування. При цьому пульт керування зв'язаний з датчиками температури, встановленими на елементах СПТ, а електронагрівник (теплообмінник для перегріву насиченої водяної пари) виконується у вигляді теплоізольованого металевого корпусу з кришкою, патрубками підведення і відведення перегрітої пари і містить трубчасті електронагрівники (ТЕНи) зі струмопідвідними кінцями, виведеними у суміжну з корпусом камеру охолодження і закріпленими кожний на стінці корпуса за допомогою елементів кріплення. 3 Відома СПТ забезпечує витрачання 4 м /с з температурою від мінус 10 до плюс 40 °C, а трубопровід постачання прокладений по кабель-щоглі. Недоліком відомої системи є її невисокі експлуатаційні якості, такі як: - неоптимальне витрачання стисненого повітря із ресиверів, які мають однаковий тиск повітря у ресиверах; - недостатня ефективність електронагрівника, тому що ТЕНи розташовані горизонтально. В основу корисної моделі поставлена задача створення удосконаленої конструкції системи повітряного термостатування головного блока ракети, яка б дозволила забезпечити підвищення її експлуатаційних якостей шляхом уведення в нього нових елементів і технічних рішень, таких як: - ресивери стисненого повітря розділюються зворотним клапаном на дві частини, котрі мають різну величину тиску повітря, що дозволяє мати оптимальну кількість ресиверів при мінімальній їх вартості; - всередині корпуса електронагрівника, заповненого рідким теплоносієм, наприклад антифризом, коаксільно встановлюються зв'язані з трубопроводом подавання змійовики з кільцевим зазором між ними, послідовно з'єднуються між собою і скріплюються один з одним за допомогою шпильок, розташованих по висоті П-подібних кронштейнів, з'єднаних з кришкою, і трубчасті електронагрівники різної потужності, розташовані вертикально у кільцевому зазорі, при цьому трубчасті електронагрівники меншої потужності електрично з'єднуються з встановленими на трубопроводі подавання датчиком температури, що дозволяє забезпечити раціональне компонування електронагрівника; - змійовики виконуються з нержавіючої сталі зі співвідношенням зовнішніх діаметрів витків зовнішнього і внутрішнього змійовиків у межах 1,3-2,0 і відношенням сумарної довжини змійовиків до внутрішнього діаметра змійовика у діапазоні 2000-4000, що дозволяє забезпечити високу ефективність електронагрівника. Поставлена задача вирішується таким чином, що у запропонованій системі повітряного термостатування головного блока ракети, яка містить джерело повітряного постачання, виконане у вигляді ресиверів стисненого повітря, трубопровід подавання з фільтром і керованою арматурою, котрий з'єднує джерело повітряного постачання з бортовим рознімним з'єднанням головного блока, охолоджувач повітря, насос, холодильну машину, 1 UA 97328 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 електронагрівник, виконаний у вигляді теплоізольованого металевого корпусу з кришкою і трубчастими електронагрівниками, та пульт керування з датчиком температури, в ній ресивери стисненого повітря розділені зворотним клапаном на дві частини, котрі мають різну величину тиску повітря. Всередині корпуса електронагрівника, заповненого рідким теплоносієм, наприклад антифризом, коаксільно встановлені зв'язані з трубопроводом подавання змійовики з кільцевим зазором між ними, послідовно з'єднані між собою і скріплені один з одним за допомогою шпильок, розташованих по висоті П-подібних кронштейнів, з'єднаних з кришкою, а трубчасті електронагрівники різної потужності розташовані вертикально у кільцевому зазорі, при цьому трубчасті електронагрівники меншої потужності електрично з'єднані зі встановленими на трубопроводі подавання датчиком температури. Змійовики виконані з нержавіючої сталі зі співвідношенням зовнішніх діаметрів витків зовнішнього і внутрішнього змійовиків у межах 1,32,0 і відношенням сумарної довжини змійовиків до внутрішнього діаметра змійовика у діапазоні 2000-4000. Для пояснення конструкції системи і її роботи додаються креслення і її детальний опис. На кресленнях зображено: - на фіг. 1 - схема повітряного термостатування ГБ; - на фіг. 2 - схема електронагрівника; - на фіг. 3 - розріз А-А фіг. 2 (поперечний розріз електронагрівника). Запропонована система містить головний блок 1 ракети 2, джерело 3 повітряного постачання у вигляді компресора високого тиску, трубопровід 4 подавання з фільтром і дистанційно керованою арматурою, розташованою у пневмощиті 5, з'єднує джерело 3 повітряного постачання з бортовим рознімним з'єднанням 6 ГБ 1, охолоджувач 7 повітря, зв'язаний рідинними магістралями 8 з запірно-регулюючою арматурою 9 з ємністю 10 з охолоджуючою рідиною, насос 11 і холодильну машину 12. Охолоджувач 7 повітря встановлений перед електронагрівником 13 (фіг. 1). В охолоджувачі 7 повітря змійовики, по яких тече повітря високого тиску, зовні омиваються охолоджуючою рідиною (рідким теплоносієм), наприклад антифризом марки 65, і ці змійовики з'єднані з трубопроводом 4 подавання. Пульт 14 керування розташований у ресиверній, де розташовуються також ресивери 15. Ресиверна - це сховище стисненого повітря високого тиску. Для зменшення кількості ресиверів і розмірів ресиверної стиснене повітря знаходиться у ресиверах 15, розділених зворотним клапаном 16 на дві частини з тиском, наприклад, 40 і 20 МПа. Для повітряного термостатування ГБ 1 необхідне велике масове витрачання повітря (2000 кг/годину і більше), котре у процесі термостатування не може забезпечуватися компресором через його низьку потужність (до 260 кг/годину), тому ресивери 15 заповнюють перед пуском ракети 2. Ресивери 15 через клапан, фільтр і газовий редуктор 17 з'єднані з трубопроводом 4 подавання. Газовий редуктор 17 - це автоматичний регулятор, котрий знижує тиск стисненого повітря до заданої величини за рахунок дроселювання повітря у зазорі між клапаном і його сідлом. Газовий редуктор 17 підтримує заданий тиск і масове витрачання повітря постійним на виході під час зниження тиску на вході до допустимої величини. Електронагрівник 13 має теплоізольований корпус 19, заповнений рідким теплоносієм 20, патрубки підведення 21 і відведення 22 стисненого повітря, котрі з'єднані трубопроводом 4 подавання (фіг. 2, 3). Всередині корпусу 19 коаксіально встановлені внутрішній 23 і зовнішній 24 змійовики з кільцевим зазором 25 між ними. Змійовики 23, 24 послідовно з'єднані між собою і скріплені один з одним за допомогою горизонтальних шпильок 26, розташованих по висоті трьох П-подібних кронштейнів 27, з'єднаних з кришкою 28. Трубчасті електронагрівники 29 різної потужності розташовані вертикально у кільцевому зазорі 25, утвореному між змійовиками 23, 24. При цьому ТЕНи меншої потужності електрично з'єднані з датчиком 30 температури, встановленим на трубопроводі 4 подавання. Датчик 30 температури зв'язаний з датчиками 31, 32 ГБ 1 і пультом 14 керування. Струмопідвідні кінці 33 ТЕНів 29 виведені у камеру 34, сумісну з нижньою частиною корпусу 19, і закріплені кожний на його днищі. На корпусі 19 є заливний патрубок 35 з лійкою, патрубок з вентилем у нижній частині для зливання антифризу (не зображений) і патрубок у верхній частині для відведення пари антифризу у безпечну зону (не зображений). Змійовики 23, 24 і ТЕНи 29 розташовані нижче рівня теплоносія 20, рівень котрого контролюють за допомогою поплавкового датчика рівня (не зображений). Змійовики 23, 24 виконані із нержавіючої сталі з зовнішнім діаметром 22 мм і товщиною стінки 1 мм. Співвідношення зовнішніх витків зовнішнього і внутрішнього змійовиків знаходиться у межах 1,3 2 UA 97328 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 2,0. Відношення сумарної довжини змійовиків 23, 24 до їх внутрішнього діаметра складає 20004000. ТЕНи 29 за потужністю розподіляються на три групи: - малої потужності (0,5-1,0 квт); - середньої потужності (3,5 квт); - великої потужності (7 квт). ТЕНи 29 малої потужності керуються автоматично за сигналами датчика 30 температури, а їх сумарна потужність складає 3 квт. ТЕНи 29 середньої потужності перемикаються оператором або у ручному режимі автоматично керованих за сигналами датчика 30 температури (тобто у першу групу), або у режимі ручного керування, а їх сумарна потужність складає 10 квт. ТЕНи 29 великої потужності вмикаються вручну на весь час роботи СПТ, а їх сумарна потужність складає 56 квт. Сумарна потужність усіх 18 ТЕНів 29 складає 69 квт. Ракета 2 встановлена на пусковій установці (ПУ) 36, а трубопровід 4 подавання розташований на кабель-щоглі 37. Робота запропонованої СПТ здійснюється наступним чином. До початку робіт з ракетою 2 СПТ приводять у готовність до застосування, для чого за допомогою компресора 3 і зворотного клапана 16 заповнюють стисненим повітрям ресивер 15 з тиском 40 МПа, а потім ресивери з тиском 20 МПа. На фіг. 1 зображено три ресивери 15, кожний з яких містить 24 балона. Потім ракету 2 доставляють з монтажно-випробувального корпусу на СК на установнику за патентом України № 92383u, МПК B64G 5/00, Е04Н 5/02, 2014 р., стикують рознімне з'єднання 6 ГБ 1 з кабель-щоглою 37 і встановлюють ракету 2 на ПУ 36. Спочатку працює ресивер 15 з тиском 40 МПа (лівий), а у момент зниження тиску до 20 МПа починають працювати усі ресивери 15 разом, це забезпечує використання енергії стисненого повітря з максимальною ефективністю, тому що при цьому політропічний процес розширення повітря у балонах стає досить близьким до ізотермічного. Отже, чим більше кількість балонів у ресивері, тим менше масове витрачання, яке відбирається з кожного балона, тобто темп спорожнення балона стає низьким і за рахунок теплообміну з навколишнім середовищем і стінками балона внутрішня енергія повітря відновлюється і процес наближується до ізотермічного. Стиснене повітря з ресиверів через вентиль і фільтр подають у газовий редуктор 17, де його тиск знижується до необхідної величини, наприклад 10 МПа, при заданому масовому витрачанні повітря, наприклад 2000 кг/годину. Далі стиснене повітря потрапляє у пневмощит 5, котрий призначений для дистанційного подавання і відключення подавання стисненого повітря за командою оператора. Далі стиснене повітря подають у охолоджувач 7 повітря, де у літній період він охолоджується до мінус 5 °C за допомогою охолоджуючої рідини, яку подають з ємності 10 насосом 11 через холодильну машину 12. У зимовий період охолоджувач 7 повітря не вмикають. Далі стиснене повітря надходить у електронагрівник 13, де повітря нагрівають до необхідної температури. Для цього за командою оператора в електронагрівнику 13 вмикають необхідну кількість ТЕНів 29, при цьому некеровані ТЕНи забезпечують підвищення температури повітря до заданого номінального значення, а автоматично керовані ТЕНи підтримують задану температуру у допустимому інтервалі. СПТ, в залежності від умов навколишнього середовища (зима, літо) і вимог ГБ 1, може забезпечувати і автоматично підтримувати температуру стисненого повітря у широких межах, наприклад від плюс 5 до плюс 80 °C на вході в ГБ 1. При цьому взимку, коли температура середовища досягає мінус 40 °C, задану температуру, наприклад 80 °C, забезпечує електронагрівник 13. Влітку, коли температура навколишнього середовища досягає 50 °C (у приміщеннях 35 °C), необхідну температуру, наприклад 5 °C, забезпечує охолоджувач 7 повітря з вмиканням мінімальної кількості ТЕНів 29. Температура повітря на виході електронагрівника 13 знаходиться у діапазоні 6,3-84,7 °C. Термостатування ГБ 1 здійснюють до початку підйому ракети 2, коли кабель-щогла 37 відходить від ракети 2 і трубопровід 4 подавання відстиковується від рознімного з'єднання 6 ГБ 1. Якщо пуск не відбувся, продовжують подавати повітря у ГБ 1 до зняття ракети 2 з ПУ 36. 3 UA 97328 U 5 10 15 20 25 30 ПУ виконується за патентом України № 106244С2, МПК B64G 5/00, 2012 р., а утримання ракети здійснюється за допомогою пристрою за патентом РФ № 2.226.170, МПК B64G 5/00, 2001 р. У процесі підготовки ракети проводять електричні перевірки космічного апарата у складі ГБ за патентом РФ № 2.513.322, МПК B64G 5/00, G01R 31/00, 2012 р. та патентом РФ № 2.522.669, МПК B64G 5/00, 2012 р. Таким чином, запропонована система, яка має просту і надійну конструкцію, забезпечує підвищення ефективності і економічності робіт на автоматизованому стартовому комплексі. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 1. Система повітряного термостатування головного блока ракети, що містить джерело повітряного постачання, виконане у вигляді ресиверів стисненого повітря, трубопровід подавання з фільтром і керованою арматурою, котрий з'єднує джерело повітряного постачання з бортовим рознімним з'єднанням головного блока, охолоджувач повітря, насос, холодильну машину, електронагрівник, виконаний у вигляді теплоізольованого металевого корпусу з кришкою і трубчастими електронагрівниками, та пульт керування з датчиком температури, яка відрізняється тим, що ресивери стисненого повітря розділені зворотним клапаном на дві частини, котрі мають різну величину тиску повітря. 2. Система повітряного термостатування головного блока ракети за п. 1, яка відрізняється тим, що всередині корпусу електронагрівача, заповненого рідким теплоносієм, наприклад антифризом, коаксіально встановлені зв'язані з трубопроводом подавання змійовики з кільцевим зазором між ними, послідовно з'єднані між собою і скріплені один з одним за допомогою шпильок, розташованих по висоті П-подібних кронштейнів, з'єднаних з кришкою, а трубчасті електронагрівники різної потужності розташовані вертикально у кільцевому зазорі, при цьому трубчасті електронагрівники меншої потужності електрично з'єднані з встановленими на трубопроводі постачання датчиком температури. 3. Система повітряного термостатування головного блока ракети за п. 2, яка відрізняється тим, що змійовики виконані з нержавіючої сталі зі співвідношенням зовнішніх діаметрів витків зовнішнього і внутрішнього змійовиків у межах 1,3-2,0 і відношенням сумарної довжини змійовиків до внутрішнього діаметра змійовика у діапазоні 2000-4000. 4 UA 97328 U 5 UA 97328 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 6