способ работы системы подачи рабочего тела двигательной установки космического аппарата и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ работы системы подачи рабочего тела двигательной установки космического аппарата, включающий подачу в реактивный двигатель рабочего тела из баллона высокого давления с выходной магистралью и энергии от ее источника для их взаимодействия в реактивном двигателе во время его работы, отличающийся тем, что до поступления рабочего тела в реактивный двигатель дополнительно осуществляют взаимодействие рабочего тела в дросселе с источником энергии в виде электронагревателя и осуществляют регулирование подачи рабочего тела путем пропускания его или одновременно через параллельные понижающие давление магистрали или через одну из них.

2. Система подачи рабочего тела двигательной установки космического аппарата, содержащая баллон высокого давления, заполненный рабочим телом и имеющий выходную магистраль с установленным в ней дросселем, которая подключена к понижающей давление магистрали, включающей последовательно установленные пускоотсечной клапан, функционально связанный с блоком управления, редуктор давления и ресивер, установленный перед реактивным двигателем, снабженный источником энергии, и температурный датчик, отличающаяся тем, что дроссель выполнен в виде коаксиально установленного в выходной магистрали электронагревателя с резьбовым дросселирующим соединением его наружной поверхности с ее внутренней поверхностью и функционально связанного с блоком управления, причем выходная магистраль выполнена с наружной теплоизоляцией.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что ресивер выполнен со сквозной трубой с оребрением со стороны его полости, в которую установлен электронагреватель, функционально связанный через блок управления с температурным датчиком, установленным на ресивере, выполненным с наружной теплоизоляцией.

4. Устройство по п.2 или 3, отличающееся тем, что к ресиверу подключен выход дополнительной понижающей давление магистрали, включающей последовательно установленные пускоотсечной клапан и редуктор давления, выполненные аналогично пускоотсечному клапану и редуктору давления в основной понижающей давление магистрали, а вход ее подключен между дросселем и пускоотсечным клапаном основной понижающей давление магистрали.

Описание изобретения к патенту

Предлагаемое изобретение относится к космической технике, а точнее к области проектирования и эксплуатации ракетных двигательных установок (ДУ) космических аппаратов (КА).

Известна система подачи топлива двигательной установки космического орбитального комплекса (патент России №2135808; дата подачи заявки: 30.12.1997 г.; F 02 K 9/50)

Система подачи топлива двигательной установки космического орбитального комплекса, состоящая из автономных подсистем, содержащих топливные баки, гидравлические полости которых соединены с коллекторами питания топливом реактивных двигателей магистралями подачи топлива с пускоотсечными клапанами, и систему дозаправки топлива, содержащую топливные баки, гидравлические полости которых соединены с одной из автономных подсистем через узлы стыковки гидромагистралями перекачки топлива, подключенными через пускоотсечные клапаны к магистралям подачи топлива от баков в коллекторы. Особенность этой системы заключается в том, что она снабжена дополнительными магистралями перекачки топлива с пускоотсечными клапанами, связывающими магистрали подачи топлива другой подсистемы с гидромагистралями перекачки топлива, причем дополнительные магистрали перекачки топлива с одной стороны подключены к магистралям подачи топлива перед пускоотсечными клапанами, установленными на входах в коллекторы, и с другой стороны подключены к гидромагистралям перекачки топлива между узлами стыковки гидромагистралей и пускоотсечными клапанами, отделяющими эти узлы от гидравлических полостей топливных баков системы дозаправки топлива.

Недостаток указанной ДУ заключается в большой ее массе в связи с ее сложностью при использовании двух видов рабочих тел (горючего и окислителя). Кроме того, ее принципиальная схема не позволяет обеспечивать работу в двух режимах с разными тягами реактивного двигателя, что снижает эффективность ее применения при выполнении малых и больших корректировок орбиты.

Известна корректирующая двигательная установка (КДУ) для аппаратов типа «Ресурс» (книга «Конструирование автоматических космических аппаратов» под редакцией чл.-кор. РАН Д.И.Козлова. Москва. Машиностроение. 1996. Стр.419-422), включающая: шар-баллоны, датчики давления, электропневмоклапаны, блок редукторов, клапаны наддува, обратные клапаны, полости бака, пневмоклапаны, заправочные горловины, сигнализаторы давления, камеру сгорания.

Недостаток указанной КДУ заключается в большой ее массе в связи с ее сложностью при использовании двух видов рабочих тел (горючего и окислителя). Кроме того, ее принципиальная схема не позволяет обеспечивать работу в двух режимах с разными тягами двигателя, что снижает эффективность ее применения при выполнении малых и больших корректировок орбиты.

В качестве прототипа выбран способ работы, осуществленный в устройстве под названием «Ракета с разделенными рабочим телом и источником энергии» (книга «Космическая техника» под редакцией Г.Сейфера. Перевод с английского под редакцией А.И.Лурье. Издательство «Наука». Москва. 1964. Стр.268-269), заключающийся в том, что осуществляют раздельную подачу рабочего тела из бака и энергию от ее источника - ядерного реактора в реактивный двигатель для их взаимодействия и работы двигателя.

Прототип как устройство содержит: емкость с рабочим телом, выполненную с выходной магистралью, ускоритель (сопло с камерой взаимодействия рабочего тела с подаваемой энергией), источник энергии с магистралью подачи ее в ускоритель.

Недостаток прототипа заключается в том, что он обладает большой массой из-за применения в нем в качестве источника энергии ядерного реактора деления урана-235, как следствие этого он ограничен по условиям применения, например, не может применяться для реактивных двигателей коррекции и стабилизации КА как отдельная самостоятельная ДУ.

Цель предложенного способа - повышение эффективности работы двигательной установки и снижение массы.

Поставленная цель достигнута за счет того, что в способе работы системы подачи рабочего тела двигательной установки космического аппарата, включающем подачу в реактивный двигатель рабочего тела из баллона высокого давления с выходной магистралью и энергии от ее источника для их взаимодействия в реактивном двигателе во время его работы, до поступления рабочего тела в реактивный двигатель дополнительно осуществляют взаимодействие рабочего тела в дросселе с источником энергии в виде электронагревателя, и осуществляют регулирование подачи рабочего тела путем пропускания его или одновременно через параллельные понижающие давление магистрали или через одну из них; в системе подачи рабочего тела двигательной установки космического аппарата, содержащей баллон высокого давления, заполненный рабочим телом и имеющий выходную магистраль с установленным в ней дросселем, которая подключена к понижающей давление магистрали, включающей последовательно установленные пускоотсечной клапан, функционально связанный с блоком управления, редуктор давления и ресивер, установленный перед реактивным двигателем, снабженный источником энергии, и температурный датчик, дроссель выполнен в виде коаксиально установленного в выходной магистрали электронагревателя с резьбовым дросселирующим соединением его наружной поверхности с ее внутренней поверхностью и функционально связанного с блоком управления, причем выходная магистраль выполнена с наружной теплоизоляцией; ресивер выполнен со сквозной трубой с оребрением со стороны его полости, в которую установлен электронагреватель, функционально связанный через блок управления с температурным датчиком, установленным на ресивере, выполненным с наружной теплоизоляцией; к ресиверу подключен выход дополнительной понижающей давление магистрали, включающей последовательно установленные пускоотсечной клапан и редуктор давления, выполненные аналогичными, как в основной понижающей давление магистрали, а вход ее подключен между дросселем и пускоотсечным клапаном основной понижающей давление магистрали.

Сущность предложенного способа заключается в том, что дополнительно осуществляют взаимодействие рабочего тела в дросселе с источником энергии в виде электронагревателя, причем пропускание рабочего тела через дроссель осуществляют через подогреваемый указанным электронагревателем межрезьбовой дросселирующий проход, при этом мощность электрообогревателя обеспечивают на уровне, исключающем конденсацию рабочего тела в выходной магистрали после дросселя, далее осуществляют регулирование подачи рабочего тела путем пропускания его одновременно через две параллельные понижающие давление магистрали или через одну из них в зависимости от необходимости создания соответственно двойной или одинарной тяги реактивного двигателя. Реализация предложенного способа позволила повысить эффективность работы устройства по повышению точности и стабильности давления рабочего тела, подаваемого в РД, при снижении массовых затрат устройства.

Анализ известных технических решений в исследуемой области позволяет сделать вывод об отсутствии признаков, сходных с совокупностью признаков заявленного объекта.

Осуществление заявленного способа работы системы подачи рабочего тела двигательной установки космического аппарата (КА) поясняется с помощью устройства, представленного на чертеже, где на фиг.1 показана принципиальная схема системы подачи рабочего тела двигательной установки космического аппарата с реактивным двигателем (РД) 1, включающая: баллон 2 высокого давления с рабочим телом с его выходной магистралью 3, в которой установлен дроссель 4, снабженный электронагреватем 5, функционально связанным с блоком управления 6, и которая подключена к основной понижающей давление магистрали 7, включающей последовательно установленные пускоотсечной клапан 8, функционально связанный с блоком управления 6, редуктор давления 9, ресивер 10 с установленным на нем температурным датчиком 11, функционально связанный через блок управления 6 с электронагревателем 12, которым снабжен ресивер 10, установленный перед реактивным двигателем 1, дополнительную понижающую давление магистраль 13, выход 14 которой подключен к ресиверу 10, а ее вход 15 - между дросселем 4 и пускоотсечным клапаном 8, включающую свои пускоотсечной клапан 16 и редуктор давления 17, выполненные аналогичными, как в основной магистрали 7, заправочную горловину 18, подключенную к выходной магистрали 3; на фиг.2 показан дроссель 4, выполненный в виде коаксиально установленного в выходной магистрали 3 электронагревателя 5 с резьбовым дросселирующим соединением 19 его наружной поверхности с ее внутренней поверхностью и функционально связанного с блоком управления 6, причем выходная магистраль 3 выполнена с наружной теплоизоляцией 20; на фиг.3 показан ресивер 10, с установленным на нем температурным датчиком 11 и выполненным с электронагревателем 12, установленным в сквозной трубе 21, ресивера 10, выполненной с оребрением 22 с ее наружной стороны; электронагреватель 12 функционально связан через блок управления 6 с температурным датчиком 11, а ресивер 10 выполнен с наружной теплоизоляцией 23.

Система подачи рабочего тела двигательной установки КА предназначена для обеспечения подачи газообразного рабочего тела со стабилизированным давлением на уровне (1,75±0,1) кгс/см² как с одинарным, так и с двойным расходом в РД 1, который, соответственно, может работать с одинарной или двойной тягой.

Система работает следующим образом. В исходном состоянии баллон 2 высокого давления заправлен рабочим телом через заправочную горловину 18 под давлением 250 кгс/см² . Перед включением РД 1 с помощью блока управления 6 в режим работы, например, с одинарной тягой, предварительно включаются в работу электронагреватели 5 и 12 соответственно для обогрева дросселя 4 и ресивера 10. После чего управление работой электронагревателя 12 осуществляется по предельным показаниям (20±3)°С температурного датчика 11 (соответственно выключение и включение). При этом с помощью блока управления 6 открывается пускоотсечной клапан 8 на заданное время работы РД 1. Потребляемая мощность электронагревателя 5 выбрана (расчетным путем с последующим экспериментальным подтверждением) из условия гарантированного исключения конденсата рабочего тела в выходной магистрали 3 после дросселя 4. Эффективность работы электронагревателя 5, являющегося составной частью дросселя 4, обеспечена за счет того, что он установлен внутри выходной магистрали 3, а его наружная поверхность соединена с ее внутренней поверхностью посредством резьбового соединения 19, выполненного одновременно в качестве дросселирующего межрезьбового прохода, обеспечивающего развитую турбулезующую нагреваемую поверхность для прохода и подогрева рабочего тела, чтобы исключить образование и попадание конденсата в редуктор давления 9 и тем самым обеспечить его работу с более стабильным выходным давлением.

Давление рабочего тела при прохождении через дроссель 4 понижается, а после прохождения через редуктор давления 9 обеспечивается на уровне (1,75±0,1) кгс/см². Перед поступлением в РД 1 рабочее тело проходит через ресивер 10, который сглаживает колебания давления. Для того чтобы при внезапном расширении рабочего тела в ресивере 10 не образовывался конденсат, внутри его поддерживается температура на уровне (20±3)°С, что обеспечивается за счет работы электронагревателя 12, установленного в сквозной трубе 21, выполненной с оребрением 22, которое увеличивает площадь взаимодействия газообразного рабочего тела с нагреваемой поверхностью и тем самым повышается эффективность работы электронагревателя 12 и ресивера 10 в целом. Ресивер 10 выполнен с наружной теплоизоляцией 23, что дополнительно повышает эффективность работы ресивера 10 за счет снижения тепловых потерь с его наружной поверхности. Таким образом осуществляется подача рабочего тела в РД 1 с обеспечением повышенной точности и стабильности его расхода и давления без образования конденсата, что позволило в целом повысить эффективность работы РД 1 и всей двигательной установки.

Если включается в работу РД 1 с двойной тягой, то с помощью блока управления 6 дополнительно открывается пускоотсечной клапан 16, что позволяет увеличить общий расход рабочего тела почти в два раза. И таким образом обеспечивается повышение эффективности работы двигательной установки за счет того, что она может работать в двух режимах, а именно для малых и больших корректировок орбиты.

В предложенном решении ресивер 10 используется одновременно для работы двух понижающих давление магистралей 7 и 13. Это позволило повысить эффективность системы в снижении массовых затрат при реализации предложенного способа ее работы.

Предложенная система подачи рабочего тела двигательной установки космического аппарата в настоящее время проходит отработочные испытания.