BR102012029981A2 - Estágio de foguete com sistema propulsor líquido - Google Patents
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Abstract
ESTÁGIO DE FOGUETE COM SISTEMA PROPULSOR LÍQUIDO. Em um estpagio de foguete para operar naves espaciais com ao menos um tanque para a armazenagem separada de combustível e um tanque para armazenagem de oxidante, com o mecanismo propulsor, um estrutura de empuxe-mecanismo propulsor, bem como, tendo uma estrutura primária que interliga os diferentes componentes, a estrutura de empuxe-mecanismo propulsor, ao menos parcialmente, está integrada no interior do tanque. Além disso, no interior do tanque estão previstos aparelhos manipuladores de combustível. A parede divisória da estrutura de empuxe-mecanismo propulsor está conformada totalmente fechada dentro do tanque e divide desta maneira, o tanque em área reciprocamente separadas, nas quais, são armazenadas os diferentes componentes do combustível. O tanque é de conformação essencialmente esférica, mas pode também ser provido de uma cúpula elíptica ou em forma de calota bem como um segmento intermediário cilíndrico.
Description
Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "ESTAGIO DE FOGUETE COM SISTEMA PROPULSOR LÍQUIDO".
A presente invenção refere-se a um estágio de foguete para o- perar foguetes espaciais tendo ao menos sempre uma estrutura primária, um tanque para o armazenamento separado de combustível e oxidante, um me- canismo propulsor bem como uma estrutura de empuxe para o mecanismo propulsor que interliga os diferentes componentes.
Os estágios para suporte de foguetes atualmente usados com sistemas propulsores de líquido contêm uma série de componentes que cumprem diferentes funções. Fazem parte desses componentes os tanques para armazenamento de combustível e oxidante, sendo que, o combustível e
o oxidante ou são armazenados em tanques separados ou em um tanque com uma parede divisória entre o combustível e o oxidante, bem como estru- tura de empuxe - mecanismo de propulsor - designado em inglês como En- 15 gine Thrust Frame (ETF) (quadro de empuxe do motor). Esta última unidade conduz a carga do mecanismo propulsor para o tanque e para a estrutura primária e, por outro lado, as cargas do suporte são introduzidas através da estrutura primária no tanque e no mecanismo propulsor. Além disso, estes estágios de foguete abrangem aparelhos manipuladores do combustível no 20 inglês designado como Propellant Management Devices (PMD) (Dispositivos de Gestão de Propelente), que entre outros, servem para assegurar o abas- tecimento do mecanismo propulsor com um combustível isento de gás e de partículas, também no caso de uma quantidade residual mínima de combus- tível ou servem para frenagem da torção, ou seja, da rotação do líquido.
Constitui objeto de a presente invenção conformar de tal manei-
ra um estágio de foguete da espécie inicialmente citada que apresente o menor peso possível e design compacto e que, além disso, ocasione meno- res custos possíveis.
A invenção soluciona esta tarefa por prever com o estágio de fo- guete desta espécie que ao menos uma parte da estrutura de empuxe- mecanismo propulsor esteja integrada no interior do tanque, sendo que, esta parte da estrutura de empuxe-mecanismo propulsor é de tal modo confor- mada totalmente fechada dentro do tanque, que no tanque são formadas áreas reciprocamente separadas para armazenamento dos componentes do combustível.
Pela integração prevista de acordo com a invenção dos compo- nentes, de outra forma normalmente separados, do tanque e da estrutura de empuxe-mecanismo propulsor em uma unidade, resulta uma disposição ex- tremamente compacta e ao mesmo tempo considerável redução de peso e, além disso, desta maneira, será correspondentemente reduzido também o peso das estruturas limítrofes de uma maneira correspondente. Pelo design compacto, o comprimento global do estágio de foguete de acordo com a in- venção é essencialmente menor do que aquela de configurações convencio- nais, o que também reduz as cargas mecânicas, como cargas de vento e as cargas induzidas pela carga útil. Além disso, pela coformação prevista con- soante a invenção do estágio de foguete, as diferentes funções serão de uma forma ótima distribuídas para os diferentes componentes. Assim, a es- trutura de empuxe-mecanismo propulsor essencialmente cônico é usada simultaneamente também para a separação do combustível e do oxidante dentro do tanque e, além disso, reduz também os residuais geométricos.
Pela integração também dos aparelhos manipuladores do com- 20 bustível, prevista também em ampliação vantajosa da presente invenção, a compacidade da disposição ainda será mais aperfeiçoada. Ao mesmo tem- po, os componentes dos aparelhos manipuladores de combustível, como chapas condutoras e recipiente de líquido que pode ser reabastecido, tam- bém são usados para introdução de carga. Finalmente, o estágio de foguete 25 de acordo com a invenção apresenta uma capacidade de reignição necessá- ria em casos especiais.
Em seguida, a invenção será explicada mais detalhadamente com base nos desenhos. As figuras mostram:
figura 1 uma parte de estágio de foguete em corte,
figura 2 apresentação ampliada de uma área parcial da disposi-
ção de acordo com a figura 1,
figura 3 outra vista de uma área parcial ampliada da disposição de acordo com a figura 1,
figura 4 nova apresentação ampliada de uma área parcial da disposição de acordo com a figura 3,
figuras 5 a 7 apresentações de diferentes formas de tanques pa- ra um estágio de foguete,
figura 8 e 9 representações de disposições alternativas de estru- turas de empuxe-mecanismo propulsor em tanques e,
figuras tO e 11 duas outras apresentações alternativas da estru- tura empuxe-mecanismo propulsor para um estágio de foguete.
Nas figuras, componentes iguais e reciprocamente correspon-
dentes recebem o mesmo número de referência.
A figura 1 apresenta de forma esquemática um corte vertical por um estágio dé foguete, no qual, em uma estrutura primária 1 está vinculada uma estrutura de empuxe-mecanismo propulsor 2 cônico, a qual, por sua vez, na maior parte está integrada em um tanque 3 de forma esférica, no caso da disposição aqui apresentada, sendo que a parte 2b da estrutura de empuxe-mecanismo propulsor 2 está integrada no interior do tanque, en- quanto que um anel externo 2a se encontra fora deste tanque 3. Além disso, a disposição apresentada na figura 1 abrange um mecanismo propulsor 4 bem como aparelhos manipuladores de combustível 5 com chapas conduto- ras 5a e ao menos um recipiente de líquidos 5b que pode ser reabastecido. Como pode ser verificado a partir da figura, nesta disposição, os componen- tes como sejam tanque 3 e estrutura de empuxe-mecanismo propulsor 2, que nos estágios de foguete convencionais normalmente estão previstos separados, estão interligados no presente caso em que apresentem restri- ções nas suas respectivas funções ou sejam prejudicados.
A integração da estrutura de empuxe-mecanismo propulsor cô- nica 2 no tanque 3 esférico atribui a estrutura de empuxe-mecanismo pro- pulsor cônica 2 duas outras funções. Assim, divide por uma sessão integra- da no tanque 3, atuante como parede divisória 2b, o tanque 3 em duas áreas
I e Il como pode ser reconhecido especialmente na figura 1. Destas duas áreas I e II, durante o armazenamento, uma destas regiões recebe o com- bustível e a outra recebe o oxidante, com o que não é necessária uma dis- posição ou de vários tanques ou a montagem de uma parede divisória sepa- rada. Um comando inteligente de pressão entre as duas áreas do tanque I e
Il faz com o que, além disso, a massa estrutural da parede divisória 2b côni- 5 ca possa a ser reduzida a um nível mínimo.
A forma esférica do tanque 3, mostrada na figura 1, representa o formato ótimo de um tanque pressurizado para armazenagem de combustí- vel e oxidante, desde que, seja levado em conta exclusivamente o apareci- mento de cargas de pressão. Como o mecanismo propulsor 4 - conforme 10 também mostrado na figura 1 - está unido em apenas um ponto com o está- gio de foguete restante e como a estrutura primária 1 apresenta uma forma essencialmente cilíndrica, a estrutura de empuxe-mecanismo propulsor 2 cônica constitui simultaneamente o formato ótimo para integração de carga do cilindro do estágio primário 1 no ponto de ligação para o mecanismo pro- 15 pulsor 4 e deste mecanismo em movimento de retorno.
As chapas condutoras 5a estão posicionadas perpendicular- mente para com o eixo simétrico do estágio de foguete e interligam a parte mais larga do tanque 1 com a saída do tanque a fim de frear a torção do lí- quido e para conduzir este volume até a saída do tanque. Os recipientes de 20 líquidos 5b que podem ser reabastecidos estão presos acima da saída do tanque e contém um volume suficiente de líquido na saída para que, por um lado, em virtude de forças de tensões superficiais, assegurarem a ausência de gás do combustível e para que, por outro lado, assegurar que em uma nova ignição do mecanismo propulsor 4 esteja imediatamente disponível 25 combustível ainda antes que a aceleração tenha conduzido a parte restante do combustível até a saída do tanque. As chapas condutoras 5a e os recipi- entes de líquidos 5b que podem ser reabastecidos estão dispostos nas duas regiões I e Il do tanque 3.
A apresentação ampliada de uma área parcial da disposição precedente descrita na figura 2 mostra como, no término da última fase de combustão do estágio do foguete, eventuais quantidades residuais de com- bustível 6 e de oxidante 7 se acumulam com ângulo máximo admissível na região dos aparelhos manipuladores de combustível 5. Baseado nos diferen- tes ângulos, ou seja, cantos, dentro da geometria integrada do tanque 3 e da estrutura de empuxe-mecanismo propulsor cônica 2 se reduzem na fase de acionamento das quantidades residuais de combustível 6 e 7 em compara- 5 ção àquelas quantidades em tanques convencionais. Pela aceleração longi- tudinal, os líquidos 6 e 7 serão comprimidos na direção do fundo do tanque onde está disposto o mecanismo propulsor 4 e onde se encontram as luvas de saída do tanque até as linhas de transporte. Ao todo, a forma de tanque integrada resulta assim em uma redução de cerce de 50% das quantidades 10 de combustível residuais 6, 7 em comparação com aquelas quantidades nos tanque convencionais. Forças superficiais que são excitadas pelos cantos existentes reduzem ainda mais estas quantidades residuais de combustível, sem que para tanto, seja necessária a montagem de outros aparelhos mani- puladores de combustível.
A apresentação mais uma vez ampliada de uma área parcial da
disposição de acordo com a figura 1 nas figuras 3 e 4, apresenta a monta- gem na região Il do tanque 3 com as chapas condutoras 5a, bem como, o recipiente de líquido que pode ser reabastecido 5b, constituído de passa- gens 8a que são apoiadas por um reforço 8b de formato discoidal e que por sua vez são recobertos por peneiras 8c.
A integração dos aparelhos manipuladores de combustível 5 na disposição, apoia, na região das saídas dos tanques 3, a estrutura de empu- xe-mecanismo propulsor cônica 2 em sua função de sustentação de carga para induzir as cargas do mecanismo propulsor na estrutura primária 1. O 25 percurso de carga se processa no caso de modo preponderante pela estru- tura de empuxe-mecanismo propulsor cônica 2, de maneira que, não são necessários suportes adicionais. As chapas condutoras têm normalmente a sua função capilar para interligar líquido, conduzindo este líquido para a par- te inferior do tanque 3 e para mantê-lo naquele tanque. Deve-se mencionar 30 que também na região I que pode ser conhecida nas figuras 1 e 2, estão previstas chapas condutoras deste tipo 5a e recipientes de líquidos 5b que podem ser reabastecidos. Tendo em vista que a otimização do diâmetro e da altura de um estágio de foguete também dependem da configuração de suporte global, é importante para uma otimização do potencial de suporte de um estágio de foguete que o diâmetro e o comprimento do tanque possam ser variados.
5 Pela conformação esférica interna de tanques, eventualmente podem ser formados volumes vazios relativamente grandes em cuja, tendo por conse- qüência um estágio de suporte desnecessariamente extenso, uma mera forma esférica de um tanque deste tipo não é ótima em todos os casos. Nas figuras de 5 até 7 são mostrados, portanto, variantes possíveis de tanques 10 que em muitos casos resultam em soluções mais bem adequadas.
Aqui pode se tratar de um tanque com um segmento intermediá- rio 9 cilíndrico como é mostrado na figura 5, um tanque com cúpulas 10 es- sencialmente elípticas de acordo com a figura 6 ou também um tanque 11 com cúpulas em forma de calotas 11 conforme mostrado na figura 7.
No caso da estrutura de empuxe-mecanismo propulsor 2 essen-
cialmente cônica, a parede divisória 2b pode ser prolongada por um lado com um anel 2a cônico, o chamado Conical Tank Attachment Ring (Anel Cônico de Fixação de Tanque) para a estrutura primária 1 e por outro lado através de um prolongamento do tanque 2c, até o mecanismo propulsor 4, 20 conforme mostrado na figura 9. O prolongamento do tanque 2c possibilita, no caso, melhor indução das forças reguladoras do atuador e forças do me- canismo propulsor. Porém, esta disposição não é totalmente tão compacta e a mesma mais complexa do que uma disposição sem o prolongamento de tanque 2c deste tipo. Por outro lado, para aproveitar melhor um volume exis- 25 tente, alternativamente neste sentido o anel 2a cônico poderá ser totalmenté dispensado, conforme mostrado na figura 9. Em um caso deste tipo, todavia, as cargas do suporte teriam de ser aceitas também pela concha do tanque.
Nas disposições acima descritas, a estrutura de empuxe- mecanismo propulsor é de formato cônico. De acordo com a exigência do sistema, poderá também divergir desta forma. As figuras 10 e 11 apresen- tam estruturas com faces longitudinais curvadas. Isto pode ser realizado ou - conforme mostrado na figura 10 - com uma curvatura 13 côncava ou - con- forme mostrado na figura 11 - uma curvatura 14 convexa. A escolha da cur- vatura ótima das faces longitudinais da estrutura de empuxe-mecanismo propulsor depende, entre outros aspectos, da pressão diferencial reinante entre as duas câmaras do tanque I e II. E também do ponto de ligação na 5 estrutura primaria e dos volumes requeridos pelas duas câmaras de tanque I e II. De qualquer maneira, considerando-se faces longitudinais curvadas, deve estar assegurado que a pressão diferencial sempre atue na direção da curvatura por que do contrário existiria o perigo de uma formação de mos- sas. Também o percurso de carga das cargas do mecanismo propulsor é 10 mais desfavorável por que não mais forma uma linha reta e, além disso, a formação de uma estrutura cônica desta natureza é mais complexa.
Claims (10)
1. Estágio de foguete para a operação de naves espaciais dis- pondo de ao menos um tanque para a armazenagem separada de combus- tível e um tanque para o oxidante, um mecanismo propulsor, uma estrutura de empuxe-mecanismo propulsor, bem como uma estrutura primária que interliga os diferentes componentes, caracterizado pelo fato de que, ao me- nos uma parte da estrutura de empuxe-mecanismo propulsor (2) está dis- posta no interior do tanque (3), sendo que esta parte (2b) da estrutura de empuxe-mecanismo propulsor (2) está conformada totalmente fechada den- tro do tanque (3), sendo que, no tanque (3) são formadas regiões (I, II) sepa- radas para armazenamento dos componentes do combustível.
2. Estágio de foguete de acordo com a reivindicação 1, caracte- rizado pelo fato de que, no interior do tanque (3) estão previstos aparelhos manipuladores de combustível (5) adicionais, equipados com chapas condu- toras (5a).
3. Estágio de foguete de acordo com a reivindicação 2, caracte- rizado pelo fato de que, os aparelhos manipuladores de combustível (5) são equipados com recipientes de líquidos (5b) que podem ser reabastecidos.
4. Estágio de foguete de acordo com uma das reivindicações 1 a3, caracterizado pelo fato de que, a estrutura de empuxe-mecanismo propul- sor (2), por meio de um anel (2a) essencialmente em formato cônico, está unida com a estrutura primária (1).
5. Estágio de foguete de acordo com uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado pelo fato de que, a estrutura de empuxe-mecanismo propul- sor (2) adicionalmente está unida com o mecanismo propulsor (4) através de um reforço (8b) discoidal.
6. Estágio de foguete de acordo com uma das reivindicações 1 a4, caracterizado pelo fato de que, a estrutura de empuxe-mecanismo propul- sor (2) está unida com o mecanismo propulsor (4) através de um prolonga- mento (2c).
7. Estágio de foguete de acordo com uma das reivindicações 1 a 6, caracterizado pelo fato de que, o tanque (3) é essencialmente conformado esférico.
8. Estágio de foguete de acordo com uma das reivindicações 1 a 6, caracterizado pelo fato de que, o tanque está equipado com cúpulas (10) essencialmente elípticas.
9. Estágio de foguete de acordo com uma das reivindicações 1 a 6, caracterizado pelo fato de que, o tanque está provido de cúpulas (11) es- sencialmente em formato de calota.
10. Estágio de foguete de acordo com uma das reivindicações 1 a 9, caracterizado pelo fato de que, o tanque está provido com um segmento 10 intermediário (9) de formato cilíndrico.
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