BR102012029981B1 - estágio de foguete para a operação de naves espaciais - Google Patents
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Abstract
ESTÁGIO DE FOGUETE COM SISTEMA PROPULSOR LÍQUIDO. Em um estágio 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
[0001] A presente invenção refere-se a um estágio de foguete para operar foguetes espaciais tendo ao menos sempre uma estrutura primária, um tanque para o armazenamento separado de combustível e oxidante, um mecanismo propulsor bem como uma estrutura de empuxo para o mecanismo propulsor que interliga os diferentes componentes.
[0002] 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 estrutura de empuxo - mecanismo de propulsor - designado em inglês como Engine Thrust Frame (ETF) (quadro de empuxo 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 inglês designado como Propellant Management Devices (PMD) (Dispositivos de Gestão de Propelente), que entre outros, servem para assegurar o abastecimento do mecanismo propulsor com um combustível isento de gás e de partículas, também no caso de uma quantidade residual mínima de combustível ou servem para frenagem da torção, ou seja, da rotação do líquido.
[0003] Constitui objeto de a presente invenção conformar de tal maneira um estágio de foguete da espécie inicialmente citada que apresente o menor peso possível e design compacto e que, além disso, ocasione menores custos possíveis.
[0004] A invenção soluciona esta tarefa por prever com o estágio de foguete desta espécie que ao menos uma parte da estrutura de empuxo para o mecanismo propulsor esteja integrada no interior do tanque, sendo que, esta parte da estrutura de empuxo para o mecanismo propulsor é de tal modo conformada totalmente fechada dentro do tanque, que no tanque são formadas áreas reciprocamente separadas para armazenamento dos componentes do combustível.
[0005] Pela integração prevista de acordo com a invenção dos componentes, de outra forma normalmente separados, do tanque e da estrutura de empuxo para o mecanismo propulsor em uma unidade, resulta uma disposição extremamente 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 invenção é essencialmente menor do que aquela de configurações convencionais, o que também reduz as cargas mecânicas, como cargas de vento e as cargas induzidas pela carga útil. Além disso, pela coformação prevista consoante a invenção do estágio de foguete, as diferentes funções serão de uma forma ótima distribuídas para os diferentes componentes. Assim, a estrutura de empuxo para o 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.
[0006] Pela integração também dos aparelhos manipuladores do combustível, prevista também em ampliação vantajosa da presente invenção, a compacidade da disposição ainda será mais aperfeiçoada. Ao mesmo tempo, os componentes dos aparelhos manipuladores de combustível, como chapas condutoras e recipiente de líquido que pode ser reabastecido, também são usados para introdução de carga. Finalmente, o estágio de foguete de acordo com a invenção apresenta uma capacidade de reignição necessária em casos especiais.
[0007] 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 disposição 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, figura 5 a 7 apresentações de diferentes formas de tanques para um estágio de foguete, figura 8 e 9 representações de disposições alternativas de estruturas de empuxo para o mecanismo propulsor em tanques e, figura 9 0 e 11 duas outras apresentações alternativas da estrutura empuxo para o mecanismo propulsor para um estágio de foguete.
[0008] Nas figuras, componentes iguais e reciprocamente correspondentes recebem o mesmo número de referência.
[0009] A figura 1 apresenta de forma esquemática um corte vertical por um estágio de foguete, no qual, em uma estrutura primária 1 está vinculada uma estrutura de empuxo para o 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 empuxo para o mecanismo propulsor 2 está integrada no interior do tanque, enquanto 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 condutoras 5a e ao menos um recipiente de líquidos 5b que pode ser reabastecido. Como pode ser verificado a partir da figura, nesta disposição, os componentes como sejam tanque 3 e estrutura de empuxo para o mecanismo propulsor 2, que nos estágios de foguete convencionais normalmente estão previstos separados, estão interligados no presente caso em que apresentem restrições nas suas respectivas funções ou sejam prejudicados.
[00010] A integração da estrutura de empuxo para o mecanismo propulsor cônica 2 no tanque 3 esférico atribui a estrutura de empuxo para o mecanismo propulsor cônica 2 duas outras funções. Assim, divide por uma sessão integrada no tanque 3, atuante como parede divisória 2b, o tanque 3 em duas áreas I e II como pode ser reconhecido especialmente na figura 1. Destas duas áreas I e II, durante o armazenamento, uma destas regiões recebe o combustível e a outra recebe o oxidante, com o que não é necessária uma disposição ou de vários tanques ou a montagem de uma parede divisória separada. Um comando inteligente de pressão entre as duas áreas do tanque I e II faz com o que, além disso, a massa estrutural da parede divisória 2b cônica possa a ser reduzida a um nível mínimo.
[00011] A forma esférica do tanque 3, mostrada na figura 1, representa o formato ótimo de um tanque pressurizado para armazenagem de combustível e oxidante, desde que, seja levado em conta exclusivamente o aparecimento de cargas de pressão. Como o mecanismo propulsor 4 - conforme também mostrado na figura 1 - está unido em apenas um ponto com o estágio de foguete restante e como a estrutura primária 1 apresenta uma forma essencialmente cilíndrica, a estrutura de empuxo para o 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 propulsor 4 e deste mecanismo em movimento de retorno.
[00012] As chapas condutoras 5a estão posicionadas perpendicularmente 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 líquido e para conduzir este volume até a saída do tanque. Os recipientes de 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 combustível ainda antes que a aceleração tenha conduzido a parte restante do combustível até a saída do tanque. As chapas condutoras 5a e os recipientes de líquidos 5b que podem ser reabastecidos estão dispostos nas duas regiões I e II do tanque 3.
[00013] 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 combustível 6 e de oxidante 7 se acumulam com ângulo máximo admissível na região dos aparelhos manipuladores de combustível 5. Baseado nos diferentes ângulos, ou seja, cantos, dentro da geometria integrada do tanque 3 e da estrutura de empuxo para o mecanismo propulsor cônica 2 se reduzem na fase de acionamento das quantidades residuais de combustível 6 e 7 em comparação àquelas quantidades em tanques convencionais. Pela aceleração longitudinal, 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 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 manipuladores de combustível.
[00014] 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 montagem na região II do tanque 3 com as chapas condutoras 5a, bem como, o recipiente de líquido que pode ser reabastecido 5b, constituído de passagens 8a que são apoiadas por um reforço 8b de formato discoidal e que por sua vez são recobertos por peneiras 8c.
[00015] A integração dos aparelhos manipuladores de combustível 5 na disposição, apoia, na região das saídas dos tanques 3, a estrutura de empuxo para o mecanismo propulsor cônica 2 em sua função de sustentação de carga para induzir as cargas do mecanismo propulsor na estrutura primária 1. O percurso de carga se processa no caso de modo preponderante pela estrutura de empuxo para o 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 parte inferior do tanque 3 e para mantê-lo naquele tanque. Deve-se mencionar 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.
[00016] 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. Pela conformação esférica interna de tanques, eventualmente podem ser formados volumes vazios relativamente grandes em cuja, tendo por consequência 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 que em muitos casos resultam em soluções mais bem adequadas.
[00017] Aqui pode se tratar de um tanque com um segmento intermediário 9 cilíndrico como é mostrado na figura 5, um tanque com cúpulas 10 essencialmente elípticas de acordo com a figura 6 ou também um tanque 11 com cúpulas em forma de calotas 11 conforme mostrado na figura 7.
[00018] No caso da estrutura de empuxo para o mecanismo propulsor 2 essencialmente 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, conforme mostrado na figura 9. O prolongamento do tanque 2c possibilita, no caso, melhor indução das forças reguladoras do atuador e forças do mecanismo 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 existente, alternativamente neste sentido o anel 2a cônico poderá ser totalmente 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.
[00019] Nas disposições acima descritas, a estrutura de empuxo para o mecanismo propulsor é de formato cônico. De acordo com a exigência do sistema, poderá também divergir desta forma. As figuras 10 e 11 apresentam estruturas com faces longitudinais curvadas. Isto pode ser realizado ou - conforme mostrado na figura 10 - com uma curvatura 13 côncava ou - conforme mostrado na figura 11 - uma curvatura 14 convexa. A escolha da curvatura ótima das faces longitudinais da estrutura de empuxo para o 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 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 mossas. Também o percurso de carga das cargas do mecanismo propulsor é 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 (8)
1. Estágio de foguete para a operação de naves espaciais dispondo de ao menos um tanque para a armazenagem separada de combustível e um tanque para o oxidante, um mecanismo propulsor (4), uma estrutura de empuxo para o mecanismo propulsor (2), bem como uma estrutura primária (1) que interliga os diferentes componentes, sendo que, ao menos uma parte da estrutura de empuxo para o mecanismo propulsor (2) está disposta no interior do tanque (3), sendo que esta parte (2b) da estrutura de empuxo para o mecanismo propulsor (2) está conformada totalmente fechada dentro do tanque (3), sendo que, no tanque (3) são formadas regiões (I, II) separadas para armazenamento dos componentes do combustível, caracterizado pelo fato de que, no interior do tanque (3) estão previstos aparelhos manipuladores de combustível (5) adicionais, que estão equipados com chapas condutoras (5a) e pelo menos um recipiente de líquido (5b) que pode ser reabastecido.
2. Estágio de foguete de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que, a estrutura de empuxo para o mecanismo propulsor (2), por meio de um anel (2a) essencialmente em formato cônico, está unida com a estrutura primária (1).
3. Estágio de foguete de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que, a estrutura de empuxo para o mecanismo propulsor (2) adicionalmente está unida com o mecanismo propulsor (4) através de um reforço (8b) discoidal.
4. Estágio de foguete de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo fato de que, a estrutura de empuxo para o mecanismo propulsor (2) está unida com o mecanismo propulsor (4) através de um prolongamento (2c).
5. Estágio de foguete de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado pelo fato de que, o tanque (3) é essencialmente conformado esférico.
6. Estágio de foguete de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado pelo fato de que, o tanque está equipado com cúpulas (10) essencialmente elípticas.
7. Estágio de foguete de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado pelo fato de que, o tanque está provido de cúpulas (11) essencialmente em formato de calota.
8. Estágio de foguete de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 7, caracterizado pelo fato de que, o tanque está provido com um segmento intermediário (9) de formato cilíndrico.
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