ES2959869T3 - Sistema de vaporización mejorado para un lanzador espacial - Google Patents
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Abstract
Lanzador espacial que comprende una turbobomba (30), un intercambiador de calor (40) y una boquilla de escape (50) que están dispuestos en un conducto de escape de flujo de fluido (20), desde aguas arriba hacia aguas abajo en una dirección de flujo de fluido en dicho conducto de escape. (20), estando configurado el intercambiador de calor (40) para llevar a cabo la transferencia de calor entre un propulsor que circula dentro del intercambiador de calor (40) y el fluido que fluye en el conducto de escape (20), caracterizado porque comprende una base (60) posicionado en el conducto de escape (20) entre la turbobomba (30) y el intercambiador de calor (40), estando posicionada la base (60) en el centro del flujo de fluido y comprendiendo orificios de succión formados en una pared de la base (60) que están configurados para aspirar una porción de un flujo de fluido alrededor de la base (60). (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)
Description
DESCRIPCIÓN
Sistema de vaporización mejorado para un lanzador espacial
Sector de la técnica
La presente divulgación se refiere a la arquitectura de presurización autógena de una etapa de lanzador espacial, y más específicamente a los elementos que garantizan la vaporización de un propulsante para la presurización de depósitos.
Estado de la técnica
Con el fin de simplificar la arquitectura de las etapas de los lanzadores espaciales, lo que se busca es mejorar el sistema de presurización autógena. El objetivo de un sistema de presurización autógena es vaporizar un propulsor a bordo del lanzador para garantizar la presurización de los depósitos del lanzador, en lugar de utilizar gases neutros específicos. Un sistema de este es ventajoso de este modo porque permite prescindir de sistemas de almacenamiento y de circuitos auxiliares para la circulación de tales gases neutros. El documento RU 2197628 da a conocer un sistema de presurización del estado de la técnica.
Sin embargo, la vaporización del propulsor es problemática; el objetivo, en efecto, es insertar un intercambiador de calor en la tobera de escape de los gases de combustión que alimentan las turbobombas del motor del lanzador para captar el calor, pero la circulación de gases en esta región hace que dicha integración sea compleja, sobre todo teniendo en cuenta las importantes limitaciones de peso y volumen de los distintos componentes.
En efecto, la presencia de bolsas de recirculación de fluido en el flujo perturba el intercambio de calor entre el fluido del conducto de escape y el propulsante, al neutralizar parte de la superficie de intercambio del intercambiador de calor. Las soluciones previstas hasta la fecha conllevan un aumento significativo de la longitud del conducto de escape y/o de su masa, lo que no resulta aceptable en el contexto de un lanzador espacial. La figura 1 ilustra este problema. En esta figura se representa un conducto 10 de escape en el que se colocan sucesivamente una turbobomba 12, un intercambiador 14 de calor y una tobera 16. Las flechas esquematizan el flujo de fluido en el conducto de escape. Puede observarse que la recirculación del fluido en la parte central del conducto de escape permite utilizar únicamente los elementos periféricos del intercambiador de calor, presentando los elementos centrales del intercambiador de calor una eficacia menor, incluso inexistente.
Las soluciones consistentes en aumentar la distancia entre la turbobomba 12 y el intercambiador 14 de calor para atenuar las corrientes de recirculación, o en aumentar la longitud del intercambiador 14 de calor para aumentar la superficie de intercambio en las regiones periféricas no pueden adoptarse debido al importante aumento de volumen y masa que implican.
Objeto de la invención
La presente divulgación pretende responder de este modo, al menos parcialmente, a estos problemas, y propone un lanzador espacial que comprende una turbobomba, una tobera de escape colocada aguas abajo de la turbobomba, y un intercambiador de calor, estando la turbobomba, el intercambiador de calor y la tobera de escape dispuestos en un conducto de escape de fluido, de aguas arriba a aguas abajo según un sentido de flujo de fluido en dicho conducto de escape, estando el intercambiador de calor configurado para realizar una transferencia de calor entre un propulsor que circula por el interior del intercambiador de calor y el fluido que circula por el conducto de escape, caracterizado por que comprende una base colocada en el conducto de escape entre la turbobomba y el intercambiador de calor, estando la base colocada en el centro del flujo de fluido, y comprendiendo orificios de aspiración formados en una pared de la base configurados para aspirar parte de un flujo de fluido alrededor de la base, normalmente toda o parte de la capa límite del flujo de fluido alrededor de la base.
Según un ejemplo, la turbobomba está colocada en una zona central del conducto de escape, y define pasos periféricos de fluido, la base comprende un cuerpo colocado en la prolongación de la turbobomba, de modo que el fluido del conducto de escape fluye alrededor de la base, la base presenta una sección decreciente de aguas arriba a aguas abajo.
Según un ejemplo, la base comprende una unidad de aspiración acoplada a los orificios de aspiración, estando la unidad de aspiración configurada para aplicar selectivamente un vacío a un volumen interno de la base con el fin de aspirar una parte del flujo de fluido del conducto de escape hacia un volumen interno de la base.
Entonces, el lanzador comprende normalmente un controlador adaptado para controlar la unidad de aspiración en función de un caudal de fluido de referencia.
Según un ejemplo, la base comprende un segmento que conecta un volumen interno del cuerpo de la base con una zona del conducto de escape situada aguas abajo del intercambiador de calor.
A continuación, el segmento está conectado normalmente al volumen interno del cuerpo de la base a través de un obturador, configurado para regular el caudal de fluido que puede circular entre el volumen interno del cuerpo de la base y el segmento.
El segmento presenta, normalmente, una restricción colocada en un extremo distal del segmento, aguas abajo del intercambiador de calor.
El segmento está normalmente asociado al intercambiador de calor para permitir la transferencia de calor entre el fluido que atraviesa el segmento y el propulsor que circula por el intercambiador de calor.
El segmento se extiende normalmente según un eje de rotación de la turbobomba.
Descripción de las figuras
La invención y sus ventajas se comprenderán mejor tras la lectura de la siguiente descripción detallada de diversas realizaciones de la invención proporcionadas a modo de ejemplos no limitativos.
[Figura 1] La figura 1, ya descrita anteriormente, representa un ejemplo de conducto de escape de un lanzador espacial.
[Figura 2] La figura 2 representa un ejemplo de un sistema según un aspecto de la invención según una primera configuración.
[Figura 3] La figura 3 representa un ejemplo de un sistema según un aspecto de la invención según una segunda configuración.
En las figuras, los elementos comunes se identifican mediante referencias numéricas idénticas.
Descripción detallada de la invención
Las figuras 2 y 3 representan un ejemplo de sistema según un aspecto de la invención según dos configuraciones descritas a continuación.
En estas figuras se representa un conducto 20 de escape de una lanzadera espacial en el que se colocan sucesivamente un disco de una turbina que alimenta una turbobomba 30, un intercambiador 40 de calor entre los gases calientes y el propulsante que debe vaporizarse y una tobera 50 de escape, estando estos elementos colocados de aguas arriba a aguas abajo según un sentido de flujo mayoritario de fluido en el conducto 20 de escape. Por sentido de flujo mayoritario se entiende el sentido de flujo deseada para el fluido en el conducto 20 de escape, sin tener en cuenta ninguna turbulencia o recirculación de fluido en el conducto 20 de escape.
La turbobomba 30 presenta, normalmente, un eje 32 y una turbina 34 montados móviles en rotación según un eje Z-Z principal con respecto a una estructura fija del lanzador. La estructura de una turbobomba 30 es bien conocida y no se describirá en este caso con mayor detalle. La turbobomba 30 se coloca en el centro del conducto 20 de escape; por tanto, el fluido fluye en el conducto 20 de escape alrededor de la turbobomba 30.
El intercambiador 40 de calor comprende normalmente una pluralidad de tubos de circulación de un propulsor, extendiéndose los tubos normalmente según el sentido de flujo del fluido en el conducto 20 de escape. El intercambiador 40 de calor garantiza un intercambio de calor entre un fluido caliente presente en el conducto 20 de escape y un propulsor que circula por los tubos del intercambiador 40 de calor, para vaporizar este propulsor o, más generalmente, para transferir el calor desde el fluido presente en el conducto 20 de escape hacia el propulsor que circula por el intercambiador 40 de calor.
La tobera 50 forma el escape del conducto 20 de escape hacia el ambiente exterior, normalmente la atmósfera o el espacio.
Para resolver los problemas ya detallados anteriormente con referencia a la figura 1, el sistema propuesto comprende una base 60 interpuesta entre la turbobomba 30 y el intercambiador 40 de calor.
La base 60 se extiende normalmente como una extensión de la turbobomba 30, de modo que el fluido que fluye en el conducto 20 de escape fluye alrededor de la base 60. En el ejemplo mostrado, la base 60 comprende un cuerpo 62 que presenta una forma generalmente semiesférica o de esfera truncada, entendiéndose que tal forma no es limitativa; el cuerpo 62 de la base 62 puede presentar, por ejemplo, forma elíptica o elipsoidal, cónica o troncocónica, o más generalmente cualquier forma adecuada.
La base 60 es normalmente un elemento hueco, que presenta una pluralidad de orificios de aspiración que conectan un volumen interno de la base 60, y en particular un volumen interno del cuerpo 62 de la base 60, con un volumen externo a la base 60. Estos orificios de aspiración conectan de este modo el volumen interno de la base 60 con el volumen interno del conducto 20 de escape por el que circula el fluido.
La base 60 comprende una unidad de aspiración acoplada a los orificios de aspiración, estando la unidad de aspiración configurada para aplicar selectivamente un vacío a un volumen interno de la base 60, para aspirar una parte del flujo de fluido del conducto 20 de escape hacia un volumen interno de la base 60. La unidad de aspiración puede ser una unidad que presente un funcionamiento de tipo activo, por ejemplo una bomba que genere una presión negativa o un fenómeno de aspiración, o de tipo pasivo, por ejemplo una conexión entre el volumen interno de la base 60 y una región que tenga una presión inferior a la presión dentro del conducto 20 de escape cuando el lanzador está en funcionamiento.
En el ejemplo ilustrado, la base 60 comprende un segmento 64 conectado al cuerpo 62 de la base 60. El segmento 64 es normalmente un tubo que presenta un extremo proximal que desemboca en el volumen interno del cuerpo 62 de la base 60, y un extremo distal que desemboca en el conducto 20 de escape, aguas abajo del intercambiador 40 de calor. En el ejemplo ilustrado, el segmento 64 se extiende según el eje Z-Z principal o sustancialmente según el eje principal Z-Z.
Opcionalmente, el segmento 64 comprende una restricción 66 colocada cerca de su extremo distal, realizando la restricción 66 un efecto venturi dentro del segmento 64 y permitiendo de este modo calibrar el caudal que atraviesa el segmento 64, estableciéndose este caudal por la diferencia de presión entre el volumen interno de la base 60 y el flujo de fluido en el conducto 20 de escape.
Al conectar de este modo el volumen interno del cuerpo 62 de la base 60 con una región aguas abajo del intercambiador 40 de calor, se genera un efecto de aspiración a través de los orificios de aspiración de la base 60, en la medida en que la presión alrededor de la base 60 en el conducto 20 de escape es superior a la presión en dicha región aguas abajo del intercambiador 40 de calor. Tal gradiente de presión genera de este modo un efecto de aspiración.
De este modo, le base 60 permitirá aspirar una parte del fluido que fluye por el conducto 20 de escape y rechazarlo aguas abajo del intercambiador 40 de calor. En funcionamiento, la base 60 aspirará la totalidad o parte de una capa límite del flujo de fluido en el conducto 20 de escape. Esta aspiración de la totalidad o de una parte de la capa límite permite eliminar o limitar el desprendimiento del flujo de la pared externa de la base 60, y evitar de este modo la formación de corrientes de recirculación aguas arriba del intercambiador 40 de calor.
Procediendo de este modo, la base 60 tal como se propone permite guiar el flujo dentro del conducto 20 de escape hacia el centro del conducto 20 de escape, y aprovechar de este modo toda la superficie del intercambiador 40 de calor, a diferencia de la configuración ilustrada en la figura 1 descrita anteriormente en la que solo se aprovechan las regiones periféricas del intercambiador 40 de calor.
Las flechas de las figuras 2 y 3 simbolizan el flujo de fluido dentro del conducto 20 de escape y representan esquemáticamente el efecto de la base 60 propuesta. La figura 2 ilustra esquemáticamente el flujo de fluido alrededor de la base 60 en ausencia de aspiración de la capa límite, y la figura 3 ilustra esquemáticamente el flujo de fluido alrededor de la base 60 con una aspiración de la capa límite del flujo de fluido.
En estas figuras se observa que la aspiración de la capa límite permite obtener una distribución del fluido aguas arriba del intercambiador 40 de calor repartida por toda la sección del conducto 20 de escape, y no solo por su periferia, debido a la presencia de corrientes de recirculación en la zona central del conducto 20 de escape.
El sistema propuesto evita de este modo los problemas expuestos anteriormente, al optimizar el efecto del intercambiador 40 de calor y no requerir por tanto un aumento de la longitud de los tubos del intercambiador 40 de calor ni un aumento significativo de la distancia entre la turbobomba 30 y el intercambiador 40 de calor. Nunca se ha propuesto ni previsto una solución de este tipo para un lanzador espacial.
Opcionalmente, el efecto de aspiración puede controlarse. En el ejemplo mostrado en las figuras 2 y 3, la base 60 comprende un controlador 70 adaptado para abrir u obturar selectivamente la totalidad o parte del paso de fluido entre el cuerpo 62 y el segmento 64 de la base 60. La figura 2 ilustra una configuración en la que el paso de fluido entre el cuerpo 62 y el segmento 64 de la base 60 está obturado, mientras que la figura 3 ilustra una configuración en la que el paso de fluido entre el cuerpo 62 y el segmento 64 de la base 60 es posible.
El controlador 70, tal como se representa, comprende un obturador 72 controlado por un accionador 74 asociado a una unidad 76 de control y una fuente 78 de alimentación.
De este modo, el controlador 70 puede controlar el efecto de aspiración en función de los parámetros de funcionamiento, por ejemplo, en función de la cantidad de calor necesaria para vaporizar el propulsante que circula a través del intercambiador 40 de calor. De este modo, el controlador permite seleccionar la superficie de intercambio del intercambiador 40 de calor en función de la necesidad de presurización: cuando se requiere un caudal elevado, se activa la aspiración y se alimentan todos los canales del intercambiador 40 de calor (la superficie de intercambio pasa a ser la superficie máxima), y cuando se requiere una reducción de la demanda de caudal para garantizar una temperatura constante de los gases de presurización (dentro de los límites funcionales impuestos por la resistencia estructural de los depósitos del lanzador y de los componentes del sistema de presurización), la aspiración de la capa límite se detiene o se limita, para modificar las condiciones de alimentación del intercambiador 40 de calor reduciendo la superficie de intercambio a un valor mínimo o intermedio.
Con el fin de optimizar el rendimiento, el segmento 64 puede estar integrado en el intercambiador 40 de calor, de modo que el fluido aspirado por los orificios de aspiración de la base 60 y descargado aguas abajo del intercambiador 40 de calor contribuya al intercambio de calor con el propulsor que circula por los tubos del intercambiador 40 de calor. El segmento 64 puede realizarse, por ejemplo, al menos parcialmente entre los tubos del intercambiador 40 de calor, estando la totalidad o parte del segmento 64 formado por las paredes de los tubos del intercambiador 40 de calor.
Aunque la presente invención se ha descrito con referencia a ejemplos de realización específicos, resulta evidente que pueden realizarse modificaciones y cambios en estos ejemplos sin alejarse del alcance general de la invención tal como se define en las reivindicaciones. En particular, las características individuales de las diversas realizaciones ilustradas/mencionadas pueden combinarse en realizaciones adicionales. En consecuencia, la descripción y los dibujos deben tenerse en consideración en un sentido ilustrativo y no restrictivo.
También resulta evidente que todas las características descritas con referencia a un procedimiento son transponibles, solas o en combinación, a un dispositivo, y a la inversa, todas las características descritas con referencia a un dispositivo son transponibles, solas o en combinación, a un procedimiento.
Claims (9)
1. Lanzador espacial que comprende una turbobomba (30), una tobera (50) de escape colocada aguas abajo de la turbobomba (30), y un intercambiador (40) de calor,
estando la turbobomba (30), el intercambiador (40) de calor y la tobera (50) de escape dispuestos en un conducto (20) de escape de fluido, de aguas arriba a aguas abajo según un sentido de flujo de fluido en dicho conducto (20) de escape, estando el intercambiador (40) de calor configurado para realizar una transferencia de calor entre un propulsor que circula dentro del intercambiador (40) de calor y el fluido que fluye en el conducto (20) de escape, caracterizado por que comprende
una base (60) colocada en el conducto (20) de escape entre la turbobomba (30) y el intercambiador (40) de calor, estando la base (60) colocada en el centro del flujo de fluido, y comprendiendo orificios de aspiración realizados en una pared de la base (60) configurados para aspirar una parte de un flujo de fluido alrededor de la base (40).
2. Lanzador según la reivindicación 1, en el que
la turbobomba (30) está colocada en una región central del conducto (20) de escape, y define pasos periféricos de fluido,
comprendiendo la base (60) un cuerpo (62) colocado en la prolongación de la turbobomba (30), de modo que el fluido del conducto (20) de escape fluye alrededor de la base (60),
la base (60) presenta una sección decreciente de aguas arriba a aguas abajo.
3. Lanzador según cualquiera de las reivindicaciones 1 o 2, en el que la base (60) comprende una unidad de aspiración acoplada a los orificios de aspiración, estando la unidad de aspiración configurada para aplicar selectivamente un vacío a un volumen interno de la base (60) para aspirar una parte del flujo de fluido del conducto (20) de escape hacia un volumen interno de la base (60).
4. Lanzador según la reivindicación 3, que comprende un controlador (70) adaptado para controlar la unidad de aspiración en función de un caudal de fluido de referencia.
5. Lanzador según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, en el que la base (60) comprende un segmento (64) que conecta un volumen interno del cuerpo (62) de la base (60) con una zona del conducto (20) de escape situada aguas abajo del intercambiador (40) de calor.
6. Lanzador según la reivindicación 5, en el que el segmento (64) está conectado al volumen interno del cuerpo (62) de la base (60) a través de un obturador (72), configurado para regular el caudal de fluido que puede circular entre el volumen interno del cuerpo (62) de la base (60) y el segmento (64).
7. Lanzador según cualquiera de las reivindicaciones 5 o 6, en el que el segmento (64) presenta una restricción (66) colocada en un extremo distal del segmento (64), aguas abajo del intercambiador (40) de calor.
8. Lanzador según cualquiera de las reivindicaciones 5 a 7, en el que el segmento (64) está asociado al intercambiador (40) de calor para permitir una transferencia de calor entre el fluido que atraviesa el segmento (64) y el propulsante que circula dentro del intercambiador (40) de calor.
9. Lanzador según cualquiera de las reivindicaciones 5 a 8, en el que el segmento (64) se extiende según un eje (Z-Z) de rotación de la turbobomba (30).
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