RU2131989C1

RU2131989C1 - Fuel tank supercharging system for propulsion unit of space orbital complex

Info

Publication number: RU2131989C1
Application number: RU97118535A
Authority: RU
Inventors: В.И. Гореликов
Original assignee: Акционерное общество открытого типа "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" им.С.П.Королева
Priority date: 1997-11-06
Filing date: 1997-11-06
Publication date: 1999-06-20

Abstract

FIELD: space engineering. SUBSTANCE: system has self-contained subsystems whose gas spaces communicate through supercharging lines incorporating check valves, pressure reducers, and starting/shutoff valves with gas cylinders; supercharging gas transfer compressor mounted in one of self-contained subsystems; and joining assemblies for self-contained subsystem lines. System is provided with additional high- and low-pressure gas transfer lines with starting/shutoff valves ensuring communication between gas cylinders and gas spaces of fuel tanks. Joining assemblies for self-contained subsystems have two pneumatic joints. Subsystem with compressor has its additional low- pressure line connected to compressor inlet and high-pressure line, to its outlet. Additional low-pressure lines of subsystem without compressor connected through first pneumatic joint to inlet of other subsystem compressor communicate with supercharging lines in regions between check valves and fuel tanks. Additional high- pressure lines are connected through second pneumatic joint to outlet of other subsystem compressor and communicate with supercharging lines in regions between gas cylinders and starting/shutoff valves. EFFECT: improved reliability and service life of propulsion unit incorporated in self-contained subsystem without compressor. 1 dwg

Description

Изобретение относится к космической технике, а точнее к области проектирования и эксплуатации реактивных двигательных установок (РДУ) космических летательных аппаратов (КЛА). The invention relates to space technology, and more specifically to the field of design and operation of jet propulsion systems (RDU) of spacecraft (KLA).

Система наддува топливных баков двигательной установки (ДУ) космического орбитального комплекса (ДУ КОК) используется для создания импульсов тяги, необходимых как для перемещения центра масс КЛА (коррекция траектории движения, торможение КЛА для обеспечения его схода с орбиты), так и для создания управляющих моментов относительно его центра масс (ориентация, развороты и т. д. ). Импульсы тяги для различных режимов управления аппаратом в пространстве создаются с помощью имеющихся на борту реактивных двигателей (РД), величины тяг которых в зависимости от их назначения изменяются в широких пределах (от нескольких сотен кГс до единиц и менее кГс). Работа указанных двигателей с заданными параметрами обеспечивается системами наддува топливных баков и подачи топлива к входам двигателей. The system of pressurizing the fuel tanks of a propulsion system (ДУ) of the space orbital complex (ДУ КОК) is used to create thrust impulses necessary both for moving the spacecraft’s center of mass (correction of the trajectory of the spacecraft, braking of the spacecraft to ensure its descent from orbit), and for creating control moments relative to its center of mass (orientation, turns, etc.). Thrust impulses for various control modes of the apparatus in space are created using jet engines (RD) on board, the thrust values of which, depending on their purpose, vary over a wide range (from several hundred kilogram-force to units or less than kilogram-force). The operation of these engines with the specified parameters is ensured by the systems of pressurizing the fuel tanks and supplying fuel to the engine inputs.

Известны системы наддува топливных баков двигательной установки космического орбитального комплекса (см., например, Т.М. Мелькумов и др. Ракетные двигатели, М.: Машиностроение, 1976, с. 10). Системы наддува содержат баллоны высокого давления, заполненные газом, например азотом, которые служат для обеспечения выдавливания топлива из топливных баков и подачи его к реактивным двигателям двигательной установки. Баллоны высокого давления связаны с газовыми полостями наддува топливных баков посредством магистралей низкого давления, содержащих отсечные клапаны, газовые редукторы и обратные клапаны. Запас газа наддува в баллонах высокого давления в таких системах рассчитан на одноразовое полное выдавливание топлива из топливных баков. Повторной заправки в космосе топливных баков здесь обеспечить невозможно из-за отсутствия источника перекачки газа из газовых полостей наддува обратно в полости баллонов высокого давления, т.е. нет возможности привести систему в исходное состояние для повторной дозаправки топливом двигательной установки в условиях космического полета, например, от космического заправщика. Known systems for pressurizing the fuel tanks of a propulsion system of a space orbital complex (see, for example, T.M. Melkumov et al. Rocket engines, M.: Mashinostroenie, 1976, p. 10). The pressurization systems contain high-pressure cylinders filled with gas, for example nitrogen, which serve to squeeze the fuel out of the fuel tanks and supply it to the jet engines of the propulsion system. High-pressure cylinders are connected to the gas cavities of the pressurization of the fuel tanks via low-pressure lines containing shut-off valves, gas gears and check valves. The supply of boost gas in high-pressure cylinders in such systems is designed for one-time full extrusion of fuel from fuel tanks. It is impossible to provide refueling of fuel tanks in space due to the lack of a source for pumping gas from the gas cavities of the boost back into the cavity of the high-pressure cylinders, i.e. there is no way to bring the system to its original state for re-refueling a propulsion system in a space flight, for example, from a space tanker.

Недостатком таких систем является малая живучесть системы, низкая надежность и невозможность многоразового использования системы наддува для дозаправки топливом топливных баков в условиях космического полета. The disadvantage of such systems is the low survivability of the system, low reliability and the inability to reuse the boost system for refueling fuel tanks in space flight conditions.

Известна также система наддува топливных баков ДУ КОК (см., например, патент Великобритании, N 2051246, кл. F 04 F 1/06, F 02 K 9/50, 1981), выбранная в качестве прототипа. Also known is a system for pressurizing fuel tanks DU KOK (see, for example, UK patent N 2051246, class F 04 F 1/06, F 02 K 9/50, 1981), selected as a prototype.

Система состоит из автономных подсистем, содержащих топливные баки, газовые полости которых соединены магистралями с обратными клапанами, редукторами давления и пускоотсечными клапанами с газовыми баллонами, установленным в одной из автономных подсистем компрессором перекачки газа наддува и узлы стыковки магистралей. The system consists of autonomous subsystems containing fuel tanks, the gas cavities of which are connected by highways with non-return valves, pressure reducers and start-off valves with gas cylinders, a compressor for pumping gas of boost, and junctions for connecting highways installed in one of the autonomous subsystems.

В таких системах двигательные установки, например, пилотируемых транспортных кораблей и сходных с ними по характеристикам беспилотных космических аппаратов из-за жестких органический по массе и габаритам бортовых систем, действующих для аппаратов данного класса, имеют сравнительно небольшой запас топлива и газа наддува, причем схема и конструкция подобных ДУ не предусматривает возможность их дозаправки в орбитальном полете. In such systems, propulsion systems, for example, of manned transport ships and unmanned spacecraft similar in characteristics to them, because of the rigid on-board organic systems in mass and dimensions that operate for vehicles of this class, have a relatively small supply of fuel and boost gas, and the scheme and the design of such remote control does not provide for the possibility of their refueling in orbital flight.

Входящая в состав орбитального комплекса орбитальная станция не имеет столь жестких ограничений по массе, габаритам бортовых систем и энергетике как для транспортных кораблей и допускает наличие в составе ДУ собственных бортовых компрессоров для откачки газа из полостей наддува топливных баков в баллоны наддува перед дозаправкой топливных баков от космического заправщика. Увеличение массы и габаритов бортовых систем на орбитальной станции компенсируется возможностью осуществления многократных дозаправок от космического заправщика и продления таким образом ресурса работы всей орбитальной станции. The orbital station, which is part of the orbital complex, does not have such severe restrictions on the mass, dimensions of the on-board systems and energy as for transport ships and allows its own on-board compressors for pumping gas from the cavities of the pressurization of the fuel tanks to the pressurization cylinders before refueling the space tanks refueling. The increase in the mass and dimensions of the onboard systems at the orbital station is compensated by the possibility of multiple refueling from the space refueling station and thus extending the life of the entire orbital station.

Недостатками известной системы наддува являются невозможность обеспечить живучесть, надежность и увеличенный ресурс функционирования ДУ транспортного корабля в случае непредусмотренного программой полета перерасходования топлива при нерасчетных ситуациях в процессе эксплуатации в процессе эксплуатации на орбите. The disadvantages of the known pressurization system are the inability to provide survivability, reliability and an increased service life of the remote control of a transport ship in the event of a fuel overrun that is not foreseen in the flight program during off-design situations during operation in orbit.

Задачей настоящего изобретения является создание такой системы наддува топливных баков космического орбитального комплекса, которая обеспечивала бы живучесть, надежность и увеличенный ресурс функционирования ДУ, в случае непредусмотренного программой полета перерасходования топлива при нерасчетных ситуациях в процессе эксплуатации на орбите. The objective of the present invention is to provide such a system of pressurizing the fuel tanks of the space orbital complex, which would provide survivability, reliability and an increased service life of the remote control, in the case of an unforeseen flight program overspending of fuel during off-design situations during operation in orbit.

Это достигается тем, что в состав системы наддува введены дополнительные магистрали перекачки газа высокого и низкого давления с пускоотсечными клапанами, связывающими газовые баллоны и газовые полости топливных баков с компрессором перекачки газа наддува, обеспечивающие перераспределение топлива между топливными баками автономных подсистем космического орбитального комплекса. This is achieved by the fact that additional high-pressure and low-pressure gas pumping lines with start-off valves connecting gas cylinders and gas cavities of fuel tanks with a compressor for pumping gas boosting fuel redistribution between the fuel tanks of the autonomous subsystems of the space orbital complex are introduced into the pressurization system.

Сущность изобретения заключается в том, что система наддува топливных баков ДУ КОК, состоящая из автономных подсистем, содержащих топливные баки, газовые полости которых соединены магистралями наддува с обратными клапанами, редукторами давления и пускоотсечными клапанами с газовыми баллонами, установленного в одной из автономных подсистем компрессора перекачки газа наддува и узлов стыковки магистралей автономных подсистем, снабжена дополнительными магистралями перекачки газа высокого и низкого давления с пускоотсечными клапанами, связывающими газовые баллоны и газовые полости топливных баков, а узлы стыковки снабжены двумя пневморазъемами, причем в автономной подсистеме с компрессором дополнительная магистраль низкого давления подсоединена ко входу в компрессор, а дополнительная магистраль высокого давления подсоединена к выходу из него, при этом в автономной подсистеме без компрессора дополнительные магистрали низкого давления, соединенные через первый пневморазъем со входом в компрессор другой подсистемы, подключены к магистралям наддува на участках между обратными клапанами и топливными баками, а дополнительные магистрали высокого давления, соединенные через второй пневморазъем с выходом из компрессора другой подсистемы, подключены к магистралям наддува на участках между газовыми баллонами и пускоотсечными клапанами. The essence of the invention lies in the fact that the system of pressurization of fuel tanks DU KOK, consisting of autonomous subsystems containing fuel tanks, gas cavities of which are connected by supercharging lines with non-return valves, pressure reducers and start-off valves with gas cylinders, installed in one of the autonomous subsystems of the transfer compressor gas boost and docking junctions of highways of autonomous subsystems, is equipped with additional high-pressure and low-pressure gas pumping lines with start-off valves, connecting gas cylinders and gas cavities of the fuel tanks, and the docking units are equipped with two pneumatic connectors, moreover, in an autonomous subsystem with a compressor, an additional low-pressure line is connected to the compressor inlet, and an additional high-pressure line is connected to the compressor outlet, while in the autonomous subsystem it is without a compressor additional low-pressure lines connected through the first pneumatic connector to the compressor inlet of another subsystem are connected to boost lines in the inter for non-return valves and fuel tanks, and additional high-pressure lines connected through a second pneumatic connector to the outlet of the compressor of another subsystem are connected to boost lines in the sections between gas cylinders and start-off valves.

Технический результат заключается в том, что по сравнению с известными техническими решениями вновь созданная, система наддува топливных баков ДУ КОК обеспечивает живучесть, надежность и увеличенный ресурс функционирования ДУ автономной подсистемы без компрессора, например, транспортного корабля в случае непредусмотренного программой полета перерасходования топлива при нерасчетных ситуациях в процессе эксплуатации на орбите Земли. The technical result consists in the fact that, compared with the well-known technical solutions, the newly created DU KOK fuel tank pressurization system provides survivability, reliability and an increased service life of the DU of the autonomous subsystem without a compressor, for example, a transport ship in case of an unforeseen fuel overrun during flight situations during operation in orbit of the Earth.

Техническое решение в части введения в состав системы наддува топливных баков ДУ КОК дополнительных магистралей перекачки газа, обеспечивающих подключение и использование автономной подсистемы с компрессором для заправки топливом топливных баков и приведение в исходное состояние автономной системы без компрессора, например, системы наддува, расположенной на транспортном корабле, а также конструктивная взаимная связь всех составных элементов устройства системы обеспечивает живучесть, надежность и увеличенный ресурс функционирования ДУ автономной подсистемы без компрессора при нерасчетных ситуациях в процессе эксплуатации на орбите, что подтверждено испытаниями опытных образцов, изготовленных с использованием предлагаемого технического решения. The technical solution in terms of introducing additional gas pumping lines into the DU KOK fuel tank pressurization system that enables the connection and use of an autonomous subsystem with a compressor for refueling the fuel tanks and restoring an autonomous system without a compressor, for example, a pressurization system located on a transport ship , as well as constructive interconnection of all the constituent elements of the system device provides survivability, reliability and increased resource remote control of the autonomous subsystem without a compressor for off-design situations during operation in orbit, which is confirmed by tests of prototypes made using the proposed technical solution.

Использование предлагаемой системы наддува топливных баков ДУ КОК, например, на космическом орбитальном комплексе типа "Мир" - "Союз-ТМ" - "Прогресс" - "Шатлл" позволит дать значительный экономический эффект, т.к. она характеризуется высокой экономичностью, надежностью и живучестью, так, например, транспортные корабли типа "Союз-ТМ" или беспилотные многоцелевые космические летальные аппараты, не содержащие компрессоров в составе системы наддува топливных баков, при стыковке со станцией типа "Мир", содержащей в составе системы наддува компрессор, за счет обеспечения перераспределения топлива между топливными баками автономных подсистем, позволяет значительно сократить количество запускаемых пилотируемых транспортных кораблей или беспилотных многоцелевых космических летательных аппаратов и значительно повысить их надежность и ресурс при полете как на орбите, так и при возвращении на Землю. Using the proposed system of pressurization of fuel tanks DU KOK, for example, on a space orbital complex of the Mir-Soyuz-TM-Progress-Shuttle type, will allow to give a significant economic effect, because it is characterized by high efficiency, reliability and survivability, for example, Soyuz-TM transport ships or unmanned multipurpose spacecraft that do not contain compressors as part of the fuel tank pressurization system when docked with the Mir type station, which contains compressor boost systems, by ensuring the redistribution of fuel between the fuel tanks of the autonomous subsystems, can significantly reduce the number of manned transport ships or unmanned vehicles launched multi-purpose spacecraft and significantly increase their reliability and resource when flying both in orbit and when returning to Earth.

Суть изобретения поясняется чертежом. The essence of the invention is illustrated in the drawing.

Предлагаемая система наддува топливных баков ДУ КОК состоит их следующих основных узлов, деталей и агрегатов: автономных подсистем и 1 и 2, содержащих топливные баки 3, 4 и 5, 6, газовые полости 7, 8 и 9, 10, которые соединены магистралями наддува 11, 12 и 13, 14 с обратными клапанами 15, 16 и 17, 18, редукторами давления 19, 20 и 21, 22 и пускоотсечными клапанами 23, 24 и 25, 26 с газовыми баллонами 27, 28 и 29, 30. В одной из автономных подсистем 2 установлен компрессор 31 для перекачки газа наддува. В состав системы наддува входят узлы стыковки 32, 33 магистралей. The proposed system of pressurization of fuel tanks DU KOK consists of the following main units, parts and assemblies: autonomous subsystems and 1 and 2, containing fuel tanks 3, 4 and 5, 6, gas cavities 7, 8 and 9, 10, which are connected by boost lines 11 , 12 and 13, 14 with check valves 15, 16 and 17, 18, pressure reducers 19, 20 and 21, 22 and shut-off valves 23, 24 and 25, 26 with gas cylinders 27, 28 and 29, 30. In one of autonomous subsystems 2 installed compressor 31 for pumping boost gas. The composition of the pressurization system includes docking nodes 32, 33 of the highways.

Система наддува снабжена дополнительными магистралями перекачки газа высокого давления 34, 35, 36 от компрессора 31 к баллонам 27, 28 и дополнительными магистралями отвода газа низкого давления 37, 38, 39 из газовых полостей 7, 8 в компрессор 31. Пускоотсечные клапаны 40, 41, 42, 43, 44, 45 соответственно установлены на дополнительных магистралях, связывающих газовые баллоны 27, 28 и газовые полости 7, 8 топливных баков 3, 4. Узлы стыковки 32, 33 магистралей двух подсистем снабжены двумя пневморазъемами 46, 47. В автономной подсистеме 2 с компрессором 31 дополнительная магистраль низкого давления 39 подсоединена ко входу 48 в компрессор 31, а дополнительная магистраль высокого давления 36 подсоединена к выходу 49 из компрессора 31. В автономной подсистеме 1 дополнительные магистрали низкого давления 37, 38, соединенные через первый пневморазъем 47 с входом 48 в компрессор 31 другой подсистемы 2, подключены к магистралям наддува 11, 12 на участках 50, 51 между обратными клапанами 15, 16 и топливными баками 3, 4, а дополнительные магистрали высокого давления 34, 35, соединенные через второй пневморазъем 46 с выходом 49 из компрессора 31 другой подсистемы 2, подключены к магистралям наддува 11, 12 на участках 52, 53 между газовыми баллонами 27, 28 и пускоотсечными клапанами 23, 24. The pressurization system is equipped with additional high pressure gas transfer lines 34, 35, 36 from compressor 31 to cylinders 27, 28 and additional low pressure gas discharge lines 37, 38, 39 from gas cavities 7, 8 to compressor 31. Start-off valves 40, 41, 42, 43, 44, 45, respectively, are installed on additional lines connecting gas cylinders 27, 28 and gas cavities 7, 8 of the fuel tanks 3, 4. Docking nodes 32, 33 of the lines of the two subsystems are equipped with two pneumatic connectors 46, 47. In the autonomous subsystem 2 with compressor 31 additional ma low pressure line 39 is connected to input 48 to compressor 31, and an additional high pressure pipe 36 is connected to output 49 of compressor 31. In the autonomous subsystem 1, additional low pressure pipes 37, 38 connected through the first pneumatic connector 47 to port 48 of compressor 31 subsystems 2, are connected to the boost lines 11, 12 in sections 50, 51 between the check valves 15, 16 and the fuel tanks 3, 4, and additional high-pressure lines 34, 35 connected through the second pneumatic connector 46 to the outlet 49 of the compressor 31 of the other subsystem 2, connected to the boost lines 11, 12 in sections 52, 53 between gas cylinders 27, 28 and start-off valves 23, 24.

Работает система наддува топливных баков ДУ КОК в режиме перекачки газа наддува и дозаправки топливом автономной подсистемы 1 без компрессора, расположенной, например, на транспортном корабле типа "Союз-ТМ", от автономной подсистемы 2 с компрессором 31, расположенной, например, на орбитальной станции типа "Мир", следующим образом. The system of pressurization of fuel tanks DU KOK operates in the mode of pumping gas of pressurization and refueling the autonomous subsystem 1 without a compressor, located, for example, on a Soyuz-TM transport ship, from the autonomous subsystem 2 with a compressor 31 located, for example, on an orbital station type "World", as follows.

После того, как транспортный корабль состыковался посредством стыковочных узлов 32, 33 с орбитальной станцией и произошло соединение между собой посредством первого и второго пневматических разъемов 46, 47 магистралей перекачки газа высокого и низкого давления, расположенными на орбитальной станции, а именно: магистралей 34 и 35 с 36, 3 и 38 с 39, а также произошло соединение между собой посредством гидравлических разъемов 54 гидромагистралей перекачки топлива, расположенных на транспортном корабле, с соответствующими гидромагистралями перекачки топлива, расположенными на орбитальной станции, а именно: гидромагистрали 55 с 57, 56 с 58, открывают все пускоотсечные клапаны 40, 41, 42, 43, 44, 45 и 59, 60, 61, 62 и производят за счет работы компрессора 31 орбитальной станции откачку газа из полостей наддува 7, 8 топливных баков 3, 4 и закачку его с высоким давлением в соответствующие газовые баллоны 27, 28, расположенные на транспортном корабле, затем закрывают клапаны 40, 41, 42, 43, 44, 45, после чего производят дозаправку топливом топливных баков 3, 4, расположенных на транспортном корабле, от соответствующих топливных баков 5, 6, расположенных на орбитальной станции и закрывают клапаны 59, 60, 61, 62. After the transport ship docked via docking units 32, 33 with the orbital station and there was a connection between each other through the first and second pneumatic connectors 46, 47 of the high and low pressure gas pumping lines located on the orbital station, namely: lines 34 and 35 from 36, 3 and 38 with 39, and also there was a connection between each other via hydraulic connectors 54 of the hydraulic pumping lines located on the transport ship, with the corresponding pumping hydraulic lines fuel located on the orbital station, namely: hydraulic lines 55 with 57, 56 with 58, open all start-off valves 40, 41, 42, 43, 44, 45 and 59, 60, 61, 62 and produce due to the operation of the compressor 31 orbital stations pumping gas from the pressurization cavities 7, 8 of the fuel tanks 3, 4 and pumping it with high pressure into the corresponding gas cylinders 27, 28 located on the transport ship, then close the valves 40, 41, 42, 43, 44, 45, after which refuel the fuel tanks 3, 4 located on the transport ship from the corresponding fuel tanks 5, 6 disposed on the orbital station and close valves 59, 60, 61, 62.

Таким образом, используя компрессор 31 и системы наддува газа и подачи топлива, расположенные на орбитальной станции, с которой стыкуется транспортный корабль, приводят в исходное рабочее состояние газовую систему наддува топливных баков 3, 4 и производят их дозаправку топливом для обеспечения работы РД 63 двигательной установки, а это означает, что транспортный корабль приобретает возможность дозаправки топливом в орбитальном полете, обеспечивается живучесть и надежность системы наддува, что выполняет поставленную задачу. Thus, using the compressor 31 and the gas pressurization and fuel supply systems located at the orbital station with which the transport ship is docked, the gas system of pressurizing the fuel tanks 3, 4 is brought back to its initial state and they are refueled to ensure the operation of RD 63 of the propulsion system , and this means that the transport ship acquires the ability to refuel in orbit, survivability and reliability of the boost system are ensured, which fulfills the task.

Claims

The system of pressurizing the fuel tanks of a propulsion system of a space orbital complex, consisting of autonomous subsystems containing fuel tanks whose gas cavities are connected by pressurization lines with non-return valves, pressure reducers and shut-off valves, with gas cylinders, a unit for connecting the lines of autonomous subsystems, characterized in that it contains several docking nodes of autonomous subsystem highways, a boost gas compressor installed in one of the autonomous subsystems and equipped with up to additional high and low pressure gas transfer lines with start-off valves connecting gas cylinders and gas cavities of the fuel tanks, and the docking nodes of the autonomous subsystem lines are equipped with two pneumatic connectors, and in the stand-alone subsystem with a compressor, an additional low pressure line is connected to the compressor inlet, and an additional line high pressure is connected to the exit from it, while in the autonomous subsystem without compressor additional low-pressure lines I, connected through the first pneumatic connector to the compressor in another subsystem, are connected to the boost lines in the sections between the check valves and the fuel tanks, and additional high-pressure lines connected through the second pneumatic connector to the compressor outlet of the other subsystem, are connected to the boost pipes in the sections between gas cylinders and shutoff valves.