RU2132477C1

RU2132477C1 - Propellant tank (fuel and oxidizer tanks) pressurization system of space-craft engine plant

Info

Publication number: RU2132477C1
Application number: RU97117924A
Authority: RU
Inventors: В.И. Гореликов; Л.Н. Сарычев
Original assignee: Акционерное общество открытого типа "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" им.С.П.Королева"
Priority date: 1997-10-14
Filing date: 1997-10-14
Publication date: 1999-06-27

Abstract

FIELD: space engineering. SUBSTANCE: system includes pneumatic mains connected with pressurization bottles and gas cavities of propellant tanks (fuel and oxidizer tanks), valves fitted in pneumatic mains and on board temperature control system. Pressurization systems also includes hermetic gas-filled container with on-board compressor located inside it; compressor is connected with pressurization bottles by means of high-pressure pneumatic mains and with gas cavities of propellant tanks (fuel and oxidizer tanks) by means of low-pressure pneumatic mains. heat exchanger mounted inside container is connected to on-board temperature control system; hermetic diaphragm divides inner volume of container into two isolated cavities which are communicated through compressor cavities and heat exchanger jacket. Compressor is provided with gas circulation actuator. EFFECT: enhanced efficiency of cooling of on-board compressor; enhanced reliability of propellant tank pressurization system during operation in space. 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 горючего и окислителя двигательной установки (ДУ) КЛА используется в современных РДУ КЛА 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 c 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 the fuel and oxidizer of the spacecraft propulsion system (DU) of the KLA is used in modern KLU RDUs to create thrust impulses necessary both for moving the center of mass of the KLA (correction of the trajectory of movement, braking of the KLA to ensure its departure from orbit), and for creating control moments relative to its center of mass (orientation, turns, etc.). Traction pulses 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 горючего и окислителя двигательной установки космического летательного аппарата (см., например, Т.М. Мелькумов и др. Ракетные двигатели.-M.: Машиностроение, 1976 г.). 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 полостями наддува топливных баков посредством магистралей низкого давления, содержащих отсечные клапаны, газовые редукторы и обратные клапаны. Known systems of pressurizing fuel tanks of fuel and an oxidizer of a propulsion system of a spacecraft (see, for example, T.M. Melkumov and other rocket engines.-M .: Engineering, 1976). 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 cavities of the pressurization of the fuel tanks through low-pressure lines containing shut-off valves, gas pressure regulators and check valves.

Недостатками таких систем являются малая живучесть системы, низкая надежность и невозможность многоразового использования системы наддува для дозаправки топливом топливных баков в условиях космического полета. The disadvantages of such systems are 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 горючего и окислителя ДУ КЛА (см. , например, патент Великобритании, кл. F 04 F 1/06, F 02 K 9/50 N 2051246 от 1981 г.), выбранная в качестве прототипа. Also known is a system for pressurizing fuel tanks of fuel and an oxidizing agent for KL KL (see, for example, UK patent, class F 04 F 1/06, F 02 K 9/50 N 2051246 from 1981), selected as a prototype.

Система содержит пневмомагистрали, связанные с баллонами наддува и газовыми полостями топливных баков горючего и окислителя, клапаны, установленные на пневмомагистралях и бортовую систему терморегулирования (СТР). Бортовой системой терморегулирования снабжен каждый летательный аппарат для обеспечения тепловых режимов приборов и агрегатов, работающих в заданных температурных режимах. The system contains pneumatic lines associated with boost cylinders and gas cavities of the fuel tanks of the fuel and oxidizer, valves installed on the pneumatic lines and the on-board temperature control system (CTP). Each aircraft is equipped with an on-board temperature control system to ensure the thermal conditions of devices and units operating in predetermined temperature conditions.

Запас газа наддува в баллонах высокого давления в указанной системе прототипа рассчитан на одноразовое полное выдавливание топлива из топливных баков горючего и окислителя. Повторной заправки в космосе топливных баков горючим и окислителем здесь обеспечить невозможно из-за отсутствия источника перекачки газа из 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. The supply of boost gas in high pressure cylinders in the specified prototype system is designed for one-time full extrusion of fuel from fuel tanks of fuel and oxidizer. It is impossible to provide fuel and oxidizer refueling in space of the fuel tanks due to the lack of a source for pumping gas from boost cavities back to the cavities of high pressure cylinders, i.e. there is no way to bring the system to its original state for refueling the propulsion system in space flight , for example, from a space tanker.

Недостатками известной системы наддува являются низкие живучесть и надежность из-за отсутствия надежного и эффективного источника перекачки газа из полостей наддува топливных баков в баллоны высокого давления. The disadvantages of the known pressurization system are low survivability and reliability due to the lack of a reliable and efficient source of pumping gas from the cavities of the pressurization of the fuel tanks into high pressure cylinders.

Задачей настоящего изобретения является создание системы наддува топливных баков ДУ КЛА, которая обладала бы повышенной живучестью и надежностью в условиях космического полета. The objective of the present invention is to provide a system of pressurizing the fuel tanks of the remote control of the spacecraft, which would have increased survivability and reliability in space flight conditions.

Это достигается тем, что в состав системы введен герметичный газонаполненный контейнер с размещенным в нем компрессором, снабженным высокоэффективным охлаждением. This is achieved by the fact that a sealed gas-filled container with a compressor located in it and equipped with highly efficient cooling has been introduced into the system.

Сущность изобретения заключается в том, что система наддува топливных баков ДУ КЛА, содержащая пневмомагистрали, связанные с баллонами наддува и газовыми полостями топливных баков горючего и окислителя, клапаны, установленные на пневмомагистралях, и бортовую систему терморегулирования, содержит герметичный газонаполненный контейнер с размещенным в нем бортовым компрессором, связанным пневмомагистралями высокого давления с баллонами наддува и пневмомагистралями низкого давления с газовыми полостями соответствующих топливных баков горючего и окислителя, при этом в газонаполненном контейнере установлены теплообменник, подключенный к бортовой системе терморегулирования, и герметичная мембрана, разделяющая внутренний объем контейнера на две изолированные друг от друга полости, сообщающиеся через полости компрессора и рубашку теплообменника, причем компрессор снабжен побудителем циркуляции газа. The essence of the invention lies in the fact that the system of pressurizing the fuel tanks of the remote control of the spacecraft, containing pneumatic lines associated with boost cylinders and gas cavities of the fuel tanks of the fuel and oxidizer, valves installed on the pneumatic lines, and the on-board temperature control system, contains a sealed gas-filled container with an on-board container a compressor connected by high pressure pneumatic highways with boost cylinders and low pressure pneumatic highways with gas cavities of respective fuel tanks fuel and oxidizer, while a gas-filled container has a heat exchanger connected to the on-board temperature control system, and a sealed membrane that divides the internal volume of the container into two separate cavities, communicating through the compressor cavities and the heat exchanger jacket, and the compressor is equipped with a gas circulation stimulator.

Технический результат заключается в том, что по сравнению с известными техническими решениями вновь созданная система наддува топливных баков горючего и окислителя ДУ КЛА обеспечивает не только высокую надежность работы компрессора, но и увеличение ресурса работы компрессора за счет обеспечения эффективного его охлаждения. The technical result consists in the fact that, in comparison with the known technical solutions, the newly created system for pressurizing the fuel tanks of the fuel and the oxidizer DU KLA provides not only high reliability of the compressor, but also an increase in the life of the compressor due to its effective cooling.

Техническое решение в части установки в газонаполненном контейнере теплообменника, подключенного к бортовой системе терморегулирования, и герметичной мембраны, разделяющей внутренний объем контейнера на две изолированные друг от друга полости, сообщающиеся через охлаждаемые циркулирующим газом полости компрессора и рубашку теплообменника, а также взаимная конструктивная связь всех составных элементов устройства системы обеспечивает эффективное охлаждение компрессора с одновременным повышением ресурса работы компрессора и надежности системы наддува в целом, что подтверждено испытаниями опытных образцов, изготовленных с использованием предлагаемого технического решения. The technical solution in terms of installing a heat exchanger in a gas-filled container connected to an on-board temperature control system and a sealed membrane that separates the internal volume of the container into two cavities isolated from each other, communicating through the compressor cavities cooled by the circulating gas and the heat exchanger jacket, as well as the mutual structural connection of all the components elements of the system device provides effective compressor cooling while increasing the compressor service life and reliability characteristics of the pressurization system as a whole, which is confirmed by tests of prototypes made using the proposed technical solution.

Использование предлагаемой системы наддува топливных баков ДУ КЛА, например на космическом орбитальном комплексе типа "Мир" - "Союз-ТМ" - "Прогресс" - "Шатлл", позволит дать значительный экономический эффект за счет обеспечения эффективного охлаждения компрессора, поддержания необходимого температурного уровня в газонаполненном контейнере с одновременным повышением живучести и надежности при эксплуатации данной системы. The use of the proposed system of pressurization of fuel tanks DU KLA, for example on the space orbital complex of the Mir-Soyuz-TM-Progress-Shuttle type, will allow to give a significant economic effect by providing effective compressor cooling, maintaining the required temperature level in gas-filled container with a simultaneous increase in survivability and reliability during operation of this system.

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

Предлагаемая система наддува топливных баков ДУ КЛА состоит из следующих основных узлов, деталей и агрегатов: пневмомагистралей 1, 2, связанных с баллонами наддува 3, 4, пневмомагистралей 5, 6, связанных с газовыми полостями 7, 8, топливных баков горючего и окислителя 9, 10, клапанов 11, установленных на пневмомагистралях 1, 2, 5, 6, и бортовой системы терморегулирования 12. Система наддува содержит герметичный газонаполненный контейнер 13 с размещенным в нем бортовым компрессором 14, связанным пневмомагистралями высокого давления 1, 2 с баллонами наддува 3, 4 и пневмомагистралями низкого давления 5, 6 с газовыми полостями 7, 8 соответствующих топливных баков 9, 10. В газонаполненном контейнере 13 установлены теплообменник 15, подключенный к бортовой системе терморегулирования 12, и герметичная мембрана 16, разделяющая внутренний объем 17 контейнера 13 на две изолированные друг от друга полости 18, 19, сообщающиеся через полости 20 компрессора 14, охлаждаемые циркулирующим газом, и рубашку 21 теплообменника 15. Компрессор 14 снабжен побудителем циркуляции газа 22, например вентилятором. The proposed system of pressurization of fuel tanks DU KLA consists of the following main components, parts and assemblies: pneumatic lines 1, 2, associated with boost cylinders 3, 4, pneumatic lines 5, 6, connected with gas cavities 7, 8, fuel tanks of oxidizer 9, 10, valves 11 installed on the pneumatic lines 1, 2, 5, 6, and the on-board temperature control system 12. The pressurization system contains a sealed gas-filled container 13 with an on-board compressor 14 connected thereto, connected by high-pressure pneumatic lines 1, 2 with boost cylinders 3, 4 and low pressure pneumatic lines 5, 6 with gas cavities 7, 8 of the corresponding fuel tanks 9, 10. In the gas-filled container 13, a heat exchanger 15 is installed, connected to the on-board temperature control system 12, and a sealed membrane 16 that divides the internal volume 17 of the container 13 into two isolated from each other cavity 18, 19, communicating through the cavity 20 of the compressor 14, cooled by the circulating gas, and the jacket 21 of the heat exchanger 15. The compressor 14 is equipped with a stimulator of gas circulation 22, for example a fan.

Работает система наддува топливных баков горючего и окислителя ДУ КЛА в режиме перекачки газа, например, газообразного азота из газовых полостей 7, 8 топливных баков горючего 9 и окислителя 10 в баллоны наддува 3, 4 следующим образом. The system of pressurizing the fuel tanks of the fuel and the oxidizer DU KLA operates in the mode of pumping gas, for example, gaseous nitrogen from the gas cavities 7, 8 of the fuel tanks of the fuel 9 and oxidizer 10 into the boost cylinders 3, 4 as follows.

Перед включением компрессора 14 в работу открывают все отсечные клапаны 11, и после пуска компрессора 14 производят откачку газа из газовых полостей 7, 8 топливных баков 9, 10 и закачку его с высоким давлением через пневмомагистрали высокого давления 1, 2 в соответствующие газовые баллоны 3, 4, затем закрывают отсечные клапаны 11. Таким образом, система наддува приводится в исходное рабочее состояние, готовое к заправке баков 9, 10 горючим и окислителем от космического заправщика. Before turning on the compressor 14, all shut-off valves 11 are opened, and after starting the compressor 14, gas is pumped out from the gas cavities 7, 8 of the fuel tanks 9, 10 and injected with high pressure through high pressure pneumatic lines 1, 2 into the corresponding gas cylinders 3, 4, then shut-off valves 11 are closed. Thus, the pressurization system is restored to its initial operating state, ready for refueling the tanks 9, 10 with fuel and oxidizer from the space refueling tank.

Заправку топливом баков горючего и окислителя 9, 10 производят от соответствующих баков, расположенных на космическом заправщике, который периодически запускается с Земли и доставляет на КЛА топливо для реактивных двигателей 23 двигательной установки. Refueling the fuel and oxidizer tanks 9, 10 is carried out from the corresponding tanks located on the space refueling tank, which is periodically launched from the Earth and delivers fuel for the rocket engine for jet engines 23 of the propulsion system.

Выдавливание и подачу топлива к реактивным двигателям 23 из баков горючего и окислителя 9, 10 производят посредством подачи газа из баллонов наддува 3, 4 в газовые полости 7, 8 по пневмомагистралям 24, 25, каждая из которых содержит последовательно установленные электропневмоклапан 26, 27, газовый редуктор 28, 29 и обратный клапан 30, 31. Extruding and supplying fuel to the jet engines 23 from the fuel and oxidizer tanks 9, 10 is carried out by supplying gas from the boost cylinders 3, 4 to the gas cavities 7, 8 along the pneumatic lines 24, 25, each of which contains a gas electrically operated valve 26, 27, gas gearbox 28, 29 and check valve 30, 31.

При работе компрессора 14 производится прокачка жидкого теплоносителя от систем СТР 12 через теплообменник 15. Одновременно во внутреннем объеме 17 осуществляется циркуляция газа посредством побудителя циркуляции газа, например вентиляторов 22, установленных на выходе из полости 20, выполненной, например, в виде рубашки компрессора 14. When the compressor 14 is in operation, the liquid coolant is pumped from the CTP 12 systems through the heat exchanger 15. At the same time, gas is circulated in the internal volume 17 by means of a gas circulation stimulator, for example, fans 22 installed at the outlet of the cavity 20, made, for example, in the form of a compressor jacket 14.

Циркуляция газа осуществляется по замкнутому контуру: из полости 19 перемещается посредством вентиляторов 22 через полость 20 в полость 18, откуда через рубашку 21 теплообменника 15 нагнетается опять в полость 19 и т.д. При прохождении газа через полость 20 компрессора 14 газ нагревается, снимая тепло с компрессора 14, и через полость 18 поступает в рубашку 21 теплообменника 15, где охлаждается жидким теплоносителем СТР 12 до заданной температуры и через полость 19 опять поступает в полость 20 компрессора 14 и т. д. The gas is circulated in a closed circuit: it moves from the cavity 19 through the fans 22 through the cavity 20 into the cavity 18, from where it is again pumped through the jacket 21 of the heat exchanger 15 into the cavity 19, etc. When the gas passes through the cavity 20 of the compressor 14, the gas is heated, removing heat from the compressor 14, and through the cavity 18 it enters the jacket 21 of the heat exchanger 15, where it is cooled by the liquid coolant CTP 12 to a predetermined temperature and again enters the cavity 20 of the compressor 14 and t through the cavity 19 . d.

Как правило, на случаи выхода из строя основного бортового компрессора 14 предусматривается аналогичный резервный бортовой компрессор 32, который установлен в контейнере 13 и включен параллельно основному компрессору 14 в схему системы наддува топливных баков ДУ КЛА. As a rule, in case of failure of the main onboard compressor 14, a similar backup onboard compressor 32 is provided, which is installed in the container 13 and is included in parallel with the main compressor 14 in the circuit of the pressurization system of the fuel tanks of the remote control KLA.

Таким образом, установка в газонаполненном контейнере 13 теплообменника 15, подключенного к СТР 12, и герметичной мембраны 16, разделяющей внутренний объем 17 контейнера 13 на две изолированные друг от друга полости 18, 19, сообщающиеся через охлаждаемые циркулирующим газом полости 20 компрессора 14 и рубашку 21 теплообменника 15, обеспечивает эффективное охлаждение бортового компрессора и повышает живучесть и надежность системы наддува, топливных баков ДУ КЛА в процессе эксплуатации в условиях космического вакуума на орбите Земли, что обеспечивает выполнение поставленной задачи. Thus, the installation in the gas-filled container 13 of the heat exchanger 15 connected to the CTP 12 and a sealed membrane 16 that separates the internal volume 17 of the container 13 into two separate cavities 18, 19 communicating through the cavity 20 of the compressor 14 cooled by the circulating gas and the jacket 21 heat exchanger 15, provides effective cooling of the onboard compressor and increases the survivability and reliability of the pressurization system, fuel tanks of the remote control of the spacecraft during operation in space vacuum in orbit of the Earth, which ensures t accomplishment of the task.

Claims

A system for pressurizing fuel tanks of a fuel and oxidizer propulsion system of a spacecraft containing pneumatic lines associated with boost cylinders and gas cavities of fuel tanks of an oxidizer, valves mounted on pneumatic lines, characterized in that it includes an on-board temperature control system and a sealed gas-filled container with an onboard compressor connected by high pressure pneumatic highways with boost cylinders and low pressure pneumatic highways gas cavities of the respective fuel tanks of the fuel and oxidizer, while a gas-filled container has a heat exchanger connected to the on-board temperature control system, and a sealed membrane that separates the internal volume of the container into two cavities isolated from each other, communicating through the compressor cavity and the heat exchanger jacket, and the compressor is equipped with stimulator of gas circulation.