RU2775518C1 - Propulsion unit for liquid-propellant rockets with hydrogen and methane filling invariant fuel tanks with batch layout - Google Patents
Propulsion unit for liquid-propellant rockets with hydrogen and methane filling invariant fuel tanks with batch layout Download PDFInfo
- Publication number
- RU2775518C1 RU2775518C1 RU2021111044A RU2021111044A RU2775518C1 RU 2775518 C1 RU2775518 C1 RU 2775518C1 RU 2021111044 A RU2021111044 A RU 2021111044A RU 2021111044 A RU2021111044 A RU 2021111044A RU 2775518 C1 RU2775518 C1 RU 2775518C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- fuel
- engines
- liquid
- components
- sections
- Prior art date
Links
- 239000002828 fuel tank Substances 0.000 title claims abstract description 31
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 title claims abstract description 11
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 11
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 9
- 239000003380 propellant Substances 0.000 title claims abstract description 8
- 235000015842 Hesperis Nutrition 0.000 title claims abstract description 7
- 235000012633 Iberis amara Nutrition 0.000 title claims abstract description 7
- 240000004804 Iberis amara Species 0.000 title claims abstract description 7
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 5
- 239000000446 fuel Substances 0.000 claims abstract description 26
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims abstract description 16
- 239000007800 oxidant agent Substances 0.000 claims abstract description 13
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 claims abstract description 7
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 claims abstract description 7
- MYMOFIZGZYHOMD-UHFFFAOYSA-N oxygen Chemical compound O=O MYMOFIZGZYHOMD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 7
- 239000000969 carrier Substances 0.000 claims abstract description 4
- 230000000694 effects Effects 0.000 claims abstract description 4
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 abstract description 3
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 5
- NLOAOXIUYAGBGO-UHFFFAOYSA-N C.[O] Chemical compound C.[O] NLOAOXIUYAGBGO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 238000009835 boiling Methods 0.000 description 2
- 150000002431 hydrogen Chemical class 0.000 description 2
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 2
- 230000002093 peripheral Effects 0.000 description 2
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 1
- 230000000875 corresponding Effects 0.000 description 1
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 1
- 239000002737 fuel gas Substances 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 238000000034 method Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000006011 modification reaction Methods 0.000 description 1
- 230000001590 oxidative Effects 0.000 description 1
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 1
- 230000001105 regulatory Effects 0.000 description 1
- 238000004642 transportation engineering Methods 0.000 description 1
Images
Abstract
Description
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИFIELD OF TECHNOLOGY
Изобретение относится к ракетно-космической технике, в частности к двигательным установкам жидкостных ракет большой грузоподъемности.The invention relates to rocket and space technology, in particular to propulsion systems for liquid-propellant heavy-lift rockets.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИBACKGROUND OF THE INVENTION
Из уровня техники известна двигательная установка космического аппарата (патент RU 2121071, Научно-производственное объединение им. С.А. Лавочкина, 28.06.1991), которая содержит многоблочный топливный отсек с центральным и периферийными блоками баков, установленными попарно-симметрично относительно продольной оси космического аппарата, соединенными трубопроводами через коллектор, и управляемые топливные клапаны с жидкостными ракетными двигателями, систему наддува, отличающаяся тем, что система наддува соединена с газовыми полостями топливных баков периферийного блока, сообщающимися через первую собирающе-раздувающую часть коллектора, выполненную в виде топливопроводов-газоводов, с топливными баками центрального блока, а каждый топливный бак центрального блока соединен через вторую собирающую часть коллектора с жидкостным ракетным двигателем и шунтирующей.From the prior art, a spacecraft propulsion system is known (patent RU 2121071, Scientific and Production Association named after S.A. Lavochkin, 06/28/1991), which contains a multi-block fuel compartment with a central and peripheral blocks of tanks installed in pairs symmetrically relative to the longitudinal axis of the spacecraft. apparatus connected by pipelines through a manifold and controlled fuel valves with liquid-propellant rocket engines, a pressurization system, characterized in that the pressurization system is connected to the gas cavities of the fuel tanks of the peripheral unit, communicating through the first collecting-inflating part of the manifold, made in the form of fuel gas pipelines, with the fuel tanks of the central unit, and each fuel tank of the central unit is connected through the second collecting part of the manifold with a liquid rocket engine and a shunt.
Так же известна двигательная установка ракетного блока (патент RU 2286924, Открытое акционерное общество «Ракетно-космическая корпорация «Энергия» имени С.П. Королева», 20.01.2004), содержащая топливный бак окислителя, заполненный низкокипящим компонентом, топливный бак горючего, заполненный высококипящим компонентом, маршевый двигатель, исполнительные органы двигательной установки, баллоны высокого давления с газом, установленные в топливном баке окислителя, отличающаяся тем, что в ее состав введены трубопроводы, установленные с помощью кронштейнов на топливном баке горючего и образующие с последним теплообменное устройство, при этом входы трубопроводов сообщены с выходами баллонов высокого давления, а выходы - с исполнительными органами двигательной установки.Also known is the propulsion system of the rocket block (patent RU 2286924, Open Joint Stock Company Rocket and Space Corporation Energia named after S.P. Korolev, 01/20/2004), containing an oxidizer fuel tank filled with a low-boiling component, a fuel fuel tank filled with high-boiling component, propulsion engine, executive bodies of the propulsion system, high-pressure gas cylinders installed in the oxidizer fuel tank, characterized in that it includes pipelines installed with brackets on the fuel fuel tank and forming a heat exchange device with the latter, while the inlets of the pipelines are connected with the outlets of the high-pressure cylinders, and the outlets are connected with the executive bodies of the propulsion system.
Известна двигательная установка ракеты (патент RU 2381378, Открытое акционерное общество «Государственный ракетный центр имени академика В.П. Макеева», 24.07.2008) которая содержит многобаковый топливный отсек и жидкостные ракетные двигатели, каждый из которых подсоединен трубопроводами питания к ближайшим бакам, отличающаяся тем, что один из двигателей подсоединен трубопроводами питания через бустерные насосные агрегаты ко всем бакам, а бустерные насосные агрегаты каждого компонента топлива подсоединены трубопроводами к выходу одноименного насоса ТНА через общий распределительный дроссель.Known rocket propulsion system (patent RU 2381378, Open Joint Stock Company "State Rocket Center named after Academician V.P. Makeev", 24.07.2008) which contains a multi-tank fuel compartment and liquid rocket engines, each of which is connected by supply pipelines to the nearest tanks, differing by the fact that one of the engines is connected by supply pipelines through booster pump units to all tanks, and the booster pump units of each fuel component are connected by pipelines to the outlet of the pump of the same name TNA through a common distribution throttle.
Так же известна двигательная установка реактивной системы управления летательного аппарата (патент RU 2538190, Федеральное государственное унитарное предприятие «Государственный космический научно-производственный центр имени М.В. Хруничева», 11.10.2013), включающая баки с магистралями подачи жидких компонентов топлива, систему наддува баков, импульсные ракетные двигатели, использующие газообразные компоненты топлива, окислительный газогенератор-преобразователь жидкого криогенного окислителя в газообразный с заданной температурой, ресивер-накопитель газообразного окислителя в качестве компонента топлива двигателей, отличающаяся тем, что она содержит теплообменник-испаритель для преобразования жидкого криогенного горючего в газообразное с нагревом его до заданной температуры, включенный теплопередающим трактом в магистраль на выходе газогенератора, теплопринимающим трактом - в магистраль подачи криогенного жидкого горючего из бака; ресивер-накопитель газообразного горючего для питания двигателей, включенный в магистраль на выходе теплопринимающего тракта теплообменника, газожидкостный смеситель, включенный в магистраль между выходом теплопередающего тракта теплообменника и входом в ресивер-накопитель газообразного окислителя, при этом жидкостный вход смесителя сообщен с магистралью подачи жидкого окислителя трубопроводом с установленной в нем регулирующей (настроечной) дроссельной шайбой.Also known is the propulsion system of the reactive control system of the aircraft (patent RU 2538190, Federal State Unitary Enterprise "State Space Research and Production Center named after M.V. Khrunichev", 11.10.2013), including tanks with lines for supplying liquid fuel components, a pressurization system tanks, pulse rocket engines using gaseous fuel components, an oxidizing gas generator-converter of a liquid cryogenic oxidizer into a gaseous one with a given temperature, a receiver-accumulator of a gaseous oxidizer as an engine fuel component, characterized in that it contains a heat exchanger-evaporator for converting liquid cryogenic fuel into gaseous with heating it to a predetermined temperature, included by the heat transfer path into the line at the outlet of the gas generator, the heat-receiving path - into the line for supplying cryogenic liquid fuel from the tank; a receiver-accumulator of gaseous fuel for powering engines, included in the line at the outlet of the heat-receiving path of the heat exchanger, a gas-liquid mixer included in the line between the outlet of the heat-transfer path of the heat exchanger and the inlet to the receiver-accumulator of the gaseous oxidizer, while the liquid inlet of the mixer is connected to the line for supplying liquid oxidizer by a pipeline with a regulating (tuning) throttle washer installed in it.
Недостатками данных решений являются отсутствие возможности замены одного вида топлива на другой при проектировании ракета-носителей большой грузоподъемности.The disadvantages of these solutions are the inability to replace one type of fuel with another when designing heavy-duty launch vehicles.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯDISCLOSURE OF THE INVENTION
Создание космических ракетных комплексов для запуска жидкостных ракет большой грузоподъемности требует больших затрат и длительного времени как на разработку ракеты, так и на разработку наземной космической инфраструктуры, включая стартовый комплекс. При создании таких космических комплексов необходимо принимать во внимание длительные (более 10 лет) сроки их эксплуатации, в течение которых могут появиться новые, более перспективные и экономичные конструктивные материалы и двигательные установки на других компонентах.The creation of space rocket systems for launching liquid-propellant rockets with a large payload requires high costs and a long time both for the development of a rocket and for the development of ground-based space infrastructure, including the launch complex. When creating such space complexes, it is necessary to take into account the long (more than 10 years) periods of their operation, during which new, more promising and economical structural materials and propulsion systems on other components may appear.
В частности, может стать целесообразной замена двигателей с компонентами кислород + водород на двигатели кислородно-метановые.In particular, it may be expedient to replace engines with oxygen + hydrogen components with oxygen-methane engines.
При традиционном подходе для такой замены требуется проектирование новой ракеты-носителя и нового стартового комплекса с соответствующими большими затратами средств и времени.In the traditional approach, such a replacement requires the design of a new launch vehicle and a new launch complex, with a corresponding large investment of time and money.
Нами предлагается заложить такие проектно-компоновочные решения, которые обеспечат переход от кислородно-водородных к кислородно-метановым двигателям, не создавая новых космических ракетных комплексов (КРК), а лишь заменяя отдельные составные части. При этом сохраняется интерфейс ракета-носителя (РН) и стартового комплекса, основные технологические процессы подготовки к пуску. Принципиальные вопросы транспортировки крупногабаритных конструкций за счет применения секционных баков решены в изобретении (патент RU 2738247 С1), где сборка единого топливного цилиндрического бака из составных секций предусмотрена на полигоне. В данном техническом предложении секции в едином топливном баке заполняются компонентами «О» (кислород) и «Г» (газ), что дает возможность исключить длинные топливные магистрали от бака к двигателю, а также силовую ферму между «О» и «Г», что имеет место в варианте тандемного расположения баков «О» и «Г». Короткие топливные магистрали не требуют установки специальных демпферов для гашения продольных колебаний и создания специальных условий по температуре и давлению для исключения гейзерного эффекта в магистралях криогенного топлива.We propose to lay down such design and layout solutions that will ensure the transition from oxygen-hydrogen to oxygen-methane engines, without creating new space rocket systems (SRC), but only replacing individual components. At the same time, the interface of the launch vehicle (LV) and the launch complex, the main technological processes of preparation for launch, are preserved. The fundamental issues of transportation of large-sized structures through the use of sectional tanks are solved in the invention (patent RU 2738247 C1), where the assembly of a single cylindrical fuel tank from composite sections is provided for at the landfill. In this technical proposal, sections in a single fuel tank are filled with components "O" (oxygen) and "G" (gas), which makes it possible to exclude long fuel lines from the tank to the engine, as well as a power farm between "O" and "G", which takes place in the variant of the tandem arrangement of tanks "O" and "G". Short fuel lines do not require the installation of special dampers to dampen longitudinal vibrations and the creation of special conditions for temperature and pressure to eliminate the geyser effect in cryogenic fuel lines.
Сборка топливного бака из секций для компонентов «О» и «Г» на полигоне с последующей интеграцией бака с двигателями и силовой несущей фермой обеспечивают блочный принцип комплектации двигательной установки на полигоне. Такой принцип позволяет осуществить при необходимости замену двигателей с кислородно-водородными компонентами на двигатели кислородно-метановые, не меняя силовую схему и внешние габаритные размеры топливных баков, сохранить интерфейсы ракеты со стартовым комплексом и рабочими местами на техническом комплексе, применять те же установочные агрегаты.Assembly of the fuel tank from sections for components "O" and "G" at the test site with the subsequent integration of the tank with engines and a power bearing truss provides a block principle for completing the propulsion system at the test site. This principle makes it possible, if necessary, to replace engines with oxygen-hydrogen components with oxygen-methane engines without changing the power circuit and the external dimensions of the fuel tanks, maintain the interfaces of the rocket with the launch complex and jobs at the technical complex, and use the same installation units.
Таким образом, замене будут подлежать только непосредственно двигатели и магистрали их соединений с топливными баками. В данном случае переход на двигатели с компонентами «кислород+метан» потребует лишь отдельных доработок, связанных с заправкой баков другим компонентом топлива.Thus, only the engines themselves and the lines of their connections with fuel tanks will be subject to replacement. In this case, the transition to engines with "oxygen + methane" components will require only individual modifications associated with filling the tanks with another fuel component.
ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙDESCRIPTION OF THE DRAWINGS
На рисунке представлена двигательная установка для жидкостных ракет с инвариантными к заправке водородом (7) или метаном (6) топливными баками с пакетной компоновкой, состоящая из жидкостных двигателей (1) и секционных топливных баков (2) с коллекторной системой подачи компонентов (3) из баков в двигатели, силовой несущей фермы (4), соединенной с топливным баком и двигателями, отличающаяся тем, что с целью минимизации затрат на доработку конструкции ракеты и стартовых сооружений космодрома при замене кислородно-водородных двигателей на двигатели с компонентами кислород+метан, снижения рисков возникновения автоколебаний в полете и влияния «гейзерных» эффектов в топливоподающих магистралях, секции в пакетной компоновке бака проектируют с учетом заправки жидких компонентов «О» и «Г» в соседние, изолированные друг от друга секции (5, 6, 7), образующие в собранном виде единую цилиндрическую конструкцию бака, двигатели, установленные на силовой несущей ферме, соединяют с собранным топливным баком на полигоне, причем целевое назначение каждой секции под заправку конкретным компонентом определяется пропорционально, по объемно-массовым соотношениям расхода компонентов двигателя, количество секций для «О» и «Г» должно быть четным, а выбор расположения компонентов в секциях осуществляют исходя из минимизации отклонений боковой центровки РН в полете по мере расхода топлива из баков окислителя и горючего.The figure shows a propulsion system for liquid-propellant rockets with hydrogen (7) or methane (6) invariant fuel tanks with a package layout, consisting of liquid engines (1) and sectional fuel tanks (2) with a manifold system for supplying components (3) from tanks into engines, a power carrier truss (4) connected to the fuel tank and engines, characterized in that, in order to minimize the cost of finalizing the design of the rocket and launch facilities of the cosmodrome when replacing oxygen-hydrogen engines with engines with oxygen + methane components, reducing risks the occurrence of self-oscillations in flight and the influence of "geyser" effects in the fuel supply lines, the sections in the stacked layout of the tank are designed taking into account the filling of liquid components "O" and "G" into adjacent, isolated from each other sections (5, 6, 7), forming in assembled a single cylindrical structure of the tank, the engines installed on the power bearing farm are connected to the assembled fuel tank at the landfill, and the purpose of each section for refueling with a specific component is determined proportionally, according to the volume-mass ratio of the consumption of engine components, the number of sections for "O" and "G" should be even, and the choice of the location of the components in the sections is carried out based on minimizing deviations lateral centering of the launch vehicle in flight as fuel is consumed from the oxidizer and fuel tanks.
Позиция 1 - Жидкостной двигатель;Position 1 - Liquid engine;
Позиция 2 - Секционный топливный бак;Position 2 - Sectional fuel tank;
Позиция 3 - Коллекторная система подачи;Position 3 - Collector supply system;
Позиция 4 - Силовая несущая ферма;Position 4 - Power bearing farm;
Позиция 5 - Секция топливного бака, заправленная кислородом;Position 5 - Fuel tank section filled with oxygen;
Позиция 6 - Секция топливного бака, заправленная метаном;Position 6 - Fuel tank section filled with methane;
Позиция 7 - Секция топливного бака, заправленная водородом;Position 7 - Fuel tank section filled with hydrogen;
Позиция 8 - Силовая несущая ферма.Position 8 - Power bearing farm.
Claims (1)
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2775518C1 true RU2775518C1 (en) | 2022-07-04 |
Family
ID=
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4817890A (en) * | 1986-10-14 | 1989-04-04 | General Electric Company | Multiple-propellant air vehicle and propulsion system |
RU2059541C1 (en) * | 1993-11-23 | 1996-05-10 | Научно-производственное объединение им.С.А.Лавочкина | Tank bank |
RU2068378C1 (en) * | 1992-06-25 | 1996-10-27 | Александр Алексеевич Таранцев | Launch vehicle |
RU2116491C1 (en) * | 1996-03-26 | 1998-07-27 | Исследовательский центр им.М.В.Келдыша | Method of operation of liquid-propellant rocket engine and liquid-propellant rocket engine used for realization of this method |
RU2738247C1 (en) * | 2020-06-05 | 2020-12-14 | Акционерное общество "Государственный космический научно-производственный центр им. М.В. Хруничева" | Fuel tank of liquid propulsion units of heavy lift rockets |
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4817890A (en) * | 1986-10-14 | 1989-04-04 | General Electric Company | Multiple-propellant air vehicle and propulsion system |
RU2068378C1 (en) * | 1992-06-25 | 1996-10-27 | Александр Алексеевич Таранцев | Launch vehicle |
RU2059541C1 (en) * | 1993-11-23 | 1996-05-10 | Научно-производственное объединение им.С.А.Лавочкина | Tank bank |
RU2116491C1 (en) * | 1996-03-26 | 1998-07-27 | Исследовательский центр им.М.В.Келдыша | Method of operation of liquid-propellant rocket engine and liquid-propellant rocket engine used for realization of this method |
RU2738247C1 (en) * | 2020-06-05 | 2020-12-14 | Акционерное общество "Государственный космический научно-производственный центр им. М.В. Хруничева" | Fuel tank of liquid propulsion units of heavy lift rockets |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Tashie-Lewis et al. | Hydrogen production, distribution, storage and power conversion in a hydrogen economy-a technology review | |
WO2022079435A1 (en) | An aircraft | |
Brewer | The prospects for liquid hydrogen fueled aircraft | |
CN114291300B (en) | Ground-moon shuttle aircraft propulsion system | |
RU2775518C1 (en) | Propulsion unit for liquid-propellant rockets with hydrogen and methane filling invariant fuel tanks with batch layout | |
CN110406699B (en) | Propelling and power generating integrated device for space power system and operation method thereof | |
Frischauf | Hydrogen-fueled spacecraft and other space applications of hydrogen | |
Kutter | Distributed launch-enabling beyond LEO missions | |
Mitlitsky et al. | Water rocket-Electrolysis propulsion and fuel cell power | |
Nagai et al. | Status of H-II rocket first stage propulsion system | |
Holguin | Enabling long duration spaceflight via an integrated vehicle fluid system | |
JP2001317693A (en) | Method for supplying liquefied petroleum gas fuel to automobile | |
RU2291817C2 (en) | Module-type launch vehicle (versions) | |
CN108278481A (en) | Multi-mode fuel air and aerator and air inlet aerating method | |
Frank et al. | The test centre Lampoldshausen and its role in Ariane 6 and beyond | |
RU2046200C1 (en) | Multi-chamber propulsion plant with turbopump system for feed of propellant components | |
RU2459102C1 (en) | Spaceship with nuclear power plant, and nuclear rocket engine | |
Ferguson et al. | Fuel cell power system development for lox/lh/2 upper stage | |
US20240002073A1 (en) | Spacecraft provided with low and high thrust propulsion system | |
Wong et al. | Operationally Efficient Propulsion System Study (OEPSS) data book. Volume 4: OEPSS design concepts | |
Hickman et al. | Optimization of the Mars ascent vehicle for human space exploration | |
RU2381378C1 (en) | Rocket engine unit | |
Yamanaka | Space plane research activities in Japan | |
Robinson et al. | Mostly-reusable LOX/H2 space transportation concept enabled through advanced technologies | |
Witcofski | Progress on coal-derived fuels for aviation systems |