SU1804590A3

SU1804590A3 - Hybrid propellant carrier rocket with continuous mass rejection

Info

Publication number: SU1804590A3
Application number: SU904876227A
Authority: SU
Inventors: Lev B Blyumkin
Original assignee: Lev B Blyumkin
Priority date: 1990-10-22
Filing date: 1990-10-22
Publication date: 1993-03-23

Description

Изобретение относится к ракетной космической технике, а более конкретно к устройству ракет-носителей сверхтяжелого класса.The invention relates to space rocket technology, and more particularly to a device for super-heavy carrier rockets.

Цель изобретения - улучшение массово-энергетических характеристик.The purpose of the invention is the improvement of mass-energy characteristics.

На фиг. 1 изображен общий вид ракеты в разрезе; на фиг. 2 и 3 - конструктивная схема карусельного агрегата; на фиг. 4 структура многослойной полиэтиленовой оболочки; на фиг. 5 - схема газификатора.In FIG. 1 shows a General view of the rocket in section; in FIG. 2 and 3 - structural diagram of the carousel; in FIG. 4 structure of a multilayer polyethylene shell; in FIG. 5 is a diagram of a gasifier.

Ракета-носитель с непрерывным отбросом массы содержит головной блок 1, сопряженный с возможностью продольного перемещения с топливным отсеком 2, представляющим собой мягкую многослойную цилиндрическую оболочку из полиэтилена (С2Н4), в которой заключен жидкий компонент 3 (98%-ная перекись водорода). В свободном объеме 4 топливного отсека 2 расположен карусельный агрегат 5, соединенный при помощи упорной опоры вращения 6 с днищем головного блока 1. Снизу карусельный агрегат 5 жестко связан с полым полиэтиленовым винтом 7. Последний сопряжен с гайкой 8, жестко закрепленной на днище 9 топливного отсека 2. Образованные при укорачивании топливного отсека 2 ветви полиэтиленовой ленты 10 огибают систему блоков (см. фиг. 2) карусельного агрегата 5 и по полому винту 7 поступает в плавильный агрегат 11, откуда полиэтилен после его газификации подается в ЖРД 12.The launch vehicle with continuous mass rejection contains a head unit 1, coupled with the possibility of longitudinal movement with the fuel compartment 2, which is a soft multilayer cylindrical shell made of polyethylene (C2H4), in which the liquid component 3 (98% hydrogen peroxide) is enclosed. In the free volume 4 of the fuel compartment 2, there is a carousel assembly 5 connected by means of a persistent support of rotation 6 to the bottom of the head unit 1. From below, the carousel assembly 5 is rigidly connected to the hollow polyethylene screw 7. The latter is coupled to a nut 8, which is rigidly fixed to the bottom 9 of the fuel compartment 2. The branches of the polyethylene tape 10 formed by shortening the fuel compartment 2 round the block system (see Fig. 2) of the carousel assembly 5 and through the hollow screw 7 enters the melting unit 11, from where the polyethylene is fed to RD 12.

Карусельный агрегат 5 состоит из трубчатой фермы (карусели) 13, по окружности которой размещены отрезные ножи 14 и два вертикальных рабочих блока 15 в виде радиусных роликовых опор, а в центре два горизонтальных направляющих блока 16. По окружности карусели 13 установлены также центрирующие роликовые опоры 17. Вершина трубчатой фермы 13 соединена посредством упорной опоры вращения 6 с днищем головного блока 1. Снизу ферма 13 жестко связана с полым полиэтиленовым винтом 7.The carousel assembly 5 consists of a tubular truss (carousel) 13, around the circumference of which detachable knives 14 and two vertical work units 15 are arranged in the form of radial roller bearings, and in the center are two horizontal guide blocks 16. Along the circumference of the carousel 13, centering roller bearings 17 are also installed The top of the tubular truss 13 is connected by means of a thrust support of rotation 6 to the bottom of the head unit 1. From below, the truss 13 is rigidly connected to the hollow polyethylene screw 7.

Топливный отсек 2 представляет собой мягкую многослойную цилиндрическую оболочку из полиэтилена. Толщина многослойной оболочки 2 составляет S = 0,12R, где R - ее внутренний радиус, что соответствует оптимальному соотношению компонентов гибридной пары полиэтиленперекись водорода Копт - 6. Внутренние сплошные слои 18 (толщина одногослоя составляет 1,5...3 мм) представляют собой собственно мягкую оболочку, которая обеспечивает герметичность топливного отсека 2 и его работу по восприятию изгибающего момента. Толщина оболочки 18 равнаFuel compartment 2 is a soft multilayer cylindrical shell made of polyethylene. The thickness of the multilayer shell 2 is S = 0.12R, where R is its inner radius, which corresponds to the optimal ratio of the components of the hybrid pair of polyethylene hydrogen peroxide Kopt - 6. The inner continuous layers 18 (the thickness of a single layer is 1.5 ... 3 mm) are actually a soft shell, which ensures the tightness of the fuel compartment 2 and its work on the perception of bending moment. The thickness of the shell 18 is equal to

0,1...0,2S, составляет многослойная силовая обмотка 19 из полиэтиленовой ленты, выполненная двухзаходной. Кроме того, каждый слой оболочки 18 и обмотки 19 имеет микронное покрытие в виде напыленной алюминиевой пудры 20, что способствует росту удельного импульса.0.1 ... 0.2S, is a multilayer power winding 19 of polyethylene tape, made two-way. In addition, each layer of the shell 18 and the winding 19 has a micron coating in the form of a sprayed aluminum powder 20, which contributes to the growth of the specific impulse.

Газификатор 11 содержит расслоитель 21 и линейный вспомогательный асинхронный двигатель 22 для поднатяжки полиэтиленовой ленты 10, возможность перехода которой в термопластичное состояние обеспечивается за счет энергии разложения перекиси водорода 3 в камерах 23. Для подачи термопластичной массы 24 полиэтилена служит шнековый насос 25, привод которого содержит газовую турбину 26 и волновой редуктор 27. Термопластичная масса 24 имеет возможность экструдировать через решетку 28 в газификатор 29, куда поступают также продукты разложения 30 перекиси водорода из турбины 26.The gasifier 11 contains a separator 21 and a linear auxiliary induction motor 22 for tightening the polyethylene tape 10, the possibility of transition to the thermoplastic state is ensured by the energy of decomposition of hydrogen peroxide 3 in the chambers 23. A screw pump 25 is used to supply the thermoplastic mass 24 of the polyethylene, the drive of which contains a gas a turbine 26 and a wave gearbox 27. The thermoplastic mass 24 has the ability to extrude through a grate 28 into a gasifier 29, where the products of decomposition 30 of peroxide also enter hydrogen from the turbine 26.

Агрегаты ракеты-носителя в совокупности функционируют следующим образом.Aggregates of the launch vehicle in the aggregate operate as follows.

В момент старта длина топливного отсека 2 составляет Н = 15R. Эта величина определяется из условия прочности многослойной полиэтиленовой оболочки 2 на разрыв под действием изгибающего момента осуществляется посредством полной разгрузки многослойной оболочки 18, устойчивость которой на продольный изгиб возрастает в 5...6 раз под действием внутреннего давления. В процессе полета осуществляется наддув свободного объема 4, причем величина давления меняется по заданному закону так, что сила, действующая на днище головного блока 1, превышает на постоянную величину в несколько десятков тонн осевую силу, вызванную весом и скоростным напором. Силовое замыкание обеспечивается через трубчатую ферму 13 карусельного агрегата 5, которая соединена при помощи упорной опоры 6 с днищем головного блока 1 и жестко связана с полым полиэтиленовым винтом 7, сопряженным в свою очередь с неподвижной гайкой 8, смонтированной на днище 9 топливного отсека 2. Таким образом, в полете обеспечивается постоянное натяжение полиэтиленового винта 7, исключающее его прогиб. Укорачивание топливного отсека 2 осуществляется посредством карусельного агрегата 5, по окружности которого установлены два отрезных ножа 14 и вертикальные радиусные роликовые опоры 15, а также горизонтальные роликовые опоры 16, огибаемые многослойными ветвями полиэтиленовой ленты 10. В процессе работы на опоры 15 (рабочие блоки) действует тангенциальная сила, равная массе (порядка 10...50 ^спадающих по полному винту 7 ветвей ленты 10 и, следовательно, крутящий момент на карусель 13. Полиэтиленовый винт 7 жестко связанный с каруселью 13 также вращается и будучи сопряженным с гайкой 8, перемещает карусельный агрегат 5 и, соединенный с ним при помощи упорной опоры 6 головной блок 1 сверху вниз, вдоль непрерывно укорачиваемого корпуса 2. При этом траектория движения отрезных ножей 14 представляет собой двухзаходную винтовую спираль. При подрезе полиэтиленовой оболочки 18 образуются Две многослойные ветви ленты, причем линии отреза совпадают с соответствующими краями двухзаходной ленточной обмотки 19. Многослойные ветви 10 ленты имеют ширину равную половине толщины многослойной оболочки 2 и при заходе в полый винт 7, образуют совмещенную ветвь 10, имеющую в сечении квадрат со стороной, равной 0,12Р. Шаг резьбы винта 7 равен шагу намотки полиэтиленовой ленты 19. Центрирование карусельного агрегата 5 осуществляется при помощи роликовых опор 17, которые обкатывают внутреннюю поверхность топливного отсека 2.At the time of start, the length of the fuel compartment 2 is H = 15R. This value is determined from the tensile strength of the multilayer polyethylene shell 2 under the action of a bending moment by completely unloading the multilayer shell 18, whose longitudinal bending resistance increases by 5 ... 6 times under the influence of internal pressure. During the flight, free volume 4 is pressurized, and the pressure value changes according to a given law so that the force acting on the bottom of the head unit 1 exceeds the axial force caused by weight and high-speed pressure by a constant tens of tons. A power circuit is provided through a tubular truss 13 of the carousel assembly 5, which is connected by means of a thrust support 6 to the bottom of the head unit 1 and is rigidly connected to a hollow polyethylene screw 7, which in turn is coupled with a fixed nut 8 mounted on the bottom 9 of the fuel compartment 2. Thus Thus, in flight, a constant tension of the polyethylene screw 7 is provided, excluding its deflection. The fuel compartment 2 is shortened by means of a carousel assembly 5, around which two cutting knives 14 and vertical radius roller bearings 15, as well as horizontal roller bearings 16, enveloped by multilayer branches of polyethylene tape 10, are installed. During operation, supports 15 (work blocks) tangential force equal to the mass (of the order of 10 ... 50 ^ of the branches of the tape 10 falling along the full screw 7 and, therefore, the torque to the carousel 13. The polyethylene screw 7 rigidly connected to the carousel 13 also rotates I and being paired with a nut 8, moves the carousel assembly 5 and, connected to it with the thrust support 6, the head unit 1 from top to bottom, along the continuously shortened body 2. In this case, the trajectory of the cutting knives 14 is a two-way helical spiral. shells 18 are formed Two multilayer branches of the tape, and the cut lines coincide with the corresponding edges of the two-way tape winding 19. The multilayer branches 10 of the tape have a width equal to half the thickness of the multilayer shell 2 and p When entering the hollow screw 7, they form a combined branch 10 having a cross-section in square with a side equal to 0.12P. The thread pitch of screw 7 is equal to the pitch of winding polyethylene tape 19. The centering of the carousel assembly 5 is carried out using roller bearings 17, which run around the inner surface of the fuel compartment 2.

Передача винт 7 - гайка 8 выполнена гидростатической, причем в качестве рабочей жидкости в ней используется вода под давлением, превышающим давление столба перекиси водорода, что исключает утечки и проникновение последней в газификатор.The transmission screw 7 - nut 8 is hydrostatic, and water is used as a working fluid under a pressure exceeding the pressure of a column of hydrogen peroxide, which eliminates leakage and penetration of the latter into the gasifier.

Работа газификатора 11 реализована по следующей схеме. Ветви полиэтиленовой ленты 10 поступают по полому полиэтиленовому винту 7 в расслоитель 21. В него вмонтирован пластинчатый статор линейного асинхронного двигателя 22, бегущее магнитное поле которого, взаимодействуя с алюминиевым покрытием каждого из слоев полиэтиленовой ленты 10, осуществляет их под натяжку и поступление в тепловую зону, длина которой будет в пределах нескольких метров. Это оказывается возможным (с учетом высокой скорости поступления ленты 10, составляющей 10...40 м/с), благодаря большой поверхности теплопередач. Перевод полиэтилена в термопластичное состояние происходит за счет тепловой энергии разложения перекиси водорода 3 в камерах 23 с последующим поступлением высокотемпературных продуктов разложения в тепловую зону, где они направляются на расслоенные ветви полиэтиленовой ленты 10. Термопластичная масса 24 экструдируется посредством шнекового насоса 25 через решетку 28 с окнами шириной 0,3...0,6 мм в газификационную камеру 29. При этом площадь теплопередачи увеличивается еще в несколько раз, что необходимо, так как скорость газификации полиэтилена по сечению постоянна, мала и составляет примерно 2 мм/сек. Давление этилена в камере 29 равно 25...50 МПа, откуда он и поступает в ЖРД 12. Привод шнекового насоса 25 состоит из газовой турбины 26, которая соединена с последним при помощи волнового редуктора 27. Работа турбины осуществляется за счет газогенерации перекиси водорода. После прохождения через лопатки турбины 26 высокотемпературные продукты разложения 30 поступают в газификационную камеру 29. Полиэтиленовый винт 7, поступая в газификатор 11 со скоростью 0,5...1,5 м/с, подвергается резке механическим или тепловым путем, после чего кусковой полиэтилен плавится и газифицируется.The operation of the gasifier 11 is implemented as follows. The branches of the polyethylene tape 10 pass through the hollow polyethylene screw 7 into the splitter 21. A plate stator of the linear induction motor 22 is mounted in it, the traveling magnetic field of which interacts with the aluminum coating of each of the layers of the polyethylene tape 10 and pulls them into the heat zone, the length of which will be within a few meters. This is possible (taking into account the high speed of arrival of the tape 10, component 10 ... 40 m / s), due to the large surface of the heat transfer. The transfer of polyethylene into a thermoplastic state occurs due to the thermal energy of the decomposition of hydrogen peroxide 3 in the chambers 23 with the subsequent entry of high-temperature decomposition products into the thermal zone, where they are sent to the delaminated branches of the polyethylene tape 10. The thermoplastic mass 24 is extruded by means of a screw pump 25 through a grating 28 with windows 0.3 ... 0.6 mm wide into the gasification chamber 29. At the same time, the heat transfer area increases by several times, which is necessary, since the rate of gasification of polyethylene and the cross section is constant, small and is approximately 2 mm / sec. The ethylene pressure in the chamber 29 is 25 ... 50 MPa, from where it enters the liquid propellant rocket engine 12. The screw pump 25 consists of a gas turbine 26, which is connected to the latter using a wave reducer 27. The turbine is operated by the generation of hydrogen peroxide. After passing through the blades of the turbine 26, the high-temperature decomposition products 30 enter the gasification chamber 29. The polyethylene screw 7, entering the gasifier 11 at a speed of 0.5 ... 1.5 m / s, is subjected to mechanical or thermal cutting, followed by lumpy polyethylene melts and gasifies.

Предусмотрев парашютирование стартовой связки ЖРД 12, а также демонтаж и снятие с орбиты разгонных ЖРД и газификатора 11, можно обеспечить их повторное использование и многоразовость системы в целом.By providing parachuting the starting link of the rocket engine 12, as well as the dismantling and removal from orbit of the booster rocket engine and gasifier 11, it is possible to ensure their reuse and reusability of the system as a whole.

Таким образом, ракета-носитель с непрерывным отбросом массы позволит при стартовой массе порядка 10000 т выводить на орбиту полезный груз в 300...350 т, т.е. в 2,5...3 раза больший, чем известной ракетой Сатурн У, имеющей аналогичные габариты.Thus, a launch vehicle with continuous mass ejection will allow, with a launch mass of the order of 10,000 tons, a payload of 300 ... 350 tons into orbit, i.e. 2.5 ... 3 times larger than the famous Saturn U rocket, which has similar dimensions.

Claims

Claim

1. A booster rocket with continuous mass ejection on hybrid fuel, comprising a head unit, a fuel compartment with an oxidizing agent, the walls of which are made of plastic material, a carousel assembly for shortening the fuel compartment, a screw kinematically connecting the movable and stationary bottoms of the fuel compartment, liquid rocket engines and a gasifier, characterized in that, in order to improve the mass-energy characteristics, the fuel compartment is filled with hydrogen peroxide and is made in the form of a soft polyethylene multilayer a cylindrical shell, in the free volume of which a carousel assembly is installed in the form of a tubular truss with cutting knives and vertical working blocks located around the circumference of the latter and horizontal guide blocks installed in the center of the carousel assembly, branches of a polyethylene tape are passed through the hollow screw, while the screw made of polyethylene and rigidly connected to a tubular truss and paired with a fixed nut mounted on the lower bottom of the fuel compartment at the gasifier inlet p, wherein the gasifier is configured as a heater, a screw pump, and the lattice ekstrudiatsionnoy gasification chamber, the top of the tubular truss carousel unit is connected via rotation thrust bearings with a bottom head assembly that interfaces with the fuel compartment to move longitudinally along the body of the launcher.

2. The launch vehicle according to claim 1, with the fact that, in order to reduce the cutting force, as well as improve the manufacturability of the structure, part of the soft polyethylene multilayer shell in thickness AA is made in the form of a polyethylene screw winding tapes with the number of visits of at least two.

3. The launch vehicle according to claim 1, with the exception that, in order to balance the weight of the head unit, as well as provide the necessary tensile force on the screw, the fuel compartment is equipped with a boost system.

4. The carrier rocket according to claim 1, with the fact that, in order to prevent leakage of hydrogen peroxide through the screw-nut transmission, the latter is hydrostatic.

FIG.

FIG. 5