UA119076C2 - Пристрій для наддування паливного бака рушійної установки ракети-носія гарячим газом - Google Patents

Abstract

Винахід належить до галузі ракетно-космічної техніки і може бути використаний для наддування гарячим газом паливних баків великого подовження рушійних установок (РУ) ракет-носіїв (РН). Задачею винаходу є вирішення двоєдиної проблеми - зниження маси системи наддування (СН) шляхом зменшення теплових і масових витрат у паливо на початку роботи СН завдяки зменшенню швидкості взаємодії струменя гарячого газу наддування в поверхню палива і зменшення теплових витрат у верхнє днище бака завдяки більшій далекобійності струменя гарячого газу наддування у вільному об'ємі бака при подальшій роботі СН. Використано властивість струменів знижувати темп падіння швидкості по осі при настиланні на плоскі перешкоди. Поставлена здача вирішується тим, що пристрій має дифузор, вихідний переріз якого орієнтований паралельно вільній поверхні палива в баку, трапецеїдальну тонку пластину, менша основа якої розташована нижче мінімального рівня заправки палива в баку, а в радіальному напрямку - на відстані радіуса струменя газу наддування на цьому рівні. Більша основа пластини розташована на відстані від вихідного перерізу дифузора, при якій площа поперечного перерізу струменя більша 40 % поперечного перерізу паливного бака.

Description

Винахід належить до галузі ракетно-космічної техніки і може бути використаний для наддування гарячим газом паливних баків рушійних установок (РУ) ракет-носіїв (РН).

До теперішнього часу в двигунобудуванні постійно присутня тенденція використовувати все більш гарячі робочі тіла наддування. Це сприяє зниженню потрібної маси системи наддування (СН) і суттєвому спрощенню як РУ, так і стартової позиції в цілому. Наприклад, для наддування бака з пальним на МБР 18М (більш відомої як "Сатана") досягнута температура генераторного газу на вході в бак - 1150К Ю.А. Митиков, В.А. Антонов, М.Л. Волошин, А.И. Логвиненко. Пути повьішения надежности и безопасности зксплуатации ракетньїх комплексов //Авиационно- космическая техника и технология. - 2012. - Мо З (90). - С. 30-36).

Відомо технічне рішення використовувати відновний генераторний газ (паливна пара "кисень-гас") ще з більшою температурою 1770 К, при якій реалізується максимальна працездатність продуктів згоряння і відсутня сажа (по теорії рівноважних процесів) (Спосіб наддування бака з висококиплячим пальним типу гас: пат. 112787 Україна: МПК В640 37/24,

ЕО2К 9/44 /Мітіков Ю.О., заяв. Мо а201409743 від 5.09.2014; опубл. - 25.02.15, бюл. 4. - 5 с.|.

При використанні гелію, найбільш поширеного робочого тіла наддування в даний час, його нагрівають в теплообміннику (ТО) РУ. Зараз відомі рішення для суттєвого підняття температури гелію перед введенням в бак. Наприклад, існує технічне рішення, коли як теплоносій в ТО гелію запропоновано застосовувати високотемпературний генераторний газ, отриманий в твердопаливному газогенераторі (Спосіб наддування паливних баків рушійних установок ракет- носіїв: пат. 108414 Україна: МПК 8640 37/00 /Мітіков Ю.О. - Мо а201309167; заявл. 22.07.13; опубл. 27.04.15, бюл. Мо 8. - 5 с.|.

Також відомо технічне рішення, в якому як теплоносій використовують окислювальний генераторний газ максимально доступною в складі РУ температури - зразу після газогенератора (-5507С на номінальному режимі роботи РУ) |Клюева О.Г. Создание унифицированного теплообменника однокамерного жидкостного ракетного двигателя /Трудьї НПО "Знергомаш". -

Мо 25. - 2007. - С. 286-301. Раніше в ТО використовували генераторний газ тільки після турбін.

При використанні для наддування високотемпературного робочого тіла в початковий момент часу роботи системи наддування (СН), коли зріз пристрою вводу газу знаходиться в безпосередній близькості від вільної поверхні палива, виникає досить серйозна проблема. У

Зо циліндричні несучі баки РН такий газ вводять обов'язково струменем з помітною швидкістю уздовж їх поздовжньої осі від верхнього алюмінієвого днища з метою відведення "розпеченої" хмари газу вглиб бака, перемішування його з газом і парами вільного об'єму |Митиков Ю.А.,

Свириденко Н.Ф. Проблемьї использования вьісокотемпературного газа для наддува топливньх баков двигательньїх установок нового поколения и пути их решения /ТГехнічна механіка. - 2013. -

Мо 1. - С. 68-77. Задача такого рішення - зниження температури газу верхнього днища бака.

Однак у зв'язку зі стискаючою дією конструкції бака далекобійність гарячого струменя обмежена 1,5-2 калібрами бака (відношення висоти бака до його діаметра). Митиков Ю.А., Куда С.А.

Определение козффициентов стеснения неизотермических турбулентньїх /струй //Проектирование сложньіїх технических систем: Сб. науч. тр. ИТМ АН УССР. - Киев: Наукова думка, 1989. - С.153-155).

Відомі різні пристрої введення гарячого газу наддування в паливні баки ракет |(Беляев Н.М.

Системь! наддува топливньїх баков ракет. М. Машиностроениє, 1976. - С. 131). Однак, для довгих циліндричних баків вони з урахуванням стискаючої дії їх конструкції не можуть забезпечити необхідної далекобійності гарячого струменя газу наддування (Митиков Ю.А.

Использования вихревьїх колец для наддува топливньїх баков двигательньїх установок РінН//

Восточно-европейский журнал передовьїх технологий. - 2012, - Мо 5/7(59). - С. 30-35).

Найближчим до винаходу, що заявляється, за технічною суттю і досягуваному ефекту є пристрій для наддування (А.С. Мо 148930. Устройство для наддува топливного бака /Автори

Митиков Ю.А., Осташев Л.А., Мосейко В.А. Заявл. 23.11.79. Мо 2267719/23; МКИ 864 037/24|, що складається з дифузора, вихідний переріз якого орієнтований паралельно вільної поверхні палива в баку, при цьому до вихідного перерізу дифузора прикріплена плоска трапецеїдальна тонка пластина, розташована в баку уздовж його поздовжньої осі. Перевагою даного пристрою Є те, що воно дозволяє збільшити за інших рівних умов далекобійність струменя в г разів за рахунок зменшення ежекції навколишнього газу в струмінь (Гримитлин М.И., Тимофеева О.Н. и др. Вентиляция и отоплениє цехов машиностроительньх заводов. М.: Машиностроениє. - 1978. - С. 13). Таке технічне рішення збільшує зону перемішування газу в баку, "розтягує" хмару гарячого газу на більшу довжину бака, що знижує температуру газу у його верхнього днища й прогрів. Збільшується середньомасова температура газу в баку, зменшуються потреби в газі наддування при заданому тиску в ньому.

Однак цьому пристрою притаманний і суттєвий недолік - пластина, яка прикріплена безпосередньо до вихідного перерізу, повільніше гасить швидкість гарячого струменя, ніж в разі поширення вільного струменя при інших рівних умовах. Це призводить до більшого провалу тиску газу в баку в початковий момент роботи СН завдяки тепловим і масовим втратам в паливо в порівнянні з аналогічним пристроєм введення, але без пластини. Особливо сильно це явище проявляється при мінімальному початковому газовому об'ємі в баку (максимальна заправка паливом) і наддуванні баків парами палива чи генераторним газом.

Задачею винаходу є вирішення двоєдиної проблеми - зниження маси СН (газу наддування і системи його зберігання) шляхом зменшення теплових і масових витрат у паливо на початку роботи СН завдяки зменшенню швидкості взаємодії струменя гарячого газу наддування в поверхню палива і зменшення теплових витрат у верхнє днище бака завдяки більшій далекобійності струменя гарячого газу наддування у вільному об'ємі бака при подальшої роботі сн.

Поставлена задача вирішується тим, що в пристрої менша основа трапеції розташована нижче мінімального рівня заправки палива в баку і має розмір, не менший за діаметр струменя газу наддування на цьому рівні, а в радіальному напрямку розташована на відстані радіуса струменя газу наддування на цьому рівні, а більша основа трапеції розташована на відстані від вихідного перерізу дифузора, при якій площа поперечного перерізу струменя більша 40 95 поперечного перерізу паливного бака і має розмір, не менший за діаметр струменя газу наддування на цьому рівні.

Суть винаходу пояснюється кресленням, на яких представлений пристрій для наддування паливного бака рушійної установки РН гарячим газом. Усередині бака 1 (фіг.1) у його верхнього днища 2 встановлено пристрій для наддування З у вигляді дифузора, вихідний переріз 4 якого орієнтований паралельно вільній поверхні палива в баку 1. Нижче пристрою З всередині бака розташована плоска трапецеїдальна тонка пластина б уздовж його поздовжньої осі 5. Вона прикріплена до бака, наприклад, за допомогою розтяжок 7. Менша основа трапеції 8 має розмір, не менший за діаметр струменя газу наддування на цьому рівні (в820-2г, фіг. 2), де г - радіус струменя на рівні меншої підстави трапеції 8. Пластина б (фіг. 1) розташована нижче мінімального рівня заправки 9 палива в баку, а в радіальному напрямку (фіг. 2) - на відстані

Зо радіуса г струменя, а більша основа трапеції 10 розташована на відстані від вихідного перерізу дифузора 4, при якій площа поперечного перерізу струменя більша 40 95 поперечного перерізу бака.

Пристрій, що заявляється, працює наступним чином. На початку роботи РУ при максимальній заправці бака вільний струмінь гарячого газу, який витікає через вихідний переріз пристрою 4, втрачає свою швидкість в баку досить швидко, тому, що газ з вільного об'єму бака ежектується в струмінь з усіх боків. Коли вільна поверхня палива в баку опускається нижче рівня мінімальної заправки 9, струмінь починає настилатися на плоску пластину 6, яка зміщена щодо осі струменя на її радіус г. Зниження швидкості струменя сповільнюється, збільшується її далекобійність. Струмінь починає різко втрачати швидкість, коли її поперечний переріз наближається до 40 95 площі поперечного перерізу бака. Тому нижню підставу трапеції 10 пластини Є доцільно розміщувати нижче цієї висоти.

Діаметри струменів можна розраховувати за відомими рекомендаціями (Абрамович Г.Н.

Теория турбулентньх струй. - М.: Физматгиз, 1960. - 715 с.).

Таким чином, задекларована задача винаходу виконується. На мінімальних вільних об'ємах газу в баку струменя гарячого газу ніщо не перешкоджає втрачати свою швидкість. Коли небезпечний період мине, струмінь настилається на пластину, падіння її швидкості сповільнюється, далекобійність збільшується в г разів. Збільшується обсяг перемішування газу в баку, знижується температура газу верхнього днища, зменшуються теплові витрати. Той же потрібний тиск газу в баку можна створити меншою кількістю газу.

Розрахунки, які проведені авторами за методикою |Митиков Ю.А., Иваницкий Г.М. Расчет параметров системьі наддува с учетом взаймодействия струи газа с компонентом топлива

ПХолодильна техніка і технологія. - 2012. - Мо 2. - С. 46-50| показують, що потреби газу наддування при реалізації запропонованого пристрою можна скоротити до «1595. Це еквівалентно можливості збільшення корисного навантаження для двоступеневої РН середнього класу на «10 кг. При мінімальній ціні виведення корисного навантаження в 520 тис/кг, З пуски на рік і часу експлуатації ракетного комплексу в 30 років, виходить істотна сума.

Claims (1)

1. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ Пристрій для наддування паливного бака рушійної установки ракети-носія гарячим газом, що включає дифузор, вихідний переріз якого орієнтований паралельно вільній поверхні палива в баку, плоску трапецеїдальну пластину, розміщену вздовж поздовжньої осі бака, який відрізняється тим, що менша основа трапеції розташована нижче мінімального рівня заправки палива в баку і має розмір, не менший за діаметр струменя газу наддування на цьому рівні, а в радіальному напрямку розташована на відстані радіуса струменя газу наддування на цьому рівні, а більша основа трапеції розташована на відстані від вихідного перерізу дифузора, при якій площа поперечного перерізу струменя більша 40 95 поперечного перерізу паливного бака і має розмір, не менший за діаметр струменя газу наддування на цьому рівні. т хх х ія де х ІЗ й Ох От у 4 шен: су Крок й ; І Кз хв О х ЦО, ма 5 я ей 0 ШЕ а ше ож х о З и о Ох яри НН ДК НН нн нн З КИ ши шо МО и их ЖКП, ПИ ПИТИ МИТИ. ВУ ЖЖ КТИШ о ППОЖ в й 5 ЩЕ км ОО М КН НН Я м ОО ОО ОО ОМ М М ! С ТЕО ВІ ОО М КК і и А КК І й ОН ВШ В х О,МООМ А А А А М А А А х о Ву М ОВ ОО ОО і и и Кк і и і и й ПЕОМ КЕ ї ОО Б ОО шен РЕ О о ус. б В І КК

   Фіг. 1 й ОО Я в еВ, У ОО сс ОО а Сн Б ОО ОО ОО ПО ОО ОО ви п 0: М ОК МОЯ ОО ДИМИВИИИ Ин СЕШХЦЕИИКИИ НИКИ К и КІ

   Фіг. 2