UA54595C2 - Модульні ракетні реактивні твердопаливні заряди з корпусом, системою наповнення та спорожнювання, охолодженням та підвіскою - Google Patents

Abstract

Винахід стосується модульних ракетних реактивних твердопаливних зарядів, що містять різноманітні компоненти палива й інші компоненти, наприклад окислювачі, домішки, що збільшують енергію, зв'язувальні речовини, присадки, покриття, інгібітори тощо, які можуть бути цілком або частково фрагментовані, тобто вони представлені не у вигляді стандартної квазіоднорідної суміші, а у вигляді одного або більше макроскопічних пальних елементів, що мають будь-яку придатну форму, причому всі або окремі компоненти можуть також складатися з речовин, які спочатку охолодженням приводять в достатньо твердий стан. Метою винаходу є створення модульних ракетних реактивних твердопаливних зарядів вищезгаданого типу, в яких дуже мінімізований розвиток небезпечних ситуацій, які виникають при відмові системи охолодження при одночасному підвищенні енергії в ракетах-носіях. З цією метою модулі виконані у вигляді блока або у вигляді окремих пальних елементів із спеціальним корпусом (1), що уможливлює зберігання таких реактивних снарядів та/або їхню дію згідно з призначенням таким чином, що не виникає проблем через температурну залежність від механічних характеристик або агрегатного стану.

Description

Опис винаходу

Цей винахід стосується модульних ракетних реактивних твердопаливних зарядів, що містять різноманітні 2 компоненти палива й інші компоненти, наприклад, палива, окислювачі, домішки, що збільшують енергію, зв'язувальні речовини, присадки, покриття, інгібітори тощо, які можуть бути цілком або частково фрагментовані, тобто вони представлені не у вигляді стандартної квазіоднорідної суміші, а у вигляді одного або більш макроскопічних пальних елементів, що мають будь-яку придатну форму, причому всі або окремі компоненти можуть також складатися з речовин, які спочатку необхідно привести в достатньо твердий стан 70. шляхом охолодження, причому ці реактивні заряди у вигляді блока або у вигляді окремих пальних елементів оснащені корпусом.

Отже, цей винахід стосується галузі техніки ракетних двигунів і їхнього виробництва, конструювання і безпечного зберігання твердопаливних зарядів. Під твердопаливним зарядом у цьому відношенні розуміють представлений в якійсь певній геометричній формі одинарний або складений блок твердого палива, включаючи 12 можливі установки і навішення, що встановлені в ньому з різноманітних причин і здебільшого витрачаються при згорянні.

Кріогенні модульні реактивні заряди, які діють як внутрішні або торцеві пальники, відомі з патенту США З 137 127. Ці відомі реактивні заряди є частково фрагментованими, тобто принаймні один з компонентів знаходиться не в звичайній старанно перемішаній суміші з іншими компонентами, а у формі одного або кількох макроскопічних пальних елементів будь-якої придатної геометричної форми. Пальні елементи хімічно ізольовані один від одного придатними покриттями поверхонь розділу і можуть в разі потреби одночасно механічно з'єднуватися один з одним. Потім ці пальні елементи можуть при особливому виборі їхнього складу бути придатними для того, щоб служити як модулі з різноманітними функціями, наприклад, функціями запалення, стимулювання згоряння, газоутворення тощо. Ці пальні елементи можуть, зокрема, мати форму дисків, зовнішня с поверхня яких підігнана під контур ракетної камери згоряння, і в яких можуть бути один або кілька отворів з Ге) поверхнями поперечного перерізу відповідної форми, які за допомогою нанизування утворюють канал згоряння з постійними або перемінними площинами поперечного перерізу; або вони можуть бути розташовані з різноманітними, вільно обираними формами поперечного перерізу у зв'язаній матриці компонентів твердого палива, які вибираються відповідно до обставин, наприклад, цілком або частково в матриці зі спресованих о елементів палива, багатих на окислювачі. Ге»)

Рівень техніки традиційних видів твердого палива, тобто видів твердого палива з тривалим терміном зберігання, визначається пошаровим розташуванням компонентів палива в так званому "бутербродному" паливі, о що не надає їм яких-небудь особливих переваг і, отже, не знайшло якогось значного застосування. «І

Криогенні тверді тіла досліджуються як паливо з 1994 р. в "УСАФ-Філіпс Леб" ("О5АБР-РпЇЇЇрз І ар") 3о (Едвардз) у програмі "Густина високої енергії". У 1997 р. були опубліковані роботи про гібриди (тобто двигуни о з рідкими і твердими компонентами палива) з замороженим вуглеводнем як твердим компонентом (С.С.Ларсон, "УСАФ-Філіпс Леб", 33-я об'єднана виставка-конференція ракетних двигунів АІАА/"АЗМЕ/ЗАЕ/АЗЕЕ, Центр з'їздів і торгівлі штату Вашингтон, Сіетл, штат Вашингтон, 6-9 липня 1997 р., АІДА-96-3076). «

Цей відомий рівень техніки має проблему, яка полягає у тому, що модульні криогенні твердопаливні заряди З 50 потребують постійного охолодження для того, щоб зберігати свій агрегатний стан у нормальному с температурному середовищі. При відмові охолодження це паливо може станути і випаритися, що може в різних з» випадках призвести до виникнення дуже небезпечних ситуацій.

В основі винаходу лежить завдання підготувати модульні заряди ракетного твердого палива таким чином, щоб було значно мінімізоване виникнення небезпечних ситуацій внаслідок відмови охолодження при підвищенні потужності ракет-носіїв, і щоб був забезпечений тривалий зв'язок між паливом та стінкою камери згоряння. і-й Це завдання вирішується за допомогою модульних зарядів ракетного твердого палива вищезгаданого типу з «» відмітними ознаками згідно з пунктом 1 формули винаходу, їхнє вигідне вдосконалення випливає з залежних пунктів формули. і-й Згідно з комбінацією ознак, названих у незалежному пункті формули, з вигідним вдосконаленням, зазначеним (Те) 20 у залежних пунктах формули, винахід дозволяє значно поліпшити ситуацію із всіма або кількома виявленими проблемами. Модульний заряд ракетного твердого палива дозволяє вибирати паливо й окислювачі з сл різноманітного асортименту і розділяти на пальні елементи, які в комбінації складають необхідну геометричну форму палива. Необхідний для цього агрегатний стан в разі потреби створюється і підтримується за допомогою відповідного охолодження. Позначення "фрагментований твердопаливний заряд" (тут синонім для "модульного", 29 "сепарованого" або "розділеного" твердопаливного заряду) відноситься насамперед до відокремлення основних

ГФ) компонентів (палива й окислювача). Придатним синонімом для "модульного ракетного твердопаливного заряду" є "складений внутрішній гібридний двигун". о Завдяки цьому винаходу можна досягти таких корисних результатів: - твердопаливні заряди згідно з винаходом значно спрощують виготовлення зарядів ракетного твердого 60 палива. Можна уникнути багатьох небезпечних процедур, які надає серійне виробництво. Можна очікувати значного зниження витрат. Це визначення є дійсним незалежно від можливих ускладнень, що можуть бути викликані криогенним паливом; - твердопаливні заряди згідно з винаходом дозволяють уникнути великих поверхонь поділу фаз, характерних для традиційних твердопаливних зарядів. При зберіганні палива теплим слід очікувати збільшення терміну бо зберігання, крім того, в разі потреби пальні елементи можна відокремити один від одного ізолюючими плівками;

- криогенне паливо хоч і не має великого терміну зберігання, проте завдяки низькій температурі є менш схильним до реакцій, ніж тепле. Це може у певних випадках уможливити використання спеціальної висококалорійної речовини, яка може мати таку схильність до реакцій, як рідина або газ; - твердопаливні заряди згідно з винаходом дозволяють реалізувати будь-яку комбінацію палива як монергольний твердопаливний двигун. Це стосується всіх двигунів, починаючи від рідинних монергольних або диергольних двигунів з тривалим терміном зберігання або криогенного типу, гібридних та квазігібридних двигунів, двигунів на суспензіях та трибридів і закінчуючи всіма триергольними двигунами. Отже, слід очікувати значного збільшення питомого імпульсу не лише у порівнянні з узвичаєними видами твердого палива, у/о але й у порівнянні з рівнем техніки рідинних двигунів (див. Р.Е.Ло, "ОРМІ К-Зішнодаг": "Водневий підігрів за допомогою трибридного згоряння", "Спетіе-Іпдепіецг-Тесппік", 1967, 39, Мо15, стор. 923-927; Р.Е.Ло, "Можливість технічної реалізації високоефективних хімічних рушійних установок", Доповіді ХМ Конгресу астронавтів, Белград, 25. -29. 9, 1967, стор. 121-132; Р.Е.Ло, "ОРМІ К-І атроїазнаизеп": "Теоретичні результати систем ракетного палива Е2, 02Лі, АТ1/Н2 і простих підсистем!!, "СІ В-Мін", 69-21 (грудень 1969 р.); Р.Е.Ло, 75. "ОБЕМІК-Гатроїдзнаийзеп": "Хімічний водневий підігрів за допомогою згоряння алюмінію з киснем або системи безполуменевого окислювання "Б ОХ", "ОСІ К-МіН", 70-03 (лютий 1970 р.); Р.Е.Ло, "ОРМІ К-І атроїідзНнаизеп": "Квазігібридні ракетні двигуни", "Кашттаптйогеспипа", Мо 4, квітень 1970 р.); - твердопаливні заряди згідно з винаходом дозволяють за допомогою вибору відповідного палива реалізувати твердопаливні заряди з найбільшою безпекою для навколишнього середовища, наприклад, з твердого водню/кисню.

Далі винахід буде докладніше пояснено на кількох прикладах реалізації за допомогою креслень.

На кресленнях показані:

Фіг. 1 - розріз пального елемента порожнистого циліндричного твердопаливного заряду згідно з винаходом,

Фіг. 2 - закріплення твердого палива за допомогою елементів, які мають розривну міцність, Га

Фіг. З - стандартне технічне рішення кріплення твердопаливного заряду згідно і винаходом, фіг. 4 - ще один варіант підпори корпусу, і9)

Фіг. 5 - варіант прикріплення елементів, які мають розривну міцність, штекерним фіксатором,

Фіг. 6 - зображення корпусу з подвійними стінками з порожнистих циліндричних кілець з утвореною за допомогою перемичок системою труб для охолодження, ю

Фіг. 7 - зображення корпусу з подвійними стінками з порожнистих сегментів з утвореною за допомогою перемичок системою труб для охолодження, б

Фіг. 8 і 9 - корпус з одинарною стінкою з наявними змійовиками для охолодження і ю

Фіг. 10 - дренажна система (система наповнення і спорожнювання) корпусу.

Всі та/(або одиночні модулі твердопаливних зарядів згідно з винаходом оточені хімічно сумісним з паливом в Корпусом достатньої тривкості і хімічної сумісності. ю

На Фіг. 1 показаний розріз пального елемента порожнистого циліндричного твердопаливного заряду. Корпус 1 оточує твердопаливний заряд 3. У цьому прикладі реалізації винаходу корпус складається з поверхонь циліндричної або круглої форми, які при виготовленні, наприклад, склеюються одна з одною (про спосіб « виробництва докладніше тут розповідатися не буде). Виступаючий край корпусу 1 утворює підтримку 2 для пального елемента, розташованого на опорі 12 стінки камери згоряння б і прикріпленого до неї шляхом - с пригвинчування (див. також Фіг. 4). ц Згідно з ще одним прикладом реалізації винаходу, який відрізняється від того, що показаний на Фіг. 1, "» але, звичайно, має той же самий результат, ця підтримка 2 може знаходитися в нижньому кінці модуля. Шляхом розміщення монтажного кільця 11 (див Фіг. 3) можна досягти підтримання циліндричного модуля на обох кінцях.

При запаленні твердопаливних зарядів, що знаходяться в корпусі, факел запалювання (наприклад, ос утворений модулем, розташованим у верхньому кінці камери згоряння, що складається із суміші різних видів самозаймистого твердого палива) спочатку запалює ту частину корпусу 1, що утворює поверхню каналу ве згоряння 8. Цей процес відбувається цілісним чином шляхом випаровування та запалення модулів з окислювача с і палива, що чергуються. Очевидним є те, що корпус 1 повинний бути з одного боку якомога більш тонким, а з іншого боку - якомога більш товстим в міру необхідності. Крім цього. торцеві поверхні корпусу 1, які ї-о знаходяться навпроти вогню проміжного прошарку в каналі згоряння 8, повинні по можливості мати таку ж сл швидкість горіння, як і паливо 3, що може трохи вплинути на вибір матеріалу. Геометричні форми палива, при якому внутрішня сторона стінки камери згоряння 6 піддається різному за тривалістю впливу полум'я (наприклад, коноцільний або торцевий пальник), вимагають наявності ще одного внутрішнього захисного теплового прошарку.

При збиранні необхідно розрізняти сегментовані і несегментовані камери згоряння Перші вимагають точно о визначеної послідовності. Кожний модуль при зазначених умовах може одночасно утворювати і сегмент камери ко згоряння. Паливо, корпус, підвіска, ізоляція і сегмент камери згоряння в такому випадку можуть бути виготовлені разом. Як правило, гранула повинна бути виготовлена знизу нагору. Представлена проблематика бо дуже залежить від конкретних прикладів. Особливі і будь-які інші геометричні форми одержують із бажаної кривої часових зсувів двигуна при одночасно високому ступені наповнення. Звичайно, для всіх форм завжди справедливим є те, що вони повинні збиратися разом з корпусами, ізоляційними прошарками, підвісками і т.д.

Крихкість блоків льоду може бути особливою проблемою при динамічному навантаженні. Як рішення до міркування приймається використання кристалів льоду, що змінюються під тиском, які у комплексі виявляють 65 дуже незначну крихкість (різниця між сніжком і бурулькою). У той час, як крижані блоки з водяного льоду мають велику стійкість до навантажень (принцип іглу), у випадку замороженого палива справа може бути зовсім іншою.

При прикріпленні до стінки камери згоряння 6 вимоги до міцності можуть значно зменшуватися. Блок палива у цьому випадку при умовах прискорення при польоті вже повинний не лише підтримувати всі розташовані на ньому елементи, а і сам знаходитися в стійкому положенні. Для такого твердого палива на Фіг. 2 показаний варіант кріплення з розтяжками 4, перевага яких полягає у тому, що до матеріалу корпусу добавляють трохи додаткового матеріалу, чужорідного стосовно палива, що змінює склад брутто гранули палива. На Фіг. З для порівняння показане стандартне технічне рішення кріплення 9 ящика, яке хоча і є простим щодо збирання, але вимагає додаткових площин з матеріалу корпусу.

При виборі кількості і розташування розтяжок 4 потрібно брати до уваги те, що вони згоряють, як тільки їх 7/0 досягають поверхні горіння. Збирання здійснюють таким чином, що спочатку прикріплені на опорній плиті належним чином (не зображеним тут) дроти 4 з'єднують із штекер ним фіксатором 13 (див. Фіг. 5), що щільно прилягає до зовнішньої поверхні корпусу 1 і захищений від скривлення шляхом належного формування. Вони спресовуються разом з ним при заповненні і замиканні елементів палива в паливі 3. Після завантаження пальних елементів до камери згоряння (або до сегменту стінки камери згоряння) все це прикріплюється зовні за 7/5 допомогою щільно сидячих штекерних болтів 14. Про ущільнення та інші деталі тут мова йти не буде. У цьому випадку можливим є розташування необхідного захисного теплового прошарку (див. систему теплозахисту на

Фіг. 2).

В іще одному прикладі реалізації винаходу, представленому на Фіг. 3, охолоджувані корпуса можуть бути виготовлені з подвійними стінками. Окремі поверхні оболонки, таким чином, при цьому проходять через канали 2о охолодження 10, так що кожний елемент палива має принаймні по одному впуску і випуску. Стінки порожнистих циліндричних кілець (див. Фіг. 6) або порожнистих циліндричних сегментів (див. Фіг. 7) завжди оснащені однією або кількома паралельними перемичками, розташованими по зовнішній окружності, які розміщені між подвійними стінками для зберігання проміжків, і які утворюють - внутрішню межу каналів 10. Протікання охолодного середовища здійснюється відповідно до алфавітної нумерації від а до 9 на Фіг. 6 або від а до р на Фіг. 7. сч

Подібним же чином можуть бути прикріплені до одинарних стінок корпусу змійовики охолодження (див. Фіг. 8 і 9). В обох випадках внутрішня система каналів або проводки (протікання відповідно до алфавітної нумерації і) на Фіг. 8 і 9) сполучена з проводами подачі ззовні корпусу, які можуть проходити через канал згоряння і сопло або через стінку камери згоряння. В обох випадках потрібні швидкі затвори, подібні тим, що використовуються в рідинному ракетному двигуні. При проході крізь стінку вони повинні мати відповідну міцність при стиску. Цеж (з зо саме стосується і підвідного трубопроводу системи наповнення і спорожнювання 15 (див. Фіг. 10). Підвідний і відвідний трубопроводи цієї системи з'єднані лише з розташованою найвищою та/або найнижчою частиною Ме замкнутого у корпусі об'єму. На Фіг. 10 показана дренажна система, через яку може випаровуватися спочатку ю заповнений газ (наприклад, гелій), у той час як рідке паливо вливається через аналогічний приймальний отвір (не показаний). «

Представлені розміри труб, як і кожної з інших деталей на всіх кресленнях, не мають значення. Відведення ю тепла через систему охолодження є кроком із визначеною швидкістю при заморожуванні палива, подавання тепла через канал згоряння і зовнішню ізоляцію здійснюється при повільному розморожуванні. Таким чином, у системі наповнення і спорожнювання можна використовувати труби з невеличким поперечним перерізом. Це є вигідним, оскільки в будь-якому випадку вся система згоряє разом з системою охолодження при роботі двигуна. «

У самому простому випадку для кожного елемента згоряння потрібне власне з'єднання з системою наповнення, в с тому що серійне з'єднання (звичайно, завжди роздільне відповідно до палива й окислювача) може, як правило, представляти певні проблеми. При відомих умовах серійне наповнення стає можливим за допомогою дуже ;» простих заходів. Наприклад, в залежності від обставин можна з'єднати одну з одною найвищу і найнижчу точки порожнистих циліндричних кілець, які в описаному тут прикладі реалізації винаходу виявляються розташованими по діагоналі. Система наповнення закінчується, отже, вищим елементом із стоком у точці, яка у с переверненому положенні є найвищою.

Показана на Фіг. 10 дренажна система, навпроти, з'єднує одним єдиним стоком і одним з'єднанням всі ве елементи палива і усі відділені від них елементи окислювача. Вона функціонує у вертикальному положенні с двигуна, служить для дренажу при розморожуванні і повинна при наповненні Через приймальний отвір

Залишатися закритою. ік Описаний тут спосіб реалізації не повинний виключати того, що пальні елементи можуть бути виготовлені с модульним чином по окремості в особливих пристроях, а потім у камері згоряння об'єднані в одну гранулу, або при сегментованому виконанні - інтегровані у камеру згоряння. У випадку, якщо процедура інтеграції є неможливою, описані системи труб, звичайно, повинні бути з'єднані одна з одною належним чином.

Для всіх прикладів спільним є те, що вони призначені тільки як зразкові технічні рішення для наочного роз'яснення принципів винаходу. (Ф, Розташування використаних знаків-посилань: ка 1. Корпус 2. Підтримка во З. Паливо 4. Підвіска / розтяжка / елементи, які мають розривну міцність 5. Обшивка стінки / захисний тепловий прошарок 6. Стінка камери згоряння 7. Система теплозахисту 65 8. Канал згоряння 9. Кріплення

10. Канали охолодження / система труб 11. Монтажне кільце 12. Опора 13. Штекерний фіксатор 14. Штекерний болт 15. Наповнення-спорожнювання а-р Протікання

До цього додається 9 аркушів креслень.

Claims (4)

Формула винаходу

1. Модульні ракетні реактивні твердопаливні заряди з різноманітними компонентами палива та іншими /5 Хомпонентами, наприклад паливами, окислювачами, домішками, що збільшують енергію, зв'язувальними речовинами, присадками, покриттями, інгібіторами тощо, які можуть бути цілком або частково фрагментовані, тобто вони представлені не у вигляді стандартної квазіоднорідної суміші, а у вигляді одного або більше макроскопічних пальних елементів, що мають будь-яку придатну форму, причому всі або окремі компоненти можуть також складатися з речовин, які спочатку необхідно привести в достатньо твердий стан шляхом охоподження, причому ці реактивні заряди у вигляді блока або у вигляді окремих пальних елементів оснащені корпусом, які відрізняються тим, що корпус має край, який виступає з опори стінки камери згоряння (6), що нависає над ним, для підвішування реактивного заряду або, відповідно, пального елемента.

2. Ракетні реактивні твердопаливні заряди згідно з пунктом 1, які відрізняються тим, що корпус (1) пальних елементів оснащений або з'єднаний з окремими елементами, які мають розривну міцність, і, таким чином, сч ов одночасно служить для відповідного пального елемента механічною підтримкою всередині камери згоряння.

З. Ракетні реактивні твердопаливні заряди згідно з пунктом 71, які відрізняються тим, що корпус (1) (о) оснащений та/або з'єднаний з окремою системою труб (10), через яку може проходити придатне середовище, що дозволяє утримувати пальні елементи перед запалюванням двигуна у потрібному діапазоні температур.

4. Ракетні реактивні твердопаливні заряди згідно з пунктом 1, які відрізняються тим, що внутрішня частина ю зо Корпусу (1) оснащена та/або з'єднана з окремою системою труб, що у випадку потреби дозволяє перед запалюванням двигуна підводити або відводити рідкі або газоподібні середовища, зокрема при недостатній (о) теплоізоляції або при відмові системи охолодження (вентиляція, система наповнення і спорожнювання). ю « І в)

- . и? 1 щ» 1 се) сл іме) 60 б5