Патент на изобретение №2159861

(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПЕРЕКАЧКИ ГАЗА В СИСТЕМЕ НАДДУВА ТОПЛИВНЫХ БАКОВ ДВИГАТЕЛЬНОЙ УСТАНОВКИ КОСМИЧЕСКОГО ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА С БОРТОВЫМ КОМПРЕССОРОМ И СПОСОБ ТЕРМОСТАТИРОВАНИЯ БОРТОВОГО КОМПРЕССОРА

(57) Реферат:

Устройство для перекачки газа в системе наддува топливных баков двигательной установки космического летательного аппарата содержит бортовой компрессор, размещенный в герметичном контейнере и связанный пневмомагистралями высокого давления с баллонами наддува и пневмомагистралями низкого давления с газовыми полостями топливных баков. Полость между бортовым компрессором и контейнером заполнена теплоемким материалом с температурой плавления ниже верхней рабочей температуры компрессора. Компрессор снабжен оребрением. Масса заполняемого теплоемкого материала определяется из расчетного выражения. Способ термостатирования бортового компрессора устройства для перекачки газа в системе наддува включает отвод тепла от работающего компрессора, заключенного в герметичный контейнер. Во время работы тепло от компрессора аккумулируют теплоемким материалом, имеющим температуру плавления ниже верхнего рабочего температурного уровня работающего компрессора. Теплоемкий материал расплавляют до жидкого состояния, а после выключения компрессора охлаждают до твердого физического состояния. Изобретение позволяет повысить живучесть и надежность системы наддува топливных баков в процессе эксплуатации в условиях космического полета. 2 с.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к космической технике, а точнее к области проектирования и эксплуатации реактивных двигательных установок (РДУ) космических летательных аппаратов (КЛА).

Устройство для перекачки газа в системе наддува топливных баков двигательной установки (ДУ) КЛА с бортовым компрессором 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 с 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.

Известно устройство для перекачки газа в системе наддува топливных баков двигательной установки космического летательного аппарата (см., например., Т. М. Мелькумов и др. “Ракетные двигатели”, изд. “Машиностроение”, М., 1976 г. с. 8). Устройство для перекачки газа в системе наддува содержит баллоны высокого давления, заполненные газом, например азотом, которые служат для обеспечения выдавливания топлива из топливных баков и подачи его к реактивным ДУ. Баллоны высокого давления связаны с полостями наддува топливных баков посредством магистралей низкого давления, содержащих отсечные клапаны, газовые редукторы и обратные клапаны.

Известен способ термостатирования бортового компрессора устройства для перекачки газа в системе наддува топливных баков ДУ КЛА, включающий отвод тепла от работающего компрессора путем сброса тепла излучением в окружающую среду. При этом из-за малоэффективного охлаждения происходит перегрев компрессора и снижение ресурса его работы (см. патент RU 2093427, кл. F 02 K 9/02).

Недостатками указанных технических решений – аналогов являются малая живучесть система наддува, низкая надежность из-за малоэффективного охлаждения бортового компрессора и невозможность многоразового использования системы наддува для дозаправки топливом баков в условиях космического полета.

Наиболее близким по технической сущности является устройство для перекачки газа в системе наддува топливных баков ДУ КЛА с бортовым компрессором, взятое за прототип, и содержащее бортовой компрессор, размещенный в герметичном контейнере, и связанный пневмомагистралями высокого давления с баллонами наддува и пневмомагистралями низкого давления с газовыми полостями соответствующих топливных баков горючего и окислителя (см. патент RU 2109975, кл. F 02 K 9/44 от 1998 г.).

Указанное устройство обеспечивает перекачку газа из газовых полостей баков обратно в полости баллонов высокого давления за счет наличия бортового компрессора и таким образом, приводит в исходное состояние систему наддува для повторной дозаправки баков горючим и окислителем в условиях космического полета, например от космического дозаправщика. Однако в данном устройстве бортовой компрессор при работе подвержен перегревам из-за отсутствия эффективного отвода и сброса тепла, что приводит к вынужденным остановкам компрессора в процессе перекачки газа, а также к его преждевременному износу.

Наиболее близким к изобретению по совокупности существенных признаков является способ термостатирования бортового компрессора устройства для перекачки газа в системе наддува топливных баков ДУ КЛА, взятый за прототип, включающий отвод тепла от работающего компрессора, заключенного в герметичный контейнер (см. RU 2119082, кл. F 02 K 9/44 от 1998 г.). В известном способе термостатирования бортового компрессора отвод тепла производят посредством прокачки (циркуляции) газа в контейнере с размещенным в нем бортовым компрессором и сбросом тепла через стенку контейнера в окружающую среду излучением. Эффективность охлаждения таким способом мала и приводит к неизбежным перегревам бортового компрессора.

Недостатками устройства для перекачки газа в системе наддува топливных баков ДУ КЛА с бортовым компрессором и способа термостатирования бортового компрессора, взятых за прототип, является то, что они имеют низкие живучесть и надежность из-за отсутствия эффективного охлаждения бортового компрессора в процессе его работы. Кроме того, известные технические решения имеют сложное конструктивное исполнение и усложненное осуществление процесса охлаждения бортового компрессора (наличие вентиляторов для прокачки газа, охлаждающего компрессор, газовой рубашки и т.п.).

Задачей настоящего изобретения является создание такого устройства для перекачки газа в системе наддува топливных баков ДУ КЛА с бортовым компрессором и способа термостатирования бортового компрессора, которые обеспечивали бы повышенную живучесть и надежность за счет эффективного охлаждения работающего бортового компрессора в условиях космического орбитального полета.

Это достигается тем, что герметичный контейнер с размещенным в нем бортовым компрессором снабжен высокоэффективным охлаждением компрессора путем отвода и аккумулирования тепла теплоемким материалом.

Сущность изобретения заключается в том, что в устройстве для перекачки газа в системе наддува топливных баков ДУ КЛА с бортовым компрессором, размещенным в герметичном контейнере, и связанным пневмомагистралями высокого давления с баллонами наддува и пневмомагистралями низкого давления с газовыми полостями соответствующих топливных баков горючего и окислителя, полость между бортовым компрессором и контейнером заполнена теплоемким материалом с температурой плавления ниже верхней рабочей температуры компрессора, причем компрессор снабжен оребрением, а масса заполняемого теплоемкого материала определяется из выражения
m_min=N’t/(C’_м(T_пл-T_нач),
где m_min – минимальная масса теплоемкого материала, кг;
N – тепловая мощность, выделяемого компрессором, ккал/ч;
t – время, требуемое для перекачки газа из газовых полостей баков двигательной установки в баллоны наддува, ч;
C_м – теплоемкость теплоемкого материала, ккал/кг град;
T_пл – температура плавления теплоемкого материала, град;
T_нач – температура теплоемкого материала до включения компрессора, град;
r – теплота плавления теплоемкого материала.

В способе термостатирования бортового компрессора устройства для перекачки газа в системе наддува топливных баков ДУ КЛА, включающем отвод тепла от работающего компрессора, заключенного в герметичный контейнер, во время работы тепло от компрессора аккумулируют теплоемким материалом, имеющим температуру плавления ниже верхнего рабочего температурного уровня работающего компрессора, при этом теплоемкий материал расплавляют до жидкого физического состояния, а после выключения компрессора охлаждают до твердого физического состояния, причем теплоемкий материал при загрузке расплавляют.

Технический результат заключается в том, что по сравнению с известными техническими решениями вновь созданные устройство для перекачки газа в системе наддува топливных баков ДУ КЛА с бортовым компрессором и способ термостатирования бортового компрессора обеспечивают не только высокую надежность работы устройства и способа но и увеличивают ресурс работы устройства.

Использование предлагаемых устройства для перекачки газа в системе наддува топливных баков ДУ КЛА с бортовым компрессором и способа термостатирования бортового компрессора, например на космическом орбитальном комплексе типа “Мир” – “Союз-ТМ” -“Прогресс”- “Шатлл”, позволит дать значительный экономический эффект за счет обеспечения эффективного охлаждения бортового компрессора и поддержания необходимого температурного уровня с одновременным повышением живучести и надежности при эксплуатации данного устройства.

Суть изобретения поясняется чертежом.

Предлагаемое устройство для перекачки газа в системе наддува топливных баков ДУ КЛА с бортовым компрессором состоит из следующих основных узлов, деталей и агрегатов; бортового компрессора 1, размещенного в герметичном контейнере 2 и связанным пневмомагистралями высокого давления 3, 4 с баллонами наддува 5, 6 и пневмомагистралями низкого давления 7, 8 с газовыми полостями 9, 10 соответствующих топливных баков горючего и окислителя 11, 12. Полость 13 между бортовым компрессором 1 и герметичным контейнером 2 заполнена теплоемким материалом 14, например, парафином с температурой плавления ниже верхней рабочей температуры компрессора 1. Бортовой компрессор 1 снабжен оребрением 15. Наличие оребрения 15 непосредственно контактирующего с теплоемким материалом 14, улучшает процесс аккумулирования тепла и охлаждения компрессора в период его работы за счет увеличения поверхности, контактирующей с теплоемким материалом. Масса заполняемого теплоемкого материала определяется из выражения:
m_min= Nt/(C_м(T_пл-T_нач)+r),
где m_min – минимальная масса теплоемкого материала, кг;
N – тепловая мощность, выделяемая компрессором, ккал/ч;
t – время, требуемое для перекачки газа из газовых полостей баков двигательной установки в баллоны наддува, ч;
C_м – теплоемкость теплоемкого материала, ккал/кг град;
T_пл – температура плавления теплоемкого материала, град;
T_нач – температура теплоемкого материала до включения компрессора, град;
r – теплота плавления теплоемкого материала.

Работает устройство для перекачки газа в системе наддува топливных баков ДУ КЛА с бортовым компрессором в режиме перекачки газа, например газообразного азота из газовых полостей 9,10 топливных баков 11 и окислителя 12 в баллоны наддува 5,6, следующим образом.

Перед включением компрессора 1 в работу открывают все отсечные клапаны 16 и после пуска компрессора 1 производят откачку газа из газовых полостей 9, 10 топливных баков 11, 12 и закачку его с высоким давлением через пневмомагистрали высокого давления 3, 4 в соответствующие газовые баллоны 5, 6, затем закрывают отсечные клапаны 16. Таким образом, система наддува приводится в исходное рабочее состояние, готовое к заправке баков 11, 12 горючим и окислителем, например от космического заправщика. Выдавливание и подачу топлива к реактивным двигателям 17 из топливных баков горючего 11 и окислителя 12 производят посредством подачи газа из баллонов наддува 5, 6 в газовые полости 9, 10 по пневмомагистралям 18, 19, каждая из которых содержит последовательно установленные электропневмоклапан 20, 21, газовый редуктор 22, 23 и обратный клапан 24, 25.

Способ реализуют следующим образом.

При работе бортового компрессора 1 в период перекачки газа из газовых полостей 9,10 топливных баков 11, 12 в баллоны наддува 5, 6 тепло, выделяемое компрессором 1, аккумулируют теплоемким материалом 14, имеющим температуру плавления ниже верхнего рабочего температурного уровня работающего компрессора 1, например парафином, при этом теплоемкий материал 14 расплавляют до жидкого физического состояния.

После выключения компрессора 1 теплоемкий материал охлаждают до твердого физического состояния, например излучением в окружающую среду.

При загрузке теплоемкого материала 14 в полость 13 его расплавляют и полностью заполняют полость 13, после чего контейнер 2 герметизируют и охлаждают до температуры окружающей среды, например до 20^oC, при этом в результате застывания теплоемкого материала 14 в полости 13 образуется незаполненное теплоемким материалом пространство, так называемая “подушка”, которая при работе компрессора 1 является компенсатором для расплавленного теплоемкого материала 14. Такая загрузка теплоемкого материала 14 обеспечивает исключение нагрузки на стенки контейнера 2 при разогреве и расширении теплоемкого материала 14, что снижает толщину стенки контейнера и его массу. Кроме того, в полость 13 загружают минимальную массу теплоемкого материала, которую определяют из вышеуказанного выражения.

Таким образом, разрешается поставленная задача, повышается эффективность охлаждения работающего бортового компрессора, за счет чего повышаются живучесть и надежность устройства для перекачки газа в системе наддува топливных баков ДУ КЛА в процессе эксплуатации в условиях космического полета на орбите Земли.

Формула изобретения

1. Устройство для перекачки газа в системе наддува топливных баков двигательной установки космического летательного аппарата с бортовым компрессором, размещенным в герметичном контейнере и связанным пневмомагистралями высокого давления с баллонами наддува и пневмомагистралями низкого давления с газовыми полостями соответствующих топливных баков горючего и окислителя, отличающееся тем, что полость между бортовым компрессором и контейнером заполнена теплоемким материалом с температурой плавления ниже верхней рабочей температуры компрессора, причем компрессор снабжен оребрением, а масса заполняемого теплоемкого материала определяется из выражения
m_min = N t / (C_м (T_пл – T_нач) + r),
где m_min – минимальная масса теплоемкого материала, кг;
N – тепловая мощность, выделяемая компрессором, ккал/ч;
t – время, требуемое для перекачки газа из газовых полостей баков двигательной установки в баллоны наддува, ч;
C_м – теплоемкость теплоемкого материала, ккал-кг град;
T_пл – температура плавления теплоемкого материала, град;
T_нач – температура теплоемкого материала до включения компрессора, град;
r – теплота плавления теплоемкого материала, ккал/кг.

2. Способ термостатирования бортового компрессора устройства для перекачки газа по п.1, включающий отвод тепла от работающего компрессора, заключенного в герметичный контейнер, отличающийся тем, что во время работы тепло от компрессора аккумулируют теплоемким материалом, имеющим температуру плавления ниже верхнего рабочего температурного уровня работающего компрессора, при этом теплоемкий материал расплавляют до жидкого физического состояния, а после выключения компрессора охлаждают до твердого физического состояния, причем теплоемкий материал при загрузке расплавляют.

РИСУНКИ

MM4A Досрочное прекращение действия патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Дата прекращения действия патента: 25.05.2004

Извещение опубликовано: 10.03.2005 БИ: 07/2005