Ракетная двигательная установка

 

Использование: в ракетно-космической технике. Сущность изобретения: в ракетной двигательной установке, содержащей камеру сгорания 1 с соплом 2, соединенную топливными магистралями 3 с баками высокого давления 4 и 5, и средства управления 6 и 7, баки 4 и 5 выполнены из материала с характеристикой: 50 км, где: σ - предел прочности материала на растяжение, r - плотность материала, К_ф = 3 - для баллонов из композиционных материалов. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к ракетно-космической технике и может быть использовано в аппаратах, находящихся длительное время в готовности к запуску без технического обслуживания, в том числе в космосе.

В качестве аналога предлагаемой двигательной установки можно рассматривать жидкостную ракетную двигательную установку (ЖРДУ) с насосной системой подачи компонентов в камеру сгорания (М.В.Добровольский "Жидкостные расчетные двигатели", М. Машиностроение, 1968 г. с.223, рис.6.1).

Недостатком ЖРДУ с насосной подачей топлива является снижение надежности из-за сложности турбонасосного агрегата и затраты массы на газогенератор, турбину, насосы, что снижает массу полезного груза.

Наиболее близкой по технической сущности является ЖРДУ с вытеснительной системой подачи, содержащая баки высокого давления для компонентов химического топлива, камеру сгорания с соплом, топливные магистрали и средства управления (М. В.Добровольский, Жидкостные ракетные двигатели, М. Машиностроение, 1968 г. с.336).

Недостатком прототипа является невозможность использования криогенных топлив, дополнительные затраты массы, связанные с наличием вытеснительной системы подачи вытеснительного газа и более тяжелыми баками для топлива, которые должны выдержать давление наддува газа. Эти недостатки снижают грузоподъемного летательного аппарата, использующего ЖРДУ с вытеснительной системой подачи, ограничивают область их применения и практически не применяются в аппаратах с большими характеристиками скоростями.

В справочнике В.Васильева и др. "Композиционные материалы" М, Машиностроение, 1990, на стр.352, приведена характеристика материалов эквивалентная pV/G, где: σ предел прочности материала на растяжение, r плотность растяжение материала, К_ф коэффициент для композиционных материалов К_ф 3, р рабочее давление, V и G объем и масса емкости.

Задача, на решение которой направлено заявленное изобретение, является повышение надежности, упрощение запуска в условиях невесомости и увеличение относительной грузоподъемности при длительном нахождении в готовности к запуску двигательной установки на газообразных компонентах.

Задача решается тем, что в двигательной установке на газообразных компонентах топливные баки выполнены из материала с характеристикой где σ предел прочности материала на растяжение, r плотность материала, К_ф 3 для баллонов из композиционных материалов,
а также тем, что баки изнутри футерованы газонепроницаемой оболочкой из материала, нейтрального к газообразному компоненту.

Схема РДУ на газообразных компонентах представлена на фиг.1. Она содержит камеру сгорания 1 соплом 2, соединенную топливными магистралями 3 с баками высокого давления 4 и 5, и средства управления 6 и 7.

Двигательная установка работает следующим образом.

После подачи сигнала на запуск от средств управления 7 открываются клапаны 6, и газообразные компоненты топлива под действием давления в баках по топливным магистралям 3 поступают в камеру сгорания 1, где воспламенятся, сгорают, и продукты сгорания истекают из сопла 2, создавая тягу. Выполнение топливных баков из материала с характеристикой дает возможность использовать в РДУ высокоэнергетические компоненты топлива в газообразном состоянии при обычных температурах, например, таких пар, как (H₂ + O₂); (H₂ + F₂; (H₂ + F₂O, что обеспечивает увеличение относительной грузоподъемности летательного аппарата, возможность длительного нахождения в постоянной готовности к запуску. Отсутствие в составе РДУ турбонасосного агрегата, специальных устройств повышает ее надежность. Для запуска в условиях невесомости не требуется специальных систем обеспечения запуска.

Авторами проведена сравнительная оценка положительного эффекта РДУ на газообразных компонентах (газотопливной РДУ) с баками из композиционных материалов с жидкостной РДУ на основе криогенных топлив (блок "Центавр") как наиболее эффективной из существующих.

На графике (см. фиг.2) приведены зависимости относительной грузоподъемности для жидкостной РДУ (кривая 1) и для газотопливной РДУ с баками из композиционных материалов с ω ≥ 50 км.

В жидкостной РДУ переход от традиционных материалов к композиционным при изготовлении баков с характеристикой материалов w 50 км не дает практически прироста относительной грузоподъемности. Количественный скачок в росте относительной грузоподъемности при этом значении w 50 км получается только одновременно с переходом к использованию газообразных компонентов (кривая 2). Этот эффект обусловлен отсутствием в газотопливной РДУ по сравнению с жидкостной РДУ отдельных систем, в частности, агрегатов системы подачи компонентов топлива.

Изменение надежности РДУ носит такой же скачкообразный характер при переходе от жидкостных РДУ к газотопливным и от традиционных материалов к композиционным.

Из характера изменения относительной грузоподъемности выделяется область слева от значения w 50 км, где энергетически целесообразно применять жидкостные РДУ, и справа, где целесообразно применять газотопливные РДУ.

Исключение утечек газообразных компонентов из баков обеспечено путем применения герметизирующих оболочек (футерованием) из материалов, малопроницаемых по отношению к используемым компонентам газообразного топлива.

Например, для герметизации газообразного водорода может быть применена оболочка из алюминия, герметизирующая способность которой для водорода составляет 9,61 · 10^-34 м³ Па/м²c.

Относительная масса потерь газообразногоо водорода, находящегося в баках диаметром 1 м под давлением 400 кгс/см² при толщине герметизирующей оболочки 0,1 мм, за 10 лет не превысит 10^-16.

Формула изобретения

1. Ракетная двигательная установка, содержащая баки высокого давления для компонентов химического топлива, камеру сгорания с соплом, топливные магистрали и средства управления, отличающаяся тем, что, с целью повышения надежности, упрощения запуска в условиях невесомости и увеличения относительной грузоподъемности при длительном нахождении в готовности к запуску двигательной установки на газообразных компонентах, топливные баки выполнены из материала с характеристикой

где σ предел прочности материала на растяжение;
r плотность материала;
K_ф=3 для баллонов из композиционных материалов.

2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что, с целью увеличения ресурса и надежности, баки изнутри футерованы газонепроницаемой оболочкой из материала, нейтрального к газообразному компоненту.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2