Способ термостатирования объектов ракеты-носителя и бортовая система для его реализации

Изобретения относятся к термостатированию объектов (полезного груза, системы управления и др.), размещенных в головном блоке (ГБ) ракеты-носителя в ходе ее предстартовой подготовки. Способ предусматривает вдув термостатирующей среды (ТС) вдоль обтекателя ГБ в его продольной плоскости или в плоскости, расположенной под углом к ней. При этом вектор скорости потока ТС направляют в сторону только верхней или только нижней части ГБ. Одновременно поток ТС направляют в перпендикулярных к этим плоскостям, противоположных относительно оси симметрии ГБ, окружных направлениях. Этим обеспечивают благоприятное изменение скорости закрученной ТС и ее перетекание по длине ГБ. В бортовой системе термостатирования диффузор выполнен с возможностью поворота относительно оси его симметрии и связан с оболочкой ГБ посредством разъемного соединения. При этом диффузор установлен так, что плоскость его симметрии находится в плоскости симметрии ГБ, проходящей через оси симметрии ГБ и диффузора, или под углом к ней. Технический результат изобретения направлен на создание бортовой системы термостатирования с высокими эксплуатационными характеристиками для объектов различной конфигурации и назначения, размещаемых в ГБ ракеты-носителя. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 14 ил.

 

Изобретение относится к ракетно-космической технике, а именно к воздушной бортовой системе термостатирования (БСТ) объектов ракеты носителя (РН), например приборов системы управления (СУ) или полезного груза (ПГ), размещенных в головном блоке (ГБ) РН, и предназначено для обеспечения конструктивной прочности объектов, имеющих различную конфигурацию и назначение, при их термостатировании в период предстартовой подготовки ГБ РН.

Известен способ термостатирования, например, приборов СУ, размещенных в ГБ РН, включающий вдув термостатирующей среды (ТС) в ГБ, ее перетекание по длине ГБ с последующим истечением из него, при котором обеспечивают тепловой режим функционирования приборов СУ в период предстартовой подготовки ГБ. При этом вдув ТС в ГБ осуществляют с температурой и расходом ТС, соответствующими температуре в наиболее теплонапряженных зонах приборов СУ, которую контролируют в процессе работы приборов [1].

Недостаток этого технического решения - не обеспечивается упорядоченное течение ТС в ГБ, что приводит к неопределенности распределения скоростей и температур ТС по поверхности приборов СУ, необходимости выявления наиболее теплонапряженных зон приборов и необоснованно большим расходам ТС в процессе термостатирования.

Известно устройство для термостатирования приборов СУ, размещенных в ГБ РН, содержащее отверстие вдува и отверстие истечения ТС, выполненные в обтекателе ГБ. Отверстие вдува сообщено магистралью питания ТС с воздушной системой обеспечения теплового режима (ВСОТР), обеспечивающей эксплуатационные параметры вдува в ГБ [2].

Недостаток этого технического решения - несовершенство его конструктивно-компоновочной схемы из-за отсутствия в нем устройства вдува (УВ), обеспечивающего перетекание ТС в заданном направлении с расчетными скоростями, что приводит к неупорядоченному течению ТС в ГБ.

Известен способ термостатирования ПГ РН морского базирования, размещенного в блоке полезного груза (БПГ), включающий вдув ТС в БПГ, перетекание ТС по его длине с последующим истечением из БПГ, при этом вдув ТС в БПГ осуществляют так, чтобы вектор скорости был направлен в осевом направлении [3].

Недостаток этого технического решения заключается в том, что вдув ТС только в осевом направлении не исключает возникновения местных локальных теплонапряженных зон на поверхности ПГ, имеющего сложную геометрическую форму, что снижает надежность термостатирования ПГ. Это приводит, также как в предыдущем техническом решении, к необходимости определения локальных теплонапряженных зон ПГ, что увеличивает объем работ по термостатированию ПГ. Тем самым ограничивают эксплуатационные возможности способа.

Известна также БСТ ПГ, размещенного в БПГ РН морского базирования, содержащая отверстие вдува ТС, отверстия ее истечения в обтекателе БПГ, клапаны одностороннего действия отверстий вдува и истечения ТС, шарнирно установленные в обтекателе БПГ.

БСТ включает УВ ТС, размещенное в верхней части БПГ и выполненное в виде распылителя с отверстиями истечения ТС, обеспечивающими обтекание ПГ в осевом направлении. Распылитель соединен магистралью подвода ТС с отверстием вдува ТС в обтекателе БПГ [4].

Недостаток этого технического решения - увеличенный вес конструкции БСТ за счет распылителя УВ и магистрали подвода ТС к нему, размещенной в БПГ, что приводит к перетяжелению конструкции и потере в массе ПГ, выводимого РН на орбиту искусственного спутника Земли (ОИСЗ).

Тем самым ухудшают конструктивно-компоновочные характеристики БСТ.

Известен также способ термостатирования ПГ РН наземного базирования, размещенного под обтекателем ГБ РН, включающий вдув ТС в ГБ, перетекание ТС по его длине с последующим истечением из ГБ, в процессе которых обеспечивают тепловой режим функционирования ПГ во время предстартовой подготовки ГБ РН. Вдув ТС в ГБ осуществляют над ПГ одновременно вдоль обтекателя ГБ в продольной плоскости, проходящей через ось симметрии блока, и в перпендикулярном к этой плоскости направлении так, чтобы векторы скоростей вдуваемой ТС вдоль обтекателя ГБ были направлены в сторону верхней и нижней частей ГБ, а вектор скорости ТС в указанном перпендикулярном направлении был направлен в окружном относительно оси симметрии блока направлении, обеспечивая закрутку с перетеканием ТС в ГБ [5].

Недостаток этого технического решения - также ограниченные эксплуатационные возможности способа, обусловленные формированием скорости обтекания ПГ в ГБ при его термостатировании, допустимой по условиям прочности элементов ПГ, именно для данной или близкой к ней конфигурации и назначения.

Техническое решение [5] наиболее близко к предлагаемому и принято авторами за прототип способа термостатирования объектов РН.

Известна также БСТ ПГ, размещенного в ГБ РН наземного базирования, содержащая отверстие вдува ТС, отверстия ее истечения в обтекателе ГБ, клапаны одностороннего действия отверстий вдува и истечения ТС, шарнирно установленные в обтекателе ГБ, а также УВ ТС в ГБ [5].

УВ ТС в ГБ выполнено в виде дозвукового диффузора, имеющего форму замкнутой симметричной емкости, с входным и тремя выходными отверстиями, находящимися в плоскостях, перпендикулярных плоскости расположения входного отверстия диффузора, причем два выходных отверстия расположены во взаимно перпендикулярных плоскостях. В диффузоре соосно с зазором относительно друг друга установлены направляющие тарели, образующие каналы перетекания ТС, сообщающие входное и выходные его отверстия. Диффузор установлен над ПГ вблизи обтекателя ГБ так, что его входное отверстие сообщено с отверстием вдува в обтекателе, а одно выходное отверстие находится в плоскости, параллельной продольной плоскости, проходящей через оси симметрии блока и диффузора. Тем самым обеспечивается закрутка и перетекание ТС в окружном, относительно оси ГБ, направлении.

Недостаток этого технического решения заключается в том, что в диффузоре БСТ выходные его отверстия ориентированы относительно обтекателя ГБ и ПГ таким образом, что обеспечивается однозначное формирование скорости обтекания ПГ заданной конструкции, что ограничивает эксплуатационные возможности БСТ для ПГ различной конфигурации и назначения, имеющего различные прочностные характеристики.

Техническое решение [5] наиболее близко к предлагаемому и принято авторами за прототип БСТ.

Задачей изобретения является расширение эксплуатационных возможностей способа термостатирования применительно к объектам, имеющим различную конфигурацию и назначение, размещенным в ГБ РН, и усовершенствование БСТ для его реализации при термостатировании этих объектов в период предстартовой подготовки ГБ РН.

Задача решается тем, что в способе термостатирования объектов РН, размещенных под обтекателем ГБ, включающем вдув ТС в ГБ, ее перетекание по длине блока с последующим истечением из блока, при котором вдув ТС осуществляют над объектом вдоль обтекателя блока в продольной плоскости, проходящей через ось симметрии блока, и одновременно в перпендикулярном к этой плоскости направлении, согласно изобретению, вдув ТС в указанном перпендикулярном направлении осуществляют так, чтобы векторы скоростей вдуваемой ТС были направлены в двух противоположных относительно оси симметрии блока окружных направлениях, а вдув вдоль обтекателя блока осуществляют только в сторону верхней или нижней части блока так, чтобы вектор скорости ТС был направлен вдоль упомянутой продольной плоскости или под углом к этой плоскости, обеспечивая изменение скорости закрученной ТС и ее перетекание по длине ГБ при термостатировании объектов различной конфигурации и назначения.

Задача решается также тем, что в БСТ объектов РН, размещенных под обтекателем ГБ, содержащей отверстие вдува ТС, отверстия истечения ТС в обтекателе ГБ, клапаны одностороннего действия отверстий вдува и истечения ТС, шарнирно установленные в обтекателе блока, дозвуковой диффузор для вдува ТС в ГБ, имеющий форму замкнутой симметричной емкости, с входным и тремя выходными отверстиями, находящимися в плоскостях, перпендикулярных плоскости расположения входного отверстия диффузора, в котором два выходных отверстия расположены во взаимно перпендикулярных плоскостях, и в нем с зазором относительно друг друга установлены направляющие тарели, образующие каналы перетекания ТС, сообщающие входное и выходные отверстия диффузора, при этом диффузор установлен над объектом вблизи обтекателя блока, и его входное отверстие сообщено с отверстием вдува в обтекателе, согласно изобретению, упомянутый диффузор выполнен поворотным, с возможностью поворота относительно оси симметрии диффузора, проходящей через центр входного отверстия диффузора, связан с оболочкой блока посредством разъемного соединения и установлен так, что плоскость его симметрии находится в плоскости симметрии блока, проходящей через оси симметрии блока и диффузора, или под углом к этой плоскости, чем обеспечивается изменение скорости закрученной ТС и ее перетекание по длине ГБ при термостатировании объектов различной конфигурации и назначения.

Разъемное соединение диффузора с оболочкой блока может быть выполнено в виде, например, фланцевого соединения или байонетного соединения.

Заявленные признаки БСТ в составе с поворотным относительно своей оси диффузором с возможностью изменения углов поворота диффузора в указанном диапазоне обеспечивают, согласно способу, изменение скорости закрученной ТС и ее перетекание по длине ГБ при термостатировании объектов различной конфигурации и назначения.

Это позволяет сделать вывод, что заявленные изобретения связаны между собой единым изобретательским замыслом.

Заявленный способ может быть также реализован в БСТ в составе с дискретными патрубками с заданной ориентацией их выходных отверстий в ГБ.

Техническим результатом изобретения является обеспечение заданных скоростей обтекания объектов при термостатировании ГБ в период его предстартовой подготовки.

Сокращаются также материальные затраты на проектирование и создание БСТ за счет использования комплектующих известной БСТ для решения поставленной задачи.

Задача решается на примере термостатирования разрабатываемого на предприятии ПГ, размещенного в ГБ РН, имеющего конфигурацию, отличающуюся от прототипа.

На фиг.1 приведена схема термостатирования ПГ (показан условно в габаритах) при вдуве ТС с вектором скорости V₁, направленным в сторону верхней части ГБ, и векторами скоростей V₂ и V₃, направленными в двух противоположных относительно оси симметрии ГБ окружных направлениях, выделен фрагмент обтекателя ГБ с диффузором (узел I, фиг.13), показаны основные элементы диффузора и система координат OXYZ, связанная с диффузором.

На фиг.2 приведена схема термостатирования ПГ, аналогичная приведенной на фиг.1, но при вдуве ТС с вектором скорости V₁, направленным в сторону нижней части ГБ (узел I, фиг.14).

На фиг.3, 4 и 5 (см. также вид по стрелке А на фиг.1) показано направление векторов V₁, V₂ и V₃ ТС, вдуваемой в ГБ, с вектором скорости V₁, направленным в сторону верхней части ГБ при угле φ=90° (фиг.3), углах φ, лежащих в диапазоне 0<φ<90° (фиг.4), и угле φ=0 (фиг.5, прототип) соответственно.

На фиг.6 и 7 приведены данные, аналогичные приведенным на фиг.3 и 4, но с вектором скорости V₁, направленным в сторону нижней части ГБ.

На фиг.8 и 9 иллюстрируется изменение скоростей обтекания ПГ в его продольной (фиг.8) и поперечной (фиг.9) плоскостях при угле поворота диффузора φ=90° и вектором скорости V₁, направленным в сторону нижней части ГБ.

На фиг.10 и 11 приводятся данные, аналогичные приведенным на фиг.8 и 9, но при φ=0 (прототип) с векторами скоростей V₁ и V₂, лежащими в продольной плоскости и направленными в сторону верхней и нижней частей ГБ.

На фиг.12 иллюстрируется сравнительное изменение температуры ТС в поперечном сечении ПГ при углах φ=90° и φ=0.

На этих чертежах:

1 - полезный груз (ПГ);

2 - обтекатель;

3 - диффузор;

4 - отверстие вдува;

5 - отверстия истечения;

6 - перегородка;

7 - клапан отверстия вдува;

8 - клапаны отверстий истечения;

9 - входное отверстие;

10 - первое выходное отверстие;

11 - второе выходное отверстие;

12 - третье выходное отверстие;

13 - тарели;

14 - переходной элемент;

15 - магистраль питания;

16 - плоскость симметрии ГБ, проходящая через оси симметрии ГБ и диффузора;

17 - плоскость, расположенная под углом φ к плоскости симметрии ГБ, проходящая через ось симметрии диффузора;

φ - угол поворота диффузора.

БСТ ПГ 1 (фиг.1, 2), размещенного под обтекателем 2 ГБ, содержит диффузор 3, отверстие вдува 4, отверстия истечения 5, выполненные в обтекателе 2 ГБ вблизи его основания или в перегородке 6, если она входит в состав ГБ. В отверстии вдува 4 установлен клапан отверстия вдува 7, в отверстиях истечения 5 могут быть установлены клапаны отверстий истечения 8. Все клапаны - одностороннего действия, и они шарнирно установлены в отверстии вдува 4 и отверстиях истечения 5 ТС.

Диффузор 3 (узел I) выполнен в виде замкнутой емкости эллипсоидной формы с входным отверстием 9, первым выходным отверстием 10, вторым выходным отверстием 11 и третьим выходным отверстием 12. Выходные отверстия 10, 11, 12 расположены в плоскостях, перпендикулярных плоскости расположения входного отверстия 9. При этом второе выходное отверстие 11 и третье выходное отверстие 12 расположены в плоскостях, перпендикулярных плоскости расположения первого выходного отверстия 10.

В диффузоре 3 с зазором между собой установлены направляющие тарели 13, образующие каналы перетекания ТС, сообщающие его входное отверстие 9 с первым, вторым и третьим выходными отверстиями 10, 11 и 12. Направляющие тарели 13 обеспечивают перетекание ТС в заданном направлении с дозвуковыми расчетными скоростями истечения ТС в выходных отверстиях диффузора.

Диффузор 3 выполнен поворотным с возможностью поворота на заданный угол φ относительно оси симметрии диффузора X, проходящей через центр его входного отверстия 9, для чего он снабжен переходным элементом 14 для связи диффузора 3 с обтекателем 2 ГБ.

Переходный элемент 14 имеет канал перетекания, сообщающий его входное отверстие 9 с отверстием вдува 4 в обтекателе 2 ГБ и может быть выполнен, например, в виде фланцевого или байонетного соединения.

Диффузор 3 установлен над ПГ 1 вблизи обтекателя 2 ГБ (см. также узел I) так, что его входное отверстие 9 сообщено с отверстием вдува 4 в обтекателе 2, первое выходное отверстие 10 направлено в сторону верхней (фиг.1) либо нижней (фиг.2) части ГБ, а второе и третье выходные отверстия 11, 12 находятся в плоскостях, нормальных плоскости расположения первого выходного отверстия 10.

Таким образом обеспечивается поворот диффузора относительно оси ОХ, на заданный угол φ, который определяется неравенством

0<φ≤90°,

где φ [град] - угол поворота плоскости симметрии диффузора, отсчитываемый от плоскости, нормальной к плоскости симметрии блока, проходящей через оси симметрии блока и диффузора, в сторону верхней или нижней части блока.

Термостатирование ПГ 1 осуществляют следующим образом.

Предварительно открывают подпружиненный клапан отверстия вдува 7 и сообщают отверстие вдува 4 с магистралью питания 15 ТС ВСОТР (см. фиг.1, 2). В течение времени предстартовой подготовки ГБ РН, при котором обеспечивают тепловой режим функционирования ПГ 1, осуществляют вдув ТС в ГБ со штатными расходами и температурами ТС на входе в отверстие вдува 4 обтекателя 2 ГБ.

В замкнутом объеме диффузора 3 ТС частично тормозится и изменяет направление течения в сторону первого, второго и третьего выходных отверстий 10, 11 и 12.

Для реализации поставленной задачи вдув ТС в ГБ осуществляют через первое выходное отверстие 10 диффузора с вектором скорости V₁ так, чтобы вектор скорости V₁ ТС был направлен в сторону только верхней части ГБ (фиг.1) или нижней части ГБ (фиг.2) в плоскости симметрии ГБ, проходящей через оси симметрии ГБ и диффузора 16 (фиг.3, фиг.6), либо в плоскости, расположенной под углом φ к плоскости симметрии ГБ, проходящей через ось симметрии диффузора 17 (фиг.4, фиг.7).

Одновременно осуществляют вдув ТС в перпендикулярных к указанным плоскостям направлениях через второе выходное отверстие 11 и третье выходное отверстие 12 соответственно с векторами скоростей V₂ и V₃ так, чтобы векторы скоростей V₂ и V₃ ТС были направлены во встречных, окружных относительно оси симметрии ГБ, направлениях.

Таким образом, в отличие от технического решения [5], согласно которому вдув ТС в ГБ осуществляют с векторами скоростей V₂ и V₃ ТС, направленными вдоль внутренней поверхности обтекателя 2 в плоскости симметрии 16 ГБ одновременно в сторону верхней и нижней частей ГБ, а также с вектором скорости V₁, направленным перпендикулярно векторам V₂ и V₃ (см. фиг.5), согласно изобретению осуществляют торможение закрученной относительно оси симметрии ГБ ТС и ее перетекание по длине ГБ.

Взаимодействуя с обтекателем 2, ТС образует интерференционное течение, обеспечивающее обтекание ПГ 1 с эксплуатационными скоростями и температурами нагрева поверхности ПГ 1, не превышающими допустимых из условий прочности и работоспособности элементов ПГ 1 при полете РН.

Через отверстия истечения 5 с клапанами отверстий истечения 8 ТС истекает в окружающую атмосферу.

Перед стартом РН подачу ТС и термостатирование ПГ 1 прекращают. При этом магистраль питания 15 ТС отводят, подпружиненный клапан отверстия вдува 7 и клапаны отверстий истечения 8 перекрывают соответственно отверстие вдува 4 и отверстия истечения 5 в обтекателе 2 ГБ.

Проведенное математическое моделирование течения ТС в диффузоре 3 и каналах ГБ показало, что вдув ТС с векторами скоростей V₁, V₂ и V₃ так, как указано выше, через отверстия диффузора, установленного в указанном диапазоне изменения угла φ, обеспечивает уменьшение скорости обтекания ПГ заданной конфигурации, что иллюстрируется полями изменения скоростей ТС в окрестности ПГ при угле φ=90° (фиг.8 и фиг.9) по сравнению с прототипом (фиг.10 и фиг.11), что соответствует требованиям, вытекающим из условий прочности и работоспособности ПГ анализируемой конфигурации.

Из сопоставления этих фигур также следует, что по сравнению с прототипом (φ=0) исключаются зоны локального повышения скоростей около ПГ, которые могут привести к нештатным нагрузкам на элементы ПГ.

Проведенный анализ изменения температур около ПГ в указанном диапазоне изменения угла φ не приводит к изменению температур в окрестности ГБ (фиг.12).

Анализ изменения скоростей и температур обтекания ПГ, аналогичный приведенному выше, но со вдувом ТС, направленным в сторону верхней части ГБ с вектором скорости V₁ (фиг.1), показал, что как и в случае со вдувом ТС, направленным в сторону нижней части ГБ с вектором скорости V₁ (фиг.2), также уменьшаются скорости обтекания ПГ и не изменяются температуры в его окрестности.

Таким образом, расширяют диапазон эксплуатационных скоростей обтекания ПГ термостатирующей средой при постоянной температуре обтекания ПГ, обеспечивая термостатирование ПГ. При этом используют диффузор известной конструкции, уменьшая материальные затраты на его проектирование и изготовление, что приводит к выполнению поставленной задачи - расширению эксплуатационных возможностей способа термостатирования ПГ различной конфигурации и назначения и БСТ для его реализации.

В настоящее время техническое решение принято для реализации на одном из вариантов ГБ для РН наземного базирования, по нему выпускается рабочая документация.

Техническое решение может быть также реализовано для ПГ, размещенного в БПГ РН морского базирования.

Литература

1. "Космодром", под ред. проф. А.П.Вольского, ВИ МО СССР, М., 1977, стр.204, 210-212.

2. "Космодром", под ред. проф. А.П.Вольского, ВИ МО СССР, М., 1977, стр.211, рис.6.2.

3. Патент РФ 2279377.

4. Патент РФ 2279377, стр.8.

5. Патент РФ 2359878 С2.

1. Способ термостатирования объектов ракеты-носителя, размещенных под обтекателем головного блока, включающий вдув термостатирующей среды в головной блок, ее перетекание по длине блока с последующим истечением из блока, при котором вдув термостатирующей среды осуществляют над объектом вдоль обтекателя блока в продольной плоскости, проходящей через ось симметрии блока, и одновременно в перпендикулярном к этой плоскости направлении, отличающийся тем, что вдув термостатирующей среды в указанном перпендикулярном направлении осуществляют так, чтобы векторы скоростей вдуваемой термостатирующей среды были направлены в двух противоположных относительно оси симметрии блока окружных направлениях, а вдув вдоль обтекателя блока осуществляют только в сторону верхней или нижней части блока так, чтобы вектор скорости термостатирующей среды был направлен вдоль упомянутой продольной плоскости или под углом к этой плоскости.

2. Бортовая система термостатирования объектов ракеты-носителя, размещенных под обтекателем головного блока, содержащая отверстие вдува термостатирующей среды, отверстия истечения термостатирующей среды в обтекателе головного блока, клапаны одностороннего действия отверстий вдува и истечения термостатирующей среды, шарнирно установленные в обтекателе блока, дозвуковой диффузор для вдува термостатирующей среды в головной блок, имеющий форму замкнутой симметричной емкости с входным и тремя выходными отверстиями, находящимися в плоскостях, перпендикулярных плоскости расположения входного отверстия диффузора, в котором два выходных отверстия расположены во взаимно перпендикулярных плоскостях и с зазором относительно друг друга установлены направляющие тарели, образующие каналы перетекания термостатирующей среды, сообщающие входное и выходные отверстия диффузора, при этом диффузор установлен над объектом вблизи обтекателя блока, и его входное отверстие сообщено с отверстием вдува в обтекателе, отличающаяся тем, что упомянутый диффузор выполнен с возможностью поворота относительно оси симметрии диффузора, проходящей через центр входного отверстия диффузора, связан с оболочкой блока посредством разъемного соединения и установлен так, что плоскость его симметрии находится в плоскости симметрии блока, проходящей через оси симметрии блока и диффузора, или под углом к этой плоскости.

3. Бортовая система термостатирования объектов ракеты-носителя по п.2, отличающаяся тем, что разъемное соединение диффузора с оболочкой блока выполнено в виде фланцевого соединения.