Твердотопливная двигательная установка космического аппарата

Полезная модель относится к области ракетно-космической техники и может быть использована при создании твердотопливной двигательной установки (ТДУ) для управляемых космических аппаратов (КА).
Известно использование для управления КА двигательных установок в виде газореактивной системы ориентации (ГРСО) установленной на ракете космического назначения (см. патент RU 2025645 от 30.12.1994). В рассматриваемом патенте ГРСО располагается на сопловом блоке третьей маршевой ступени и содержит газогенераторы, распределители, сопловые блоки и коллекторы. При этом газогенераторы могут быть выполнены твердотопливными, на сжиженном или сжатом газе. Недостатком ДУ является то, что при задействовании газогенераторов по очереди в системе возникают колебания потока продуктов сгорания, что отрицательно сказывается на работоспособности регулирующих и управляющих устройств. Стоит отметить, что изготовление этого ГРСО осуществляется поэлементным монтажом составных частей ГРСО на сопловом блоке, что снижает эксплуатационные характеристики и усложняет монтаж и проведение приемо-сдаточных испытаний.
Известна конструкция твердотопливной двигательной установки (ТДУ) космического аппарата (см. патент RU 2734686), которая по технической сущности и числу совпадающих признаков выбрана в качестве прототипа.
ТДУ содержит в качестве источника рабочего тела твердотопливные газогенераторы (ТТГГ) с герметизирующим узлом, электромагнитные блоки управления и соединяющий их коллектор, а также ресивер-накопитель в виде емкости, установленной на выходе из ТТГГ, и понижающий редуктор, установленный после ресивера-накопителя, и разделяющий коллектор ТДУ на контуры высокого (ВД) и низкого (НД) давления, в каждом из которых установлены датчики давления, связанные электрической связью с системой управления КА. Составные части ТДУ смонтированы на основании в виде пластины, снабженной местами креплениями для установки в КА.
Недостатком описанного ТДУ является неэффективное использование объема ресивера-накопителя, в котором накапливается и стабилизируется давление газа от продуктов горения заряда только после срабатывания ТТГГ. Кроме того, использование одного понижающего редуктора требует отработку его основных узлов (корпуса, пружины и регулирующего органа) на повышенные нагрузки из-за увеличенного диапазона регулирования.
Для выполнения некоторых задач управления КА необходим запас рабочего тела, который недостаточен в существующей и смонтированной ТДУ. Технической задачей, на решение которой направлена настоящая полезная модель, является повышение эффективности ТДУ за счет использования объема ресивера-накопителя до задействования ТТГГ и снижение нагрузки на понижающий редуктор с целью повышения надежности и точности поддержания параметров.
Требуемый технический результат достигается тем, что в известной конструкции ТДУ, содержащей смонтированные на основании и соединенные коллекторами твердотопливные газогенераторы, в качестве источника рабочего тела, ресивер-накопитель, узел понижающий давление, блок датчиков давления, связанных электрической связью с системой управления космическим аппаратом, электромагнитные блоки управления с ресивером-демпфером, что на коллекторе высокого давления установлены заправочный клапан и пуско-отсечной клапан, снабженный пиропатроном, связанным электрической связью с системой управления космическим аппаратом, что ресивер-накопитель, заполненный с избыточным давлением азотом, например, используется в качестве дополнительного источника рабочего тела, что узел понижающий давление, выполнен в виде каскада из двух последовательно соединенных коллектором понижающих редукторов, настроенных каждый на свой диапазон регулирования, при этом вход первого понижающего редуктора связан коллектором с выходом пуско-отсечного клапана, а выход второго понижающего редуктора связан коллектором с входом в ресивер-демпфер электромагнитных блоков управления.
2
2
2
2
Предложенное техническое решение позволяет увеличить запас рабочего тела и улучшить массовое совершенство ТДУ, за счет чего увеличиваются технические возможности двигательной установки, а установка узла понижающего давление, выполненного в виде каскада из двух последовательно соединенных коллектором понижающих редукторов позволит за счет их настройки разбить диапазон работы на два участка, что уменьшит нагрузку на регулирующий орган в каждом из редукторов и повысит надежность и точность поддержания давления в контуре НД. Например, вместо диапазона регулирования давления в одном редукторе от 300 кгс/см до 30 кгс/см. Диапазон регулирования давления в первом редукторе каскада как более нагруженного выполняется от 300 до 100 кгс/см, а во втором от 150 до 30 кгс/см.
Следовательно, каждый существенный признак решает общую задачу повышения эффективности ТДУ.
Сущность предложенной полезной модели поясняется чертежами, которые имеют чисто иллюстрированную цель.
На фиг. 1 показана принципиальная схема ТДУ.
На фиг. 2 показаны варианты компоновки ТДУ (вид сверху).
На фиг. 3 показан вариант компоновки ТДУ (вид спереди).
ТДУ состоит из электромагнитных блоков управления (1) с ресивером-демпфером (2), соединенных коллектором низкого давления (3) с смонтированным на основании (4) узла понижающего давление (5), выполненного в виде каскада из двух последовательно соединенных коллектором понижающих редукторов (13 и 15), настроенных каждый на свой диапазон регулирования. ТТГГ (6), пуско-отсечного клапана (7), ресивера-накопителя (8), и заправочного клапана (9), которые соединены между собой коллектором высокого давления (10). Для контроля уровня давления коллектор низкого давления (3) и коллектор высокого давления (10) соединены с соответствующими блоками датчиков давления (11). Пуско-отсечной (7) и заправочный клапаны (9) имеют типовые конструкции, которые приведены в «Техническом описании изделия 8К14, глава V, заправочные клапаны рис. 5.5 пусковые клапаны рис. 5.7».
ТДУ работает следующим образом.
После монтажа ТДУ в космический аппарат производится заправка ресивера-накопителя (8) азотом. Для этого на входной штуцер заправочного клапана (9) устанавливается приспособление, с помощью которого перемещается конический запорный поршень, открывая проходное сечение выходного штуцера. Азот из наземного баллона высокого давления перетекает в ресивер-накопитель (8). Контроль уровня давления осуществляется по показаниям блока датчиков давления (11), установленным в коллекторе высокого давления (16). После заправки ресивера-накопителя (8) с помощью приспособления перекрывается проходное сечение выходного штуцера заправочного клапана (9). КТДУ готова к работе, при этом узел, понижающий давление (5), выполненный в виде каскада из двух последовательно соединенных коллектором понижающих редукторов (13 и 15), не нагружен давлением. По команде от СУ срабатывает пиропатрон (14) пуско-отсечного клапана (7) и азот из ресивера-накопителя (8) поступает в коллектор высокого давления (16). Высокое давление не передается в камеры сгорания ТТГГ (6), т.к. на входном патрубке ТТГГ установлен герметизирующий узел. Азот по коллектору высокого давления (16) поступает на вход узла понижающего давление (5), который выполнен в виде каскада из двух последовательно соединенных коллектором понижающих редукторов (13 и 15) и истекают через него по трубопроводу низкого давления (3) к электромагнитным блокам управления (1), открывающиеся/закрывающиеся по команде СУ и создающие управляющие усилия для управления КА. Блоки датчиков давления (11) контролирует уровень давления в контуре НД (3) и ВД (10). При падении давления в контуре ВД (10) из-за расхода азота через электромагнитные блоки управления (1) СУ по показаниям блока датчиков давления (11), фиксирующих минимально допустимый уровень давления, подает команду на запуск одного из ТТГГ (6), продукты сгорания которого заполняют ресивер-накопитель (8) и контур ВД (10). При дальнейшем расходовании рабочего тела СУ подает команду на запуск второго ТТГГ (6).
Таким образом, использование в ТДУ заправленного ресивера-накопителя (8) позволяет повысить технические возможности двигательной установки, а применение узла, понижающего давление (5), выполненного в виде каскада из двух последовательно соединенных коллектором понижающих редукторов (13 и 15) повышает надежность и точность поддержания давления в контуре НД.
ТДУ предложенной конструкции планируется использовать при специальных испытаниях КА.