СПОСОБ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ТЕПЛОВОГО РЕЖИМА И ЧИСТОТЫ СРЕДЫ ДЛЯ ПОЛЕЗНОЙ НАГРУЗКИ ПОД СБОРОЧНО-ЗАЩИТНЫМ БЛОКОМ РАКЕТЫ КОСМИЧЕСКОГО НАЗНАЧЕНИЯ И УСТРОЙСТВА ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ (ВАРИАНТЫ)
METHOD TO PROVIDE THERMAL CONDITIONS AND CLEANLINESS OF ENVIRONMENT FOR PAYLOAD UNDER ASSEMBLY-PROTECTION UNIT OF SPACE-MISSION MISSILE AND DEVICES FOR ITS IMPLEMENTATION (VERSIONS)

Изобретение относится к средствам управления параметрами окружающей среды и может быть применено для обеспечения теплового режима и чистоты среды для полезной нагрузки (ПН), располагаемой под головным обтекателем (ГО) сборочно-защитного блока (СЗБ) космической головной части (КГЧ) ракеты космического назначения (РКН) при ее предстартовой подготовке в стартовом устройстве существующих ракет-носителей и ракет-носителей новой разработки, оснащенных наземными системами подготовки и подачи термостатирующего газового компонента с высокой степенью очистки по бортовым магистральным газоводам блоков ракет-носителей (РН).
Известен способ обеспечения чистоты головного блока в составе ракеты космического назначения и устройство для осуществления способа (см. патент РФ №2279375, B64G 1/46, B64G 5/00), включающий подачу газового компонента через верхний рассекатель в головной блок при этом создают в головном блоке избыточное давление газового компонента, подаваемого по транзитному магистральному газоводу РН с последующим его выбросом через люк в нижней части головного блока.
Также известен способ обеспечения теплового режима головного блока в составе РКН и устройство для осуществления способа (см. патент РФ №2293044, B64G 1/46, B64G 5/00), включающий подачу газового компонента через верхний рассекатель в головной блок при этом создают в головном блоке избыточное давление подаваемого газового компонента с последующим его выбросом из головного блока.
Известен способ и устройство обеспечения теплового режима и чистоты головного блока в составе РКН и устройство для осуществления способа (см. патент РФ №2271319, B64G 1/46, B64G 5/00 - прототип), включающий подачу газового компонента через верхний и нижний рассекатели в головной блок при этом в головном блоке создается избыточное давление газового компонента с последующим его выбросом из головного блока.
Недостатками известного технического решения (прототипа), а также вышеописанных способов и устройств являются:
- низкая эффективность обеспечения теплового режима и чистоты среды ПН в составе РКН до ее старта, так как невозможно подать в нижнюю полость сборочно-защитного блока, сообщающуюся с полостью верхней части пристыкованной ракеты-носителя, термостатирующий газовый компонент;
- возможно образование в газовой среде и на поверхностях полезной нагрузки загрязняющих частиц, отделяемых от конструкции ПН в результате прямого воздействия на ПН истекающего из верхнего рассекателя со значительными скоростями потока газового компонента, а также возможного попадания посторонних частиц под сборочно-защитный блок в процессе необходимых для устройства, выбранного авторами в качестве прототипа, демонтажа съемных наземных элементов устройства (подводящие газоводы снаружи КГЧ, крышка на торце головного блока и др.) и последующей установки КГЧ на РКН.
Задачей заявляемых технических решений является повышение эффективности обеспечения теплового режима и чистоты среды для полезной нагрузки под сборочно-защитным блоком ракеты космического назначения.
В заявляемом техническом решении в отличие от известного способа обеспечения теплового режима и чистоты среды для полезной нагрузки под сборочно-защитным блоком ракеты космического назначения, включающем подведение по магистральному газоводу и подачу газового компонента через распылители в верхнюю и нижнюю части СЗБ, создавая при этом избыточное давление, препятствующее проникновению атмосферного воздуха, с последующим его выбросом через отверстия в нижней части сборочно-защитного блока, газовый компонент подводят к верхнему и нижнему распылителям по единому подводящему магистральному газоводу ракеты космического назначения и подают одновременно в одном направлении снизу вверх, при этом рассекатели переменного сечения верхнего распылителя размещают взаимно противоположно, таким образом, что при вдуве газового компонента струи, соударяясь между собой в верхней полости сборочно-защитного блока над полезной нагрузкой и отражаясь от конструкции сборочно-защитного блока, выравнивают поле скоростей газового компонента и создают его равномерно распределенное течение в пространстве вдоль полезной нагрузки и сборочно-защитного блока, при этом расход газового компонента в верхней части сборочно-защитного блока превышает расход газового компонента в его нижней части.
В заявляемом техническом решении, в отличие от известного устройства обеспечения теплового режима и чистоты среды для полезной нагрузки под сборочно-защитным блоком ракеты космического назначения, в котором расположены верхний и нижний распылители с отверстиями, подводящий магистральный газовод и отверстия в нижней части сборочно-защитного блока для сброса газового компонента, верхний распылитель содержит противолежащие рассекатели переменного сечения, расположенные в поперечной плоскости сборочно-защитного блока, которые с одной стороны заглушены, а с другой стороны объединены посредством коллекторов переменного сечения, образующих с рассекателями незамкнутое кольцо, при этом верхний распылитель закреплен на одной из отделяемых створок сборочно-защитного блока, а коллекторы верхнего и нижнего рассекателей сообщены с подводящим магистральным газоводом, который выполнен разъемным в поперечной плоскости отделения створок, при этом отверстия рассекателей верхних и нижних распылителей выполнены со стороны продольной оси в виде щелевых пазов, расположенных под углом к оболочке сборочно-защитного блока, а коллекторы и магистральный газовод снабжены дроссельными шайбами.
В заявляемом техническом решении, в отличие от известного устройства обеспечения теплового режима и чистоты среды для полезной нагрузки под сборочно-защитным блоком ракеты космического назначения, в котором расположены верхний и нижний распылители с отверстиями, подводящий магистральный газовод и отверстия в нижней части сборочно-защитного блока для сброса газового компонента, верхний распылитель содержит противолежащие рассекатели переменного сечения, расположенные в поперечной плоскости сборочно-защитного блока, которые с одной стороны заглушены, а с другой стороны объединены посредством коллекторов переменного сечения, образующих с рассекателями незамкнутое кольцо, при этом верхний распылитель закреплен на одной из отделяемых створок сборочно-защитного блока, а коллекторы верхнего и нижнего рассекателей сообщены с подводящим магистральным газоводом, который выполнен разъемным в поперечной плоскости отделения створок, и при этом отверстия рассекателей верхних и нижних распылителей выполнены со стороны продольной оси в виде щелевых пазов, расположенных под углом к оболочке сборочно-защитного блока, а коллекторы и магистральный газовод снабжены дроссельными шайбами, при этом нижний распылитель выполнен аналогичным верхнему, а в зоне размещения нижнего распылителя выполнено дополнительно отверстие для сброса газового компонента, причем в шпангоуте крепления полезной нагрузки выполнены отверстия для сообщения полостей сборочно-защитного блока.
Сущность технического решения поясняется чертежами:
Фиг.1 - представлен общий вид устройства обеспечения теплового режима и чистоты среды сборочно-защитного блока по первому варианту;
Фиг.2 - представлено сечение А-А с фиг.1 (конструктивное исполнение распылителя);
Фиг.3 - представлен выносной элемент Б с фиг.2 (конструктивное исполнение коллектора, показаны установленные дроссельные шайбы с диаметрами проходного сечения d1, d2, d3, d4, d5 и подводящие участки);
Фиг.4 - представлен вид по стрелке В с фиг.2 (конструктивное исполнение магистрального газовода, показаны установленные дроссельные шайбы с диаметрами проходных сечений d6, d7);
Фиг.5 - представлено сечение Г-Г с фиг.2 (показана конструктивная реализация изменения сечения рассекателя, показано отверстие в рассекателе, выполненное в виде паза длинной L);
Фиг.6 - представлен выносной элемент Д с фиг.1 (показано соединение разъемного газовода);
Фиг.7 - представлен выносной элемент Е с фиг.1 (показан пример исполнения рассекателя нижнего распылителя);
Фиг.8 - представлено сечение Ж-Ж с фиг.1 (показано отверстие в рассекателе, выполненное в виде паза длинной L);
Фиг.9 - представлен общий вид устройства обеспечения теплового режима и чистоты среды сборочно-защитного блока по второму варианту.
Фиг.10 - представлен выносной элемент И с фиг.9 (конструктивное исполнение отверстия для перетекания газового компонента между верхней и нижней частями сборочно-защитного блока).
1-й вариант устройства обеспечения теплового режима и чистоты среды для полезной нагрузки 1 под сборочно-защитным блоком 2 ракеты космического назначения 3, содержит верхний и нижний распылители 4 и 5 с отверстиями 6 (фиг.5, 7, 8), подводящий магистральный газовод 7 (фиг.1, 4) и отверстия 8 в нижней части СЗБ 2 для сброса газового компонента (фиг.1). Верхний распылитель 4 содержит противолежащие рассекатели 9 (фиг.2, 3) переменного сечения, расположенные в поперечной плоскости 10 сборочно-защитного блока 2 (фиг.1, 5, 9) которые с одной стороны заглушены, а с другой стороны объединены посредством коллекторов 11 переменного сечения, образующих с рассекателями 9 незамкнутое кольцо (фиг.1, 2, 3, 4).
Верхний распылитель 4 закреплен на одной из отделяемых створок сборочно-защитного блока 2, а кольцевой коллектор 11 (фиг.2) и коллектор 12 (фиг.7) нижнего распылителя 5 сообщены с подводящим магистральным газоводом 7, который выполнен разъемным по разъемному соединению 13 (фиг.6), в поперечной плоскости 14 отделения створок СЗБ 2 (фиг.1, 2, 6).
Конструктивное исполнение распылителя 4 в виде незамкнутого кольца, образуемого рассекателями 9 и коллекторами 11, позволяет разместить распылитель 4 вокруг верхней части ПН 1 с габаритами D1 меньшими размера D2 «незамкнутости» кольца и обеспечить при этом его безударное отделение со створкой СЗБ 2 от ПН 1 при полете РКН 3 (фиг.1, 2).
Для более равномерного распределения газового компонента рассекатели 9 верхнего распылителя 4 расположены симметрично относительно продольной плоскости проходящей по оси СЗБ (фиг.2).
Для подачи газового компонента с пониженными расходами рассекатель 15 нижнего распылителя 5 может быть выполнен, например, в виде прямого заглушенного с одного конца цилиндрического коллектора постоянного сечения с отверстиями 6, соединенного другим концом через коллектор 12 с подводящим магистральным газоводом 7 (фиг.7, 8).
Отверстия 6 верхнего 4 и нижнего 5 распылителей выполнены в виде щелевых пазов и расположены соответственно под углами α и β к оболочке сборочно-защитного блока (фиг.5, 8).
Коллекторы 11 и 12, а также магистральный газовод 7 снабжены дроссельными шайбами 16 (фиг.3, 4, 7).
Диаметры d1-d5 отверстий дроссельных шайб 16, количество дроссельных шайб 16, диаметры соответствующих сечений кольцевого коллектора 11, а также диаметры d6, d7 отверстий дроссельных шайб 16 в магистральном газоводе 7 определяются условием обеспечения требуемого расхода газового компонента на выходе из отверстий 6, выполненных в виде щелевых пазов, рассекателей 9 при одновременном снижением давления газового компонента практически до атмосферного на входе в рассекатели 9 и докритической скорости его течения, что позволяет значительно уменьшить акустическое давление на полезную нагрузку 1 и снизить возможность образования и попадания загрязняющих частиц в газовую среду для ПН 1 (фиг.2, 3. 4).
2-й вариант в заявленном устройстве обеспечения теплового режима и чистоты среды для полезной нагрузки 1 под сборочно-защитным блоком 2 ракеты космического назначения 3 имеет нижний распылитель 5, выполненный аналогичным верхнему 4, при этом в зоне размещения нижнего распылителя 5 выполнено дополнительно отверстие 17 (фиг.9) для сброса газового компонента, а в шпангоуте 18 крепления полезной нагрузки 1 выполнены отверстия 19 для сообщения полостей сборочно-защитного блока 2 (фиг.9, 10).
Способ обеспечения теплового режима и чистоты среды для полезной нагрузки 1 под сборочно-защитным блоком 2 ракеты космического назначения 3, включающий подведение по магистральному газоводу 7 и подачу газового компонента через распылители 4 и 5 в верхнюю и нижнюю части сборочно-защитного блока 2 создавая при этом в нем избыточное давление, препятствующее проникновению атмосферного воздуха, с последующим его выбросом через отверстия 8 в нижней части сборочно-защитного блока 2, иллюстрируется схемой течения газового компонента на устройствах (фиг.1 и 9).
Газовый компонент подводят к верхнему и нижнему распылителям 4 и 5 по единому подводящему магистральному газоводу 7 ракеты космического назначения 3 и подают одновременно в одном направлении снизу вверх, при этом рассекатели 9 переменного сечения верхнего распылителя 4 размещают взаимно противоположно, таким образом, что при вдуве газового компонента струи, соударяясь между собой в верхней полости сборочно-защитного блока 2 над полезной нагрузкой 1 и отражаясь от конструкции створок сборочно-защитного блока 2, теряют кинетическую энергию и растекаются по всему объему конусной части СЗБ 2, что приводит к выравниванию поля скоростей газового компонента и его равномерному распределенному интерференционному течению в пространстве вдоль полезной нагрузки 1 и сборочно-защитного блока 2.
При равномерно распределенном интерференционном обтекании ПН 1 на внутренней поверхности СЗБ 2 создаются условия обтекания газовым компонентом с равномерными минимальными скоростями, что обеспечивает минимальные значения конвективных тепловых потоков от поверхности СЗБ 2 к газовому компоненту вдоль высоты ПН 1, что приводит к снижению тепловых потерь газового компонента, а также к отсутствию застойных зон вдоль ПН 1 с низкой эффективностью термостатирования газовой средой.
Внутри нижней части сборочно-защитного блока 2 струи газового компонента, подаваемого через распылитель 5, направлены на ПН 1, тем самым создается область термостатированного воздуха с необходимой температурой, которая отделяет ПН 1 от температурного влияния элементов РКН 3.
Расход газового компонента в верхней части сборочно-защитного блока 2 превышает расход газового компонента в его нижней части (см. фиг.1 и 9).
Это обусловлено большими тепловыми потерями газового компонента в верхней части СЗБ 2 при конвективном теплообмене с поверхностью СЗБ 2 из-за большей поверхности теплообмена по сравнению с нижней частью СЗБ 2.
СЗБ
ГО
П×О
Расходы газового компонента в СЗБ 2 составляют: m=0,5 кг/с, в ГО и Пхо m=0,32 кг/с и m=0,18 кг/с соответственно, а в качестве газового компонента используется очищенный воздух с чистотой М6.5 (10000) по федеральному стандарту 209Е США или термостатированный воздух, соответствующий 8 классу ИСО по ГОСТ ИСО 14644-1-2002. Достаточность данных значений расходов для обеспечения температурного режима среды вокруг ПН 1 подтверждена нашим предприятием при проведении запусков широкой номенклатуры ПН 1. При необходимости, значения расходов могут быть изменены. Для уменьшения разности значений температуры газового компонента вдоль высоты ПН 1 при обтекании суммарный расход может быть увеличен выше 0,5 кг/с до максимального значения, которое определяется пропускной способностью магистрального трубопровода 7 РКН 3.
В первом варианте устройства сброс газового компонента в окружающую атмосферу производят через отверстия 8 в нижней части СЗБ 2. Расположение дренажных отверстий 8 по высоте выбрано из условия обеспечения допустимых тепловых потерь газового компонента при обеспечении требуемых температурных условий газовой среды для ПН 1 в верхней и нижней частях СЗБ 2. При этом газовый компонент, подаваемый через нижний распылитель 5 термостатирует как нижнюю, так и верхнюю полость СЗБ 2.
Во втором варианте устройства, из-за меньшей площади теплообмена газового компонента с поверхностью верхней части СЗБ 2 тепловые потери газового компонента меньше, чем в первом варианте. Сброс в атмосферу газового компонента, подаваемого через верхний распылитель, проводится в нижней части СЗБ 2 через отверстие 8. При этом для обеспечения температурных условий ПН 1 в полости СЗБ 2 ниже отверстий 8, а также создания условий для более равномерного обтекания ПН 1 по окружности, часть расхода газового компонента от верхнего распылителя 4 отводится через ряд отверстий 19 в шпангоуте 18 крепления ПН 1, который выступает в виде перегородки между верхней и нижней полостями СЗБ 2. При этом варианте полость СЗБ 2 термостатируется только газовым компонентом, подаваемым в верхний распылитель 4. Для обеспечения перетекания газового компонента из верхней полости СЗБ 2 в нижнюю полость, а также выхода газового компонента, подаваемого через нижний распылитель 5 в окружающую атмосферу на оболочке СЗБ 2 в месте расположения нижнего распылителя 5, выполнено дополнительное отверстие 17.
Таким образом, заявленное техническое решение позволяет повысить эффективность теплового режима и чистоты среды для полезной нагрузки в период подготовки ракеты космического назначения к старту.