СИСТЕМА ДОЗАПРАВКИ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ ТОПЛИВОМ НА ОРБИТЕ

Система дозаправки космических аппаратов топливом на орбите
Полезная модель относится к транспортным, авиационным и космическим системам, в частности к системам обеспечения нормального функционирования космических аппаратов (КА) и основана на дозаправке КА топливом, необходимым для ориентации и корректировки орбиты КА.
Сегодня NASA планирует начать тестирование технологии дозаправки топливом КА на орбите, используя для этого Международную космическую станцию (МКС). Для этого создан проект RRM (проект по автоматической дозаправке), направленный на будущее космонавтики, ведь без возможности использования ресурсов, которые к нашим услугам в космосе, и технологий для их использования, человеку придется намного дороже платить за исследование космоса.
Основная техническая задача проекта RRM - понять, какие технологии потребуются для заправки, ремонта спутников на геостационарной орбите. При этом топливо, необходимое для поддержания орбиты, составляет лишь очень малую часть и не сравнимо с тем, которое тратится на выведение. Его восполнение - огромная экономия средств. По проекту RRM запланирован общий этап проверки технологии заправки. В нем будут участвовать канадский манипулятор Dextre (механическая рука) и американский модуль RRM, при этом работа будет проводиться в ручном режиме под управлением Земли, используя для этого МКС.
В настоящее время перед специалистами NASA стоит вопрос об «оживлении» некоторых спутников, которые перестали функционировать и попытке дозаправки их топливом, конструкция которых изначально не была предусмотрена для дозаправки. Поэтому в настоящее время возникла необходимость делать заливные горловины вновь создаваемых КА унифицированными, которые могли бы обеспечить заправку топливом на Земле перед стартом и дозаправку на орбите. Представленная полезная модель соответствует этому требованию.
Заправка на орбите значительно расширяет возможности и круг решаемых задач КА для создания импульсов тяги, необходимых как для перемещения центра масс КА (коррекция траектории движения, торможение КА 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 КА в пространстве создаются с помощью реактивных двигателей, величины тяг которых в зависимости от их назначения изменяются в широких пределах.
2.5 Известны различные способы заправки на орбите. Способ заправки топливом КА с использованием вытеснительной системы, т.е. вытеснение топлива из заправочной емкости сжатым азотом в заправляемый бак КА. Заправку можно производить с использованием электрических мини-насосов, вентиляторного или роторного типов, которые имеют раверсивное вращение и позволяющих производить откачку топлива из шланга после заправки.
Известен аналог «Способ заправки топливом космического летательного аппарата на орбите» (патент RU (11) 2261357 2003). Положительным фактором способа заправки прототипа является наличие надежной жидкостной стыковки через заправочные пульты КА-заправщика и заправляемого КА. Недостатком данного аналога - прототипа является:
1 Дозаправку топливом можно производить только КА, оборудованных системой стыковки КА и жидкостной системы стыковки заправочных пультов КА;
2 Вытеснительная система дозаправки не позволяет производить отсос оставшегося топлива из заправочных шлангов и требует для этого установки дополнительного оборудования.
3 В предлагаемой ПМ (фиг. 1) предусмотрена дозаправка топливом КА без стыковки с КА-заправщиком, но у заправляемого КА должна быть унифицированная заливная горловина, позволяющая производить дозаправку на орбите в условиях невесомости.
При причаливании КА-заправщика к заправляемому КА, на расстоянии ~15 метров (по дальномеру), произойдет выброс заправочной головки из пружинной гильзы КА-заправщика, к месту расположения заливной горловины, на заправляемом КА, которое обозначено оранжевым крестом на корпусе КА.
Заправочная головка будет втянута внутрь заливной горловины с расстояния ~15-17 сантиметров от ее поверхности, независимо от их углового взаимного расположения за счет электромагнитных свойств материала и улучшенных тяговых магнитных характеристик конструкции корпуса заливной горловины, с автоматическим закрытием шарикового замка заправочной головки.
Наиболее близким аналогом по совокупности существующих признаков и достигаемому результату к полезной модели является «Система дозаправки топливом» (патент RU (11) 2260705 2003), который и выбран прототипом к заявленной ПМ.
Идентичность предлагаемой ПМ с аналогом состоит в том, что при подаче жидкого топлива к двигателям, в системе подачи топлива поддерживается избыточное давление, что обеспечивает стабильность ее работы. Недостатком аналога является то, что дозаправка производится после стыковки КА.
Предлагаемая полезная модель (фиг. 1) может производить дозаправку КА не оборудованных системой стыковки КА, но имеющих унифицированную заливную горловину на заправляемом КА, а на КА-заправщике - заправочную головку цилиндрической формы и состоящей из:
верхней обечайки заправочной головки (22) из диамагнитного материала, на которой располагаются микровыключатель (23) и электромагниты (2), управляющие шариковым замком заправочной головки;
нижней обечайки заправочной головки (18) из магнитомягкого феррита с шариковым замком и юбкой (5), запирающей шариковый замок тяговыми усилиями электромагнитов, действующих на кольцевую магнитную вставку (20), закрепленную на торцевой поверхности юбки; верхняя и нижняя обечайки заправочной головки, имеющие сверление (17) под толкатель управления микровыключателем, соединены с помощью винтов (21) в единую конструкцию - заправочную головку, которая входит внутрь заливной горловины, представляющей собой замкнутую цилиндрическую конструкцию из магнитомягкого феррита с припаянными к ее внешней поверхности четырьмя башмаками магнитопровода из сплава пермаллоя (6), отоженного по специальной технологии, в нижней части заливной горловины имеется днище из алюминиевого сплава (13) с четырьмя отверстиями диаметром d=20 мм каждое, закрывающихся топливным клапаном (11), поджатым пружиной (8), также на днище расположены четыре клапана стравливания давления газов с надтопливного пространства топливного бака (12); кроме того на днище заливной горловины закреплены: уплотнительное кольцо круглого сечения из мягкой топливостойкой резины (14) и уплотнительное кольцо треугольного сечения из твердой топливостойкой резины (15).
На фиг. 1 изображена конструкция заливной горловины КА с подсоединенной к ней заправочной головкой, которые содержат:
1 - штуцер заправочной головки
2 - электромагнит
3 - корпус заливной горловины
4 - пружина
5 - юбка управления шариковым замком
6 - башмаки магнитопровода
7 - припой
8 - пружина топливного клапана
9 - болт
10 - уплотнение топливного клапана
11 - клапан топливный
12 - клапан стравливания давления газов из надтопливного пространства топливного бака
13 - днище заливной горловины
14 - кольцо уплотнительное круглое
15 - кольцо уплотнительное треугольное
16 - шов сварочный
17 - сверление под толкатель микровыключателя
18 - обечайка заправочной головки нижняя
19 - шарик
20 - вставка кольцевая магнитная
21 - винт крепления обечаек заправочной головки
22 - обечайка заправочной головки верхняя
23 - микровыключатель
2.6 Краткое описание отдельных элементов чертежа фиг. 1.
(Чертеж выполнен в масштабе М1:1)
1 - Штуцер заправочной головки обеспечивает подсоединение к нему заправочного шланга с помощью стяжного хомута.
2 - Электромагниты (4 штуки) расположены диаметрально противоположно в корпусе верхней обечайки заправочной головки (22), служат для управления закрытием шарикового замка путем притягивания кольцевой магнитной вставки (20), изготовленной из магнитомягких ферритов и расположенной на верхнем торце юбки управления шариковым замком (5) и изготовленной из магниевого сплава.
3 - Корпус заливной горловины представляет собой замкнутую цилиндрическую конструкцию из магнитомягкого феррита.
4 - Пружина с усилием сжатия P=0,20 кг.
5 - Юбка управления шариковым замком служит для запирания шарикового замка тяговыми усилиями электромагнитов, действующих на кольцевую магнитную вставку (20), закрепленную саморезами на торцевой поверхности юбки; когда юбка находится в нижнем положении - замок открыт, в верхнем положении - замок закрыт.
6 - Башмаки магнитопровода (4 штуки) расположены диаметрально противоположно на корпусе заливной горловины, представляют собой часть электромагнитного устройства и изготовлены из сплава пермаллоя.
8 - Пружина топливного клапана обеспечивает герметичность топливного клапана заливной горловины, имеет усилие сжатия ~4,5 кг.
9 - Болт соединен с резьбовым отверстием на днище заливной горловины (13) и служит для крепления пружины (8) топливного клапана (11).
10 - Уплотнение топливного клапана выполнено из топливостойкой резины толщиной h=1,2 мм.
11 - Клапан топливный - в открытом положении обеспечивает доступ топлива в топливный бак при дозаправке.
12 - Клапан стравливания давления газов из надтопливного пространства топливного бака - 4 штуки, расположены диаметрально противоположно на днище заливной горловины, работающие под действием пружины с усилием P=0,25 кг.
13 - Днище заливной горловины изготовлено из алюминиевого сплава, имеет 4 диаметрально противоположных отверстия диаметром d=20 мм для прокачки топлива и 4 диаметрально противоположных отверстия диаметром d=3 мм для стравливания избыточного давления газа из надтопливного пространства топливного бака.
14 - Кольцо уплотнительное круглое, изготовлено из мягкой топливостойкой резины и является первой линией уплотнения в соединении: заливная горловина - заправочная головка.
15 - Кольцо уплотнительное треугольное, изготовлено из твердой топливостойкой резины и является второй линией уплотнения в соединении: заливная горловина - заправочная головка, когда заправочная головка займет расчетное положение в заливной горловине, это кольцо нажмет на толкатель, расположенный в сверлении заправочной головки и через микровыключатель подключит электромагниты, которые поднимут юбку управления шариковым замком и шариковый замок закроется.
18 - Обечайка заправочной головки нижняя является сердечником электромагнитного устройства, выполненной из магнитомягких ферритов, обладающих высокой магнитной проницаемостью. На торцевой части обечайки сделана канавка для треугольного уплотнительного кольца глубиной 1,5 мм, а к месту расположения микровыключателя просверлено отверстие для толкателя, управляющего юбкой управления шариковым замком (5). В обечайке расположен шариковый замок, обеспечивающий надежное соединение заправочной головки в заливной горловине.
20 - Вставка кольцевая магнитная из магнитомягких ферритов совместно с юбкой управления шариковым замком управляет шариковым замком заправочной головки.
22 - Обечайка заправочной головки - верхняя - из алюминиевого сплава, четырьмя винтами крепится к нижней обечайке заправочной головки, на ней располагаются электромагниты, управляющие закрытием шарикового замка заправочной головки (2) и корпус микровыключателя (23).
23 - Микровыключатель для подачи напряжения на электромагниты, управляющие шариковым замком заправочной головки.
2.7 Для дозаправки КА на орбите нужно сделать процесс захвата и соединения заправочной головки с заливной горловиной заправляемого КА автоматизированным. Для обеспечения этого необходимо агрегаты, обеспечивающие дозаправку топливом, оборудовать электромагнитными устройствами, изготовленными из перспективных специальных магнитных структур. Электромагнитные устройства отличаются такими преимуществами как высокая надежность, радиоактивная стойкость, некритичность к перегрузкам и перенапряжениям, высокая температурная и временная стабильность.
В предлагаемой полезной модели корпус заливной горловины изготовлен из магнитомягкого феррита, имеющего улучшенные магнитные характеристики.
К внешней обечайке заливной горловины в диаметрально противоположных местах припаяны четыре башмака магнитопровода (6) припоем типа «ПОС», которые набраны из отдельных элементов сплава пермаллоя в сферическую структуру, склеенную полистирольным клеем. Пермаллои представляют собой сплавы железа с никелем и кобальтом, легированные молибденом и хромом. Эти сплавы высокой проницаемости обладают магнитной проницаемостью в 100 раз более высокой, чем электротехническая сталь. Они намагничиваются до насыщения в слабых магнитных полях. (В.Л. Лихачев «Электротехника», т. 1, раздел 7.2, стр. 207).
Недостатком пермаллоев является большая чувствительность магнитных свойств к механическим напряжениям из-за понижения индукции насыщения и их высокая стоимость. Высокие магнитные свойства у пермаллоев можно получить лишь в результате отжига готовых изделий в водороде или вакууме, что усложняет их применение. Поэтому при изготовлении башмаков магнитопровода заливной горловины нужно отдельные элементы, составляющие конструкцию башмаков магнитопровода, изготовленных из холоднокатанных лент толщиной ~2,5 мм из сплава пермаллоя, сначала термически обработать при t=750-800°C в течение 2-часов, с последующим медленным охлаждением до 400°C. После отжига изделия не должны подвергаться в процессе сборки ударам, изгибам, рихтовке, шлифовке и не сильно сдавливаться обмоткой. Перед установкой на изделие заливная горловина подмагничивается.
С течением времени магнитная проницаемость магнитных устройств падает. Поэтому для КА с длительным сроком активного существования, магнитные устройства обеспечивающие дозаправку КА топливом нужно делать с подмагничиванием, т.е. на башмаки магнитопровода (6) заливной горловины заправляемого КА, намотать медную проволоку диаметром d=0,02 см, которая подключится под напряжение перед заправкой КА, при сбросе лючка заливной горловины заправляемого КА, через реле времени на одну минуту (на фиг. 1 катушка подмагничивания на башмаках магнитопровода (6) не показана).
Захват и втягивание заправочной головки в заливную горловину произойдет и без включения катушки подмагничивания башмаков магнитопровода, но расстояние ее захвата и втягивания в заливную горловину уменьшится с 15-17 см до 5-7 см, считая от поверхности заливной горловины заправляемого КА.
Сила втягивания заправочной головки в заливную горловину определяется по методикам и формулам учебных пособий для студентов вузов:
А.А. Преображенский
«Электромагнитные устройства информационно-измерительной техники»;
З.И. Миловзоров
«Электромагнитная техника»;
В.П. Карцев
«Сверхсильные магнитные поля»;
Н.Е. Алексеевский
«Получение сильных магнитных полей с помощью соленоидов»;
Б.К. Буль
«Основы теории и расчета магнитных цепей»;
В.К. Аркадьев
«Электромагнитные процессы в металлах»;
В.Л. Лихачев
«Электротехника», том 1;
Т.Н. Актов
«МГД - течения в сильных магнитных полях»;
В.П. Ильин
«Численные методы решения задач электрофизики»;
А.С.Лагутин
«Сильные импульсные поля в эксперименте»;
И.И. Смульский
«Электромагнитное и гравитационное воздействие (нерелятивийские трактаты)».
В некоторых учебных пособиях есть достаточно точные аналитические выражения, в других - приходится пользоваться графическими выражениями, полученными опытным путем. При расчете поля электромагнитных устройств успешно применяется метод Лемана-Рихтера.
Сила магнитного притяжения определяется по формулам:
2
F=4B·S [кг с]
где, B - магнитная индукция, тесла (т)
2
S - площадь сечения полюсов, [см]
или
где,
l - длина катушки, [см]
w - число витков
a - расстояние от оси провода до центра магнитного устройства [см]
2
S - площадь сечения полюсов, [см]
Конструкционные данные полезной модели:
длина одной катушки
l=0,4[см]
число витков
w=55
расстояние от оси провода до центра
45 [см]
магнитного устройства площадь сечения полюсов
~[(28,05×4)+(1,13×4)]=116,72 [см<sup>2</sup>]
диаметр медного провода
d=0,02 [см]
Техническим результатом полезной модели являются конструкции: заправочной головки для дозаправки КА топливом, расположенной на заправочном шланге КА-заправщика и заливной горловины, расположенной на заправляемом КА, которая обеспечивает втягивание заправочной головки внутрь заливной горловины с расстояния 15-17 см от ее поверхности независимо от их углового взаимного расположения за счет электромагнитных свойств материала и улучшенных тяговых магнитных характеристик конструкции корпуса заливной горловины с автоматическим закрытием шарикового замка заправочной головки.
Полезная модель функционирует следующим образом: Для обеспечения стабильной работы топливной системы КА внутри топливного бака находится внутрибаковая емкость для разделения газовой и топливной полостей из топливостойкого материала толщиной ~0,7 мм, описывающая рельефно всю емкость топливного бака и имеющей гофрированные (типа «гармошка») боковые стенки и центральный патрубок для пролива топлива в топливный бак при заправке.
Верхней плоскостью внутрибаковая емкость закреплена герметиком типа У-30 МЭС к верхней панели топливного бака.
На фиг. 2 изображена принципиальная схема системы дозаправки КА топливом через «надтопливное пространство» (газовую полость), которая содержит:
24 - корпус КА
25 - патрубок подачи топлива от заливной горловины в бак
26 - лючок заливной горловины
27 - патрубок гофрированный для прокачки топлива
28 - емкость внутрибаковая
29 - полость внутрипатрубковая
30 - клапана топливные для подачи топлива к двигателям
31 - отсек двигательной установки
32 - перегородки топливного бака
33 - герметик для крепления внутрибаковой емкости
34 - электроклапан системы нейтрального газа
35 - штуцер для подачи топлива в бак
При заправке топливом нижнее днище внутрибаковой емкости давлением поступающего в бак топлива поднимается вверх, сжимая гофрированные стенки внутрибаковой емкости, освобождая объем бака для поступающего в бак топлива.
После заправки топливом во внутрибаковую емкость через электроклапан подается давление от системы нейтрального газа, а установленный там клапан постоянного перепада давления поддерживает перепад давления ~0,2 кг/см относительно окружающей среды, устраняя явление кавитации топлива в топливной системе космического аппарата, обеспечивая стабильность ее работы.
При подлете КА-заправщика к заправляемому, он дает «команду» о сбросе лючка, закрывающего заливную горловину.
При сбросе лючка автоматически подключаются под напряжение (на 1 минуту через реле времени) обмотки подмагничивания, установленные на башмаках магнитопровода (6) заливной горловины, а топливный шланг с КΑ-заправщика направляется к месту расположения заливной горловины на заправляемом КА, которая на корпусе КА отмечена оранжевым крестом.
Вдоль силовой оплетки раздаточного топливного шланга к заправочной головке проложен эластичный электрокабель для подачи напряжения к микровыключателю (23) и электромагнитам (2), закрытый высокополимерной изоляцией. Заправочная головка будет втянута в заливную горловину по закону магнитной индукции, т.е. «Если не геометрической оси катушки с током (в данном случае это заливная горловина) вблизи нее расположить стальной сердечник (в данном случае это заправочная головка), то он намагнитится и под действием электромагнитных сил будет стремиться занять положение в середине катушки» (в данном случае в середине заливной горловины) (В.Л. Лихачев «Электротехника», том 1, стр. 35).
Находясь в середине заливной горловины, заправочная головка займет в ней расчетное положение, при котором треугольное уплотнительное кольцо (15) нажмет натолкатель микровыключателя, расположенного в сверлении (17) заправочной головке. Микровыключатель (23) включит электромагниты (2), управляющие обечайкой (5), которая закроет шариковый замок заправочной головки.
Одновременно торцевая часть заправочной головки нажмет на клапаны стравливания давления газов из надтопливного пространства топливного бака (12). Давление газов с топливного бака будет стравливаться через неплотности шарикового замка и штуцер стравливания давления газов, находящийся на заправочном топливном шланге у оператора КΑ-заправщика. После стравливания давления газов с топливного бака можно производить дозаправку КА топливом с избыточным давлением P=0,5 кг/см. Топливо будет поступать через четыре отверстия, каждое диаметром D=20 мм, на днище заливной горловины, закрывающихся клапаном (11), поджатым пружиной с усилием P=4,5 кг.
Проходная площадь для топлива через днище заливной горловины составит:
Давление топлива на клапан при заправке будет:
пр
т
За счет разницы давления на топливный клапан (11) пружины (8) с усилием P=4,5 кг с одной стороны и давления топлива P=6,28 кг с другой, клапан откроется и будет производиться заправка.
Контроль заправки осуществляется по расходомеру, установленному на раздаточном шланге топлива КА-заправщика.