УСТРОЙСТВО ПУСКОВОЕ СТАБИЛИЗИРУЮЩЕЕ
STABILISING LAUNCHING DEVICE

Изобретение относится к области техники, связанной с управлением космическими аппаратами (КА), а именно к ракетным двигателям малой тяги (РДМТ), которые используются в системах ориентации, стабилизации КА и в системах коррекции их орбиты. Устройство предназначено для поддержания постоянного заданного расхода компонента топлива через двигатель при изменении давления компонентов топлива на входе в двигатель, например при уменьшении давления вследствие выработки запаса газа наддува топливных баков, а также в целом ряде других ситуаций и для использования при включении двигателя с целью уменьшения времени выхода на установившийся режим при каждом включении РДМТ.
В системах управления КА существует проблема выработки управляющего импульса заданным типом двигателя при минимальном времени включения. В связи с этим важно минимизировать время выхода на режим 90% тяги двигателя, иными словами важно добиться максимальной скорости увеличения тяги после подачи команды на включение двигателя. Существует и другая проблема, связанная с тем, что при изменении давления топлива на входе в двигатель необходимо обеспечить постоянный, заданный расход топлива через двигатель. У двухкомпонентных двигателей требуется поддержание заданного расхода как окислителя, так и горючего.
Известно устройство "Регулятор расхода" по авторскому свидетельству СССР №134416 и дополнительному к нему авторскому свидетельству СССР №170877, содержащее корпус с входной и выходной полостями, соединенными перекрываемым чувствительным пружинящим элементом окном. Расход рабочего тела через регулятор при определенном перепаде давления зависит от периметра окна и высоты от каждой точки периметра до пружинящего элемента. Зазор между пружинящим элементом и плоскостью, в которой выполнено окно в исходном состоянии, весьма мал и составляет, например, для двигателя тягой 130 Н (13.2 кгс) разработки НИИМаш, десятые доли миллиметра. Это вызывает больше трудности при подборе по жесткости пластин пружинящих элементов и заметную погрешность величины заданного расхода при изменении в широком диапазоне давления на входе в регулятор. Кроме того, как показывает опыт, регуляторы такого типа требуют выполнения окна особой формы, которая выбирается эмпирическим путем.
Другим недостатком регуляторов расхода (стабилизаторов) с пластинчатым пружинистым элементом при работе на жидком топливе является пережатие проходного сечения в момент включения двигателя, т.е. в момент открытия клапана. Отметим, что стабилизаторы расхода в составе двигателей малой тяги всегда устанавливаются перед клапанами, через которые в двигатель подаются компоненты топлива. При открытии клапана давление в выходной полости стабилизатора падает практически до нуля, а в полости на входе в стабилизатор в этот момент сохраняется рабочее давление, т.е. на пластину чувствительного элемента действует максимальный перепад давления, она прогибается, перекрывает проходное сечение регулятора, что ведет к уменьшению "броскового" расхода топлива через двигатель в момент запуска. Вследствие этого у двигателя получается замедленный темп роста тяги при включении, т.е. замедленный выход на режим.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является регулятор прямого действия по авторскому свидетельству СССР №840820, кл. G05D 7/01, опубликованному 23.06.1981 г.
Этот регулятор содержит корпус с входной и выходной полостями, между которыми установлен чувствительный элемент, выполненный в виде сильфона с неподвижным фланцем, закрепленным в корпусе на выходе из устройства и подвижным фланцем, расположенным на входе в устройство и связанным с регулирующим органом, расположенным в выходной полости. В подвижном фланце выполнен канал, связывающий входную полость с надсильфонной полостью, а в неподвижном фланце - канал, связывающий выходную полость с внутренней полостью сильфона.
Недостаток этого устройства заключается в том, что прототип, как и аналог, не обеспечивает возможности минимизировать время выхода на режим 90% тяги при использовании в составе ракетного двигателя малой тяги. Как уже было сказано ранее, при открытии клапана давление за регулятором резко падает, падает давление и в выходной полости регулятора сильфон под воздействием увеличенного перепада давления начинает сжиматься, перемещая подвижный фланец с регулирующим органом в сторону выхода. При этом регулирующий орган перекрывает проходное сечение регулятора, что существенно уменьшает "бросковый" расход топлива через двигатель в момент запуска и вследствие этого получается замедленное возрастание тяги при включении.
К недостаткам прототипа можно отнести использование стандартизированного узла - сильфона. Каждый сильфон, например, по ГОСТ 21482-76, имеет дискретное значение эффективной площади, дискретное значение жесткости - по силе одного гофра и относительно малый максимальный рабочий ход. При этом в прототипе сильфон работает только на сжатие, что уменьшает перемещение штока регулирующего органа в два раза по сравнению с использованием кроме сжатия еще и растяжения сильфона. Уменьшение хода регулирующего органа приводит к возрастанию погрешности регулировки, т.е. уменьшает точность стабилизации расхода.
Существенным недостатком прототипа является наличие тупиковых полостей внутри и снаружи сильфона, которые могут засоряться механическими и агрессивными веществами. Известно, в частности, что в ракетных двигателях малой маги используются в качестве компонентов топлива не только агрессивные, но и токсичные для здоровья вещества и поэтому каждый двигатель после контрольных технологических испытаний перед поставкой заказчику должен пройти процесс нейтрализации от токсичных веществ. При наличии тупиковых, непроточных полостей это весьма проблематично.
Задачей изобретения является создание устройства пускового стабилизирующего, позволяющего стабилизировать заданный расход жидкости через устройство при изменении давления на входе в относительно широком диапазоне и при этом обеспечить высокие пусковые динамические характеристики, например, при использовании устройства в составе ракетного двигателя малой тяги.
Эта задача решается тем, что в устройстве пусковом стабилизирующем, содержащем регулирующий орган, взаимодействующий с соответствующим ему дросселирующим отверстием, корпус с входной и выходной полостями, между которыми расположен чувствительный элемент в виде сильфона с неподвижным фланцем, закрепленным в корпусе на выходе из устройства и подвижным фланцем, расположенным на входе в устройство, согласно изобретению сильфон подпружинен пружиной сжатия, а дросселирующее отверстие, соединяющее входную и выходную полости, выполнено в подвижном фланце сильфона и взаимодействует с установленным неподвижно профилированным регулирующим органом.
Кроме того, в неподвижном фланце может быть выполнено минимум одно нерегулируемое дросселирующее отверстие, соединяющее входную и выходную полости.
Так как пружине можно задать при разработке, в принципе, любую требуемую жесткость, следовательно и системе «пружина+сильфон» при совместной работе также можно задать заранее выбранную жесткость, несмотря на дискретность жесткости стандартизированного сильфона.
В случае использования в качестве рабочего тела вредных, например, токсичных веществ, устройство может быть еще дополнено отверстиями в неподвижном фланце, например одним для обеспечения протока нейтрализирующих веществ. Так как при работе устройства рабочее тело будет течь и через эти отверстия; а не только через дросселирующее отверстие в подвижном фланце, взаимодействующее с регулирующим органом, то в расчете формы профиля регулирующего органа это должно быть учтено.
Предлагаемая конструкция устройства пускового стабилизирующего позволяет повысить точность поддержания заданного расхода рабочего тела в расширенном диапазоне изменения давления на входе и улучшить динамику выхода двигателя на режим при включении. Подробнее об этом будет сказано в описании работы устройства.
Изобретение поясняется чертежами.
На фиг.1 схематично изображен общий вид устройства пускового стабилизирующего.
На фиг.2 представлен сборочный чертеж устройства, по которому были изготовлены опытные образцы для проверки работоспособности.
Оно содержит корпус 1, входную 2 и выходную 3 полости, между которыми расположен чувствительный элемент в виде сильфона 4 с неподвижным фланцем 5, закрепленным в корпусе на выходе из устройства и подвижным фланцем 6, расположенным на входе в устройство. Внутри сильфона установлена пружина сжатия 7, возможен вариант с пружиной сжатия, устанавливаемой снаружи сильфона. В подвижном фланце сильфона выполнено дросселирующее отверстие 8, сообщающее входную и выходную полости. Соосно с отверстием, неподвижно установлен профилированный регулирующий орган 9, закрепленный на неподвижном фланце 5 (возможен вариант крепления регулирующего органа на корпусе). При использовании устройства с токсичными рабочими телами целесообразно в неподвижном фланце выполнить нерегулируемые дросселирующие отверстия 10 (одно или несколько), соединяющие входную и выходную полости для обеспечения протока нейтрализирующей жидкости. На фиг.2 дополнительно показаны шайбы 11 и 12 для настройки начального положения пружины сжатия 7 и регулирующего органа 9, и фильтр 13, исключающий попадание частиц в тракты двигателя.
Устройство пусковое стабилизирующее, как отмечалось, устанавливается на входе в электроклапан подачи компонента топлива в РДМТ и работает следующим образом. В исходном состоянии электроклапан подачи компонента топлива в двигатель закрыт, расход рабочего тела отсутствует, давление на входе в устройство и на выходе равно рабочему, перепад давления равен нулю. При открытии электроклапана давление на выходе из устройства в полости 3 резко падает практически до давления, близкого к давлению окружающей среды, возникает максимальный так называемый "бросковый перепад давления" между полостью входа 2 и полостью 3 выхода (давление в камере сгорания двигателя еще отсутствует), т.е. на сильфон 4 действует максимальный перепад давления, сильфон сжимается и как поршнем подает "бросковый расход" на заполнение заклапанных полостей головки двигателя и на запуск двигателя. При этом никаких запирающих узлов, перекрывающих проходное сечение от выходной полости 3 устройства до камеры двигателя, в отличие от аналога и прототипа, в устройстве нет. Это обеспечивает минимальное время заполнения заклапанных полостей двигателя и минимальное время выхода двигателя на установившийся режим. По мере роста давления в камере сгорания двигателя при запуске увеличивается давление в полости 3 устройства при постоянном давлении в полости 2 на входе, т.е. перепад давления на устройстве уменьшается, сильфон 4 из сжатого состояния при запуске возвращается в положение, определяемое динамическим равновесием действующих сил - сил от перепада давления на сильфоне 4 и сил упругости пружины 7 с сильфоном 4. Так как при этом известна зависимость возникающей силы на сильфоне 4 и сил упругости пружины 7 с сильфоном 4 от перемещения, регулирующий орган 9 спрофилирован так, что площадь проходного сечения между отверстием 8 в подвижном фланце 6 и поверхностью регулирующего органа 9 обеспечивает постоянный расход.
При изменении давления на входе в стабилизирующее устройство, например при уменьшении давления, уменьшается перепад давления на сильфоне 4 между полостями 2 и 3. Силы упругости пружины и сильфона поступательно перемещают подвижный фланец 6 с дросселирующим отверстием 8 в сторону входа 2 стабилизирующего устройства, при этом увеличивается площадь проходного сечения между дросселирующим отверстием 8 и регулирующим органом 9. Регулирующий орган 9 спрофилирован так, что динамическое равновесие сил наступает всегда при заданном расходе через устройство в рабочем диапазоне перепадов давления.
При увеличении давления на входе возрастает перепад давления на сильфоне 4, сильфон сжимается, перемещая подвижный фланец 6 с отверстием 8 в сторону, противоположную входу 2 устройства, площадь проходного сечения уменьшается и равновесие сил наступает при заданном расходе, но при уменьшенном проходном сечении между дросселирующим отверстием 8 и регулирующим органом 9.
Все детали стабилизирующих устройств для горючего и окислителя были идентичны за исключением регулирующих органов, профили которых рассчитывались отдельно для горючего и окислителя. Профили регулирующих органов рассчитывались для работы в составе двигателя тягой 130 Н разработки НИИМаш. Опытные образцы устройств настраивались на расход воды 14,77 г/с (эквивалент горючего) и на расход воды 18,83 г/с (эквивалент окислителя). Перепады давления при гидропроливках и полученные расходы приведены в таблице.
Таблица 1
Перепад давления на устройстве пусковом стабилизирующем
Массовый расход воды в пересчете с горючего
Массовый расход воды в пересчете с окислителя
ΔР, кгс/см<sup>2</sup>
m, г/с
0,4
14,6
-
0,6
15,3
18,6
0,8
14,9
18,8
1,0
14,6
18,7
1,2
14,6
18,5
1,4
14,7
18,8
1,6
14,9
18,7
1,8
14,7
18,2
2,0
14,9
18,5
2,5
15,0
19,0
3,0
15,1
18,7
3,5
15,0
18,2
4,0
15,3
18,1
4,5
15,4
18,0
5,0
15,5
18,2
6,0
15,6
18,4
7,0
-
18,4
Оценка среднего дала значение 15 г/с вместо 14,77 г/с и 18,5 г/с вместо 18,83 г/с при среднеквадратичных отклонениях 0,332 и 0,302 соответственно, что вполне приемлемо для выполнения требований, предъявляемых к двигателю.
Опытные образцы изготавливались с нерегулируемыми дросселирующими отверстиями 10, т.к. на двигателе используется токсичное топливо, и это было учтено при расчете формы профиля регулирующего органа. Отверстия 10 делают все полости проточными и доступными при промывках нейтрализующими веществами. Усилие пружины 7 регулировалось подбором шайб 11, положение регулирующего органа 9 - подбором шайб 12.
Предлагаемое устройство обеспечивает простоту настройки, достаточную точность поддержания расхода компонентов топлива.