УСТРОЙСТВО ДЛЯ СОЗДАНИЯ ДАВЛЕНИЯ В ТОПЛИВНОМ БАКЕ КАТАПУЛЬТИРУЕМОГО АППАРАТА

Устройство для создания давления в топливном баке катапультируемого аппарата относится к авиационной и ракетно-космической технике и предназначено для изменения давления в баке под действием изменяющегося внешнего давления при катапультировании.
Известен способ сброса полезной нагрузки с летательного аппарата (патент РФ №2522220), при котором полезная нагрузка выбрасывается из транспортно-пускового контейнера (ТПК) давлением газа, действующим на ее корпус в процессе катапультирования. При наличии в составе сбрасываемого аппарата, например, ракеты, топливного бака внешнее давление, создаваемое в ТПК для выброса и действующее на бак, может превышать внутреннее давление в баке при хранении до катапультирования и необходимое для работоспособности аппарата, например, запуска жидкостного ракетного двигателя, после катапультирования.
Известно применение наддува бака для обеспечения запуска жидкостного ракетного двигателя и обеспечения прочности бака на устойчивость при действии внешних нагрузок, в том числе внешнего давления (Челомей В.Н. Пневмогидравлические системы двигательных установок с жидкостными ракетными двигателями, М: Машиностроение, 1978, с. 27; Беляев Н.М. Системы наддува топливных баков ракет. М.: Машиностроение, 1976 г., с. 51).
Аналогом предложенного устройства является система подачи топлива ракеты ампульного варианта (Беляев Н.М. Системы наддува топливных баков ракет. М.: Машиностроение, 1976 г., Рис. 1.27), в которой предпусковое давление создается непосредственно в свободном объеме топливного бака подачей в него реагента.
Недостатком системы является снижение безопасности эксплуатации ракеты, заправленной пожароопасным или токсичным топливом, в случае отмены ее пуска после наддува бака, в связи с тем, что для сброса из свободного объема агрессивного газа наддува в смеси с парами топлива и приведения давления в баке в норму для последующего хранения, потребуется нарушить ампулизацию бака.
Известно устройство, которое является прототипом предлагаемой полезной модели (патент США №3415277), в котором не требуется разампулизация жидкостной полости бака для сброса давления наддува. Устройство содержит бак с подвижным вытеснителем жидкости, и уплотнением, герметизирующим зазор между вытеснителем и баком. Вытеснитель содержит цилиндрический корпус, в котором установлен поршень с герметичным уплотнением, позволяющим поршню перемещаться внутри корпуса усилием пружины. Вытеснитель топлива и поршень герметично разделяют в баке жидкостную и газовую полости. Пружину выбирают с силовой характеристикой, при которой в жидкостной полости создается давление хранения, превышающее давление насыщенных паров и исключающее образование в баке паровой подушки, а при перемещении поршня внутрь корпуса компенсируются температурные изменения объема заправленной жидкости. Устройство содержит газогенератор наддува газовой полости для подачи жидкости из бака.
Недостатком устройства является то, что оно не обеспечивает защиту от внешнего перепада давления со стороны ТПК при катапультировании бака, оболочка которого рассчитана на меньшее внутреннее давление, необходимое для хранения и подачи жидкости из бака.
Задачей, решаемой настоящей полезной моделью, является устранение указанного недостатка, обеспечение защиты от внешнего перепада давления оболочки бака, в котором давление в свободном объеме перед пуском меньше давления в ТПК при катапультировании.
Эта задача решается тем, что предлагаемое устройство для создания давления в баке катапультируемого аппарата содержит аккумулятор газа с устройством включения подачи газа, подвижный вытеснитель топлива с уплотнением, например, сильфоном, герметично разделяющим заправленную жидкостью полость бака от газовой полости вытеснителя, цилиндрический корпус с закрытым торцем, поршнем и уплотнением, образующими камеру для наддува газом аккумулятора, при этом цилиндрический корпус установлен в газовой полости вытеснителя стационарно и с возможностью перемещения вытеснителя поршнем через открытый торец корпуса, а газовая полость вытеснителя сообщена с окружающей бак средой. Эффективные площади вытеснителя и поршня камеры находятся в соотношении:
,
В
где S - эффективная площадь вытеснителя;
П
S - эффективная площадь поршня;
- давление предпускового наддува камеры;
a
1
1
2
=P+ΔP+ΔP;
b
3
1
2
3
=P-P+ΔP+ΔP;
c
4
1
=P+ΔP;
d
4
3
=P-ΔP;
1
P - максимальное давление на оболочку бака со стороны окружающей среды при катапультировании;
2
P - потребное давление в баке после катапультирования;
3
P - потребное давление в баке для обеспечения несущей способности оболочки при катапультировании;
4
P - атмосферное давление на высоте катапультирования;
1
ΔP - перепад давления на эффективной площади поршня, необходимый для его перемещения;
2
ΔP - потеря давления при затекании газа из окружающей бак среды в газовую полость вытеснителя при катапультировании;
3
ΔP - перепад давления на эффективной площади вытеснителя, необходимый для его перемещения.
Предложенные соотношения (1) и (2) позволяют определить параметры устройства, при которых в баке при катапультировании создается давление, потребное для обеспечения несущей способности оболочки, а после выброса из ТПК - давление, необходимое для работоспособности аппарата.
На чертеже представлена схема устройства для создания давления в баке катапультируемого аппарата. Устройство содержит размещенный в полости 1 бака подвижный вытеснитель топлива 2, выполненный в виде торца сильфона 3, герметично разделяющего заправленную жидкостью полость 1 бака от газовой полости 4 вытеснителя. В газовой полости 4 стационарно установлен цилиндрический корпус 5, скрепленный с оболочкой 6 бака. В корпус 5 помещен поршень 7, контактирующий через открытый торец корпуса 5 с вытеснителем 2. Уплотнительное кольцо 8 поршня 7 герметизирует камеру 9, сообщенную с аккумулятором газа 10 через, подведенную к закрытому торцу корпуса 5, магистраль 11 с клапаном наддува 12, и редуктором 13. Газовая полость 4 через окно 14 в оболочке 6 бака сообщена с полостью 15 ТПК 16.
Предложенное устройство функционирует следующим образом. В исходном состоянии до включения предпускового наддува вытеснитель 2 удерживается, например, давлением хранения в демпфирующем газовом объеме бака, в крайнем положении, занимая минимальный объем во внутренней полости бака. В период подготовки катапультируемого аппарата к выбросу из ТПК 16 задействуется клапан наддува 12, открывающий подачу газа из аккумулятора 10, заправленного, например, азотом, в камеру 9. Под давлением наддува камеры 9, обеспечиваемым настройкой редуктора 13, поршень 7 передвигается в корпусе 5 и перемещает внутрь полости 1 бака вытеснитель 2. Герметичность газовой полости 4 и камеры 9 обеспечивается сильфоном 3 и уплотнительным кольцом 8 соответственно. При перемещении вытеснителя 2 сжимается демпфирующий газовый объем в полости 1 бака и повышается в нем давление до величины, при которой сила, создаваемая давлением на вытеснитель 2 со стороны полости 1, уравновесит силу, создаваемую совместным действием поршня 7 и исходного давления в газовой полости 4, сообщенной через окно 14 с полостью 15 ТПК 16. После задействования энергосредства пуска (на схеме не показано) повышается давление в полости 15 и в сообщенной с ней газовой полости 4, нарушающее баланс сил, действующих на вытеснитель 2, и вызывающее его дальнейшее перемещение внутрь полости 1 бака до достижения очередного равновесного состояния, при котором в полости 1 создается давление, потребное для обеспечения несущей способности оболочки 6 бака при катапультировании. После выброса аппарата из ТПК 16 в процессе спада давления в газовой полости 4 до окружающего атмосферного вытеснитель 2 перемещается в обратную сторону до положения, при котором давление в полости 4 бака будет соответствовать потребному при запуске двигателя катапультируемого аппарата.
Техническим результатом применения предложенного устройства является защита оболочки бака от внешнего перепада давления при катапультировании и изменение внутреннего давления в баке при изменении действующего на него внешнего давления.