УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВОСПРИЯТИЯ ТЯГИ И ПРОТОКА ДВУХ КОМПОНЕНТОВ ТОПЛИВА

Область техники
Полезная модель относится к ракетной технике и, в частности, к устройствам, воспринимающим тягу жидкостного ракетного двигателя (ЖРД) и проток компонентов топлива из баков ракеты в магистрали двигателя, а также качания двигателя.
Предшествующий уровень техники
Известен двигатель, снабженный устройством для качания ("Двигательные установки космического аппарата многократного применения". Сб. переводов. ЦИАМ, М. 1974, с. 22-27). Подводящие топливные трубопроводы в нем снабжены сильфонами с внешним или внутренним ограничением, расположенными последовательно и допускающими необходимые отклонения.
Известно, что на первой ступени ракеты "Сатурн" 4 из 8 двигателей Н-1. также снабжены устройством для качания (Топливопроводы первой ступени ракеты "Сатурн". Новое в зарубежном авиадвигателестроении. ЦИАМ, ОНТИ, 1963, N2, с. 19-22 прототип). Указанный двигатель содержит камеру сгорания, газогенератор, агрегаты подачи и управления, узел качания камеры сгорания и подводящие топливные трубопроводы, снабженные сильфонными узлами. При этом трубопровод окислителя снабжен двумя сильфонными соединениями карданного типа, из которых одно универсальное, допускающее угловые перемещения. Трубопровод горючего имеет три последовательно расположенных сильфонных узла карданного типа, размещенных взаимно перпендикулярным направлениям.
Недостатком этого двигателя является то, что длина подводящих топливных трубопроводов у него существенно увеличена, а это привело к значительному росту массы двигателя и его диаметрального габарита.
Известен также двигатель, в котором для подвода горючего служит подводящий трубопровод, имеющий подвижную часть с гибкими элементами-сильфонами, снабженными стяжками карданного типа. Для подвода окислителя служит трубопровод, имеющий неподвижную часть и подвижную часть, прикрепленную жестко к двигателю, конкретно к насосу окислителя. Сильфонный узел трубопровода подвода окислителя выполнен в виде наружного и внутреннего сильфонов, образующих кольцевой канал вокруг узла качания. Центр качания двигателя расположен в центе сильфонного узла. Сильфоны с одной стороны прикреплены к кольцевому коллектору, подсоединенному к неподвижной части трубопровода подвода окислителя и жестко закрепленному на раме двигателя. С другой стороны сильфоны прикреплены к кольцевому коллектору, присоединенному к неподвижной части трубопровода подвода окислителя и жестко закрепленному на кронштейне газовода камеры сгорания. Таким образом, стяжкой сильфонного узла, ограничивающей его осевые деформации, является сам узел качания и элементы рамы и кронштейна на газоводе камеры сгорания, к которым он прикреплен.
Возможно выполнение и обоих топливных трубопроводов по типу предложенного здесь трубопровода для подвода окислителя. В этом случае сильфонный узел трубопровода подвода горючего должен быть выполнен также в виде двух расположенных концентрично сильфонов, образующих кольцевой канал вокруг сильфонного узла трубопровода окислителя, соединенный с помощью кольцевых коллекторов с неподвижной и подвижной частями трубопровода подвода горючего. (см. патент РФ №2083859, МПК F02K 9/42, 1997 г.). Прототип.
Недостатком прототипа является то, что он имеет довольно сложную конструкцию, заключающуюся в наличии четырех сильфонов для протока двух компонентов топлива. Кроме того, применение в прототипе шарового подвеса ограничивает возможность качания двигателя в двух плоскостях.
Раскрытие полезной модели
Задачей полезной модели является упрощение конструкции, обеспечение выполнения тех же задач с меньшим количеством агрегатов.
Эта задача решена за счет того, что в устройстве для восприятия тяги и протока двух компонентов топлива, включающем двухстепенной подвес и сильфонный узел для протока двух компонентов топлива, при этом в качестве указанного подвеса применен карданный подвес, имеющий раму карданного механизма, две пары осей с подшипниками, размещенными в раме в двух взаимно перпендикулярных плоскостях и две пары вилок, соединенных с осями, при этом одна пара вилок выполнена за одно целое с верхней опорной плитой, посредством которой она прикреплена к раме двигателя, другая пара вилок также выполнена за одно целое с другой нижней опорной плитой, которая через кронштейн соединена с головкой камеры сгорания двигателя, а сильфонный узел включает два сильфона, один из которых размещен внутри рамы карданного механизма на общей оси с двигателем, другой сильфон концентрично установлен относительно первого сильфона и охватывает карданный механизм, причем его концевые участки герметично закреплены на внутренних торцевых поверхностях опорных плит с образованием кольцевой полости, при этом концевые участки первого сильфона соединены с патрубками подвода и отвода одного из компонентов топлива, которые проходят через отверстия в опорных плитах и герметично закреплены в них, а кольцевая полость соединена с патрубками подвода и отвода другого компонента топлива, которые проходят через вторые отверстия в опорных плитах и герметично закреплены в них.
Другими отличиями являются:
- опорные плиты карданного механизма выполнены в виде металлических дисков;
- кольцевая полость соединена с баком ракеты, заполненным жидким метаном;
- полость внутреннего сильфона соединена с баком ракеты, заполненным жидким кислородом.
Технический результат состоит в том, что использование двух сильфонов вместо четырех для прототипа благополучно сказывается на повышении надежности, применение карданного подвеса позволяет осуществлять качания двигателя в двух плоскостях рулевыми гидроприводами меньшей мощности.
Перечень чертежей
На фиг. представлено продольное сечение устройства для восприятия тяги и протока двух компонентов топлива.
Пример осуществления полезной модели
Как показано на фиг. устройство содержит карданный подвес 1, имеющий раму 2, две пары осей 3 и 4 с подшипниками 5 и 6 и две пары вилок 7 и 8. Вилки 7 выполнены за одно целое с верхней опорной плитой 9, которая жестко соединена с рамой 10 двигателя. Вилки 8 также выполнены за одно целое с нижней опорной плитой 11, которая подвижна относительно верхней опорной плиты. Нижняя опорная плита 11 через кронштейн (конус) 12 жестко соединена с головкой камеры сгорания 13 двигателя 14. Такое соединение нижней плиты с камерой двигателя позволяет осуществлять его качание вокруг центра O′ карданного подвеса. Верхняя и нижняя опорные плиты 9 и 11 выполнены металлическими и имеют форму дисков. Однако эти плиты могут иметь и иную форму, например, прямоугольную, квадратную и т.п. Но их эффективность при прочих равных условиях будет значительно ниже.
Устройство также включает два сильфона 15 и 16. Сильфон 15 размещен внутри карданной рамы 2 вдоль вертикальной оси карданного подвеса. Сильфон 16 охватывает карданный механизм и расположен концентрично относительно первого сильфона 15. Концевые участки сильфона 16 имеют патрубки 17 и 18 с фланцами 19 и 20 с помощью которых сильфон крепится к внутренним торцовым поверхностям верхней и нижней опорных плит 9 и 11, при этом между цилиндрическими поверхностями сильфонов 15 и 16 образована кольцевая полость 21.
Сильфоны устройства могут быть выполнены многослойными с силовыми кольцами, вставленными во впадины между гофрами. Такое решение позволяет повысить их прочностные свойства.
Кроме того, в каждой из опорных плит выполнено по два отверстия. В верхней опорной плите выполнены два отверстия 22 и 23, а в нижней выполнены два отверстия 24 и 25. В отверстия 22 и 24 вставлены патрубки подвода 26 и отвода 27 одного из компонентов топлива - жидкого кислорода. Эти патрубки герметично соединены с концевыми участками сильфона 15. Герметизация этих патрубков в местах прохождения через отверстия 22 и 24 обеспечивается с помощью уплотнений 28 и 29.
В отверстия 23 и 25 вставлены патрубки подвода 30 и отвода 31 другого компонента топлива - жидкого метана. Герметизация этих патрубков в местах контакта с плитами обеспечивается с помощью уплотнений 32 и 33.
Устройство также содержит рулевые гидроприводы 34 (второй привод условно не показан), предназначенные для качания двигателя в двух взаимно перпендикулярных плоскостях. Каждый рулевой гидропривод через кронштейн 35 прикреплен к раме двигателя 10, а через кронштейн 36 прикреплен к кронштейну (конусу) 12.
Работа устройства
При запуске двигателя компоненты топлива из баков подаются в полость сильфона 15 и в кольцевую полость 21. Из них компоненты топлива попадают во входные магистрали двигателя, затем в газогенератор и в камеру сгорания двигателя. В результате в огневой полости завязывается процесс взаимодействия компонентов топлива, повышается давление, обеспечивается выход двигателя на режим номинальной тяги.
При необходимости отклонения двигателя от номинального углового положения срабатывают рулевые гидроприводы 34, которые создают крутящие моменты, и двигатель отклоняется от номинального углового положения, поворачиваясь вокруг центра O′ карданного подвеса. При этом тяга двигателя передается вначале на его раму 2 через подшипники 5 и 6 карданного подвеса, а затем на шпангоут ракеты. При этом нижняя опорная плита 11 отклоняется за счет карданного подвеса 1 и изгибной деформации сильфонов 15 и 16. После работы и выключения двигателя рулевые гидроприводы возвращают его в исходное положение.
Крепление двигателя к силовой раме с помощью карданного подвеса и осуществление протока двух компонентов топлива через гибкие элементы устройства позволяет надежно управлять ракетой в пространственном положении и осуществлять гидравлическую связь баков горючего и окислителя с входными магистралями двигателя.
Размещение карданного механизма в протоке жидкого метана повышает работоспособность подшипниковых узлов, так как жидкий метан будет способствовать смазке.
По сравнению с прототипом в предлагаемым устройстве достигнуто заметное снижение массы и габаритов, что благоприятно сказывается на повышении надежности.
Промышленное применение
Наиболее целесообразной областью применения для предлагаемого устройства является ЖРД с тягой от несколько десятков тонна-сил до 200 тс, где достигается наибольший технический результат.