БЛОК БАКОВ РАКЕТНОЙ СТУПЕНИ

Предлагаемая полезная модель относится к ракетно-космической технике, а именно к устройству последней ступени многоступенчатой ракетно-космической транспортной системы, более конкретно - к блоку баков такой ступени. Данная полезная модель может быть использована в ракетно-космических системах для выведения космических аппаратов на рабочие орбиты, требующие однократного или многократного включения двигательной установки ступени, несущей полезную нагрузку.
Известен блок баков ракетной ступени, которая использовалась в полетах автоматических межпланетных станций "Луна-16", "Луна-24" (Передвижная лаборатория на Луне. Луноход-1. М.: Наука, 1971, с.7- 9, [1]).
Этот блок баков имеет кольцеобразную конфигурацию и содержит расположенные диаметрально противоположно относительно продольной оси блока два сферических бака окислителя, два бака горючего и два приборных отсека. Крышка каждого из приборных отсеков размещена в нижней зоне блока с плоскостью стыка, перпендикулярной продольной оси блока
Указанное размещение емкостей с топливом дает возможность обеспечить для малых и средних ракетных ступеней с массой топлива
до 10 т приемлемое соотношение габаритных размеров, минимизирующее длину ступени в зоне полезного груза носителя.
Однако данной конструкции присущи недостатки. Блок баков имеет значительную массу, что делает невозможным использование его в ракетных системах для выведения на орбиты тяжелых полезных нагрузок типа коммерческих спутников связи. Обеспечение высоких динамических характеристик требует также увеличения жесткости конструкции, а следовательно, и дополнительных затрат массы. Объемы топливных баков используются неэффективно: при различных объемах запасов горючего и окислителя объемы баков одинаковы, при этом в баке горючего объем газовой подушки значительно больше, чем требуемый.
Кроме того, указанное размещение крышки приборного отсека делает невозможным обслуживание аппаратуры, находящейся в приборном отсеке, на технической позиции в составе собранного со смежной ступенью ракеты: для доступа к аппаратуре блока необходима его отстыковка от смежной ступени ракеты.
Известен также блок баков ракетной ступени по патенту Российской Федерации №2043956 [2], опубл. 20.09.95. Этот блок баков тоже имеет кольцеобразную конфигурацию и содержит расположенные диаметрально противоположно относительно продольной оси блока два сферических бака окислителя, два бака горючего и два приборных отсека. Однако оболочки баков горючего и приборных отсеков выполнены в форме сфер, диаметры которых равны диаметрам оболочек баков окислителя. Центры сфер оболочек баков горючего, приборных отсеков, а также центры сфер баков окислителя размещены в вершинах правильного шестиугольника, плоскость которого перпендикулярна продольной оси блока, а центр совмещен с продольной
осью блока. Оболочки баков горючего усечены одной, а оболочки приборных отсеков - двумя плоскостями, расположенными на одинаковом расстоянии от центров соответствующих сфер. Оболочки баков и приборных отсеков соединены по контурам усечения в последовательности: первый бак окислителя, первый бак горючего, первый приборный отсек, второй бак окислителя, второй бак горючего, второй приборный отсек.
На внешних поверхностях баков горючего и окислителя установлены шаробаллоны вытеснительной системы для управления маршевой двигательной установкой, шаробаллоны и баки двигательной установки системы ориентации и обеспечения запуска.
Аппаратура каждого из приборных отсеков размещена на крышке отсека.
Такая конструкция имеет более высокие динамические характеристики, она более эффективно использует полезное пространство обтекателя и более удобна для предстартового обслуживания на технической позиции.
Однако расположение упомянутых шаробаллонов и баков на внешней поверхности баков для горючего и окислителя обусловливает такую геометрию общей внешней формы блока баков, которая не позволяет достигнуть наиболее полного использования полезного пространства обтекателя. Несмотря на то, что описанное выполнение баков для горючего и окислителя обеспечивает более рациональное соотношение их объемов в рамках выбранной кольцеобразной конфигурации, объем приборных отсеков используется не полностью. Наличие недоиспользованных объемов в пространстве обтекателя и внутри приборных отсеков приводит, в конечном счете, к увеличению
массы блока и соответствующему уменьшению габаритов и массы полезной нагрузки.
Описанный блок баков ракетной ступени, известный из патента [2], наиболее близок к блоку по предлагаемой полезной модели.
Предлагаемая полезная модель решает задачу достижения технического результата, заключающегося в увеличении массы полезной нагрузки за счет повышения эффективности использования полезного пространства обтекателя и внутреннего пространства приборных отсеков и иного конструктивного выполнения приборного отсека.
Эта задача решается следующим образом.
Предлагаемый блок баков ракетной ступени, как и наиболее близкий к нему, известный из [2], имеет кольцеобразную конфигурацию и содержит расположенные диаметрально противоположно относительно продольной оси блока два сферических бака окислителя, два бака горючего и два приборных отсека.
При этом оболочки баков горючего и приборных отсеков выполнены в форме сфер, диаметры которых равны диаметрам оболочек баков окислителя. Центры сфер оболочек баков горючего, приборных отсеков, а также центры сфер баков окислителя размещены в вершинах правильного шестиугольника, плоскость которого перпендикулярна продольной оси блока баков, а центр совмещен с продольной осью блока баков. Оболочки баков горючего усечены одной, а оболочки приборных отсеков - двумя плоскостями, расположенными на одинаковом расстоянии от центров соответствующих сфер. Оболочки баков и приборных отсеков соединены по контурам усечения в последовательности: первый бак окислителя, первый бак горючего, первый приборный
отсек, второй бак окислителя, второй бак горючего, второй приборный отсек.
Блок баков содержит также шаробаллоны вытеснительной системы для управления маршевой двигательной установкой, шаробаллоны и баки двигательной установки системы ориентации и обеспечения запуска.
Аппаратура приборных отсеков установлена на съемных крышках.
Для достижения названного выше технического результата в предлагаемом блоке баков, в отличие от наиболее близкого к нему известного, все или часть шаробаллонов вытеснительной системы для управления маршевой двигательной установкой, шаробаллонов и баков двигательной установки системы ориентации и обеспечения запуска размещены внутри приборных отсеков и прикреплены к их оболочкам.
По меньшей мере, один из приборных отсеков негерметичен и имеет входное отверстие, обрамленное шпангоутом. При этом аппаратура такого приборного отсека размещена на его съемной крышке внутри герметично соединенного контейнера и снаружи этого контейнера на его поверхности, обращенной внутрь приборного отсека. Крышка такого приборного отсека закреплена на указанном шпангоуте через амортизаторы с помощью конической обечайки или с помощью стержневой фермы в трех точках. Она является терморадиатором для находящейся в контейнере и на нем аппаратуры.
В случае, когда крышка приборного отсека закреплена на упомянутом шпангоуте с помощью стержневой фермы, зазор между крышкой и шпангоутом может быть закрыт кожухом (экраном) для
защиты от статического электричества, выполненным из электропроводящего материала.
Оболочки шаробаллонов вытеснительной системы для управления маршевой двигательной установкой, размещенных внутри приборного отсека, могут быть выполнены из композитного материала.
Предлагаемая полезная модель иллюстрируется следующими чертежами:
- на фиг.1 показан общий вид блока баков в плане вместе с некоторыми другими элементами ракетной ступени;
- на фиг.2 - геометрия усечения оболочек баков и приборных отсеков;
- на фиг.3 - геометрия соединения оболочек;
- на фиг.4 - разрез Б-Б на фиг.1, иллюстрирующий размещение в приборном отсеке контейнера с аппаратурой и шаробаллонов;
- на фиг.5 пространственная геометрия средств крепления блока баков;
- на фиг.6 - общий вид ракетной ступени с предлагаемым блоком баков.
Блок баков, имеющий кольцевую конфигурацию, содержит (фиг.1) два сферических бака 13 окислителя, два бака 14 горючего, два приборных отсека 15.1 и 15.2, расположенных диаметрально противоположно относительно продольной оси (последняя перпендикулярна плоскости чертежа). Оболочки баков горючего и приборных отсеков выполнены в форме усеченных плоскостями сфер, диаметр которых равен диаметру сферической оболочки бака окислителя.
Сферическая оболочка бака горючего усечена одной плоскостью 16, а сферическая оболочка приборного отсека 15 - двумя плоскостями 17, 18, расположенными под углом друг к другу (фиг.2).
Секущие плоскости 16-18 удалены от соответствующих центров сферических поверхностей бака горючего и приборного отсека на одинаковые расстояния S. Центры сфер оболочек баков 13 окислителя, баков 14 горючего и приборных отсеков 15 размещены в вершинах правильного шестиугольника (фиг.3) в следующей последовательности: первый бак окислителя, первый бак горючего, первый приборный отсек, второй бак носителя, второй бак горючего, второй приборный отсек, первый бак окислителя. Баки горючего и приборные отсеки соединены друг с другом и с баками окислителя по контурам усечения 19 через промежуточные шпангоуты 20.
Хотя бы один из приборных отсеков негерметичен. На фиг.1 и фиг.4 такой отсек имеет обозначение 15.1. Входное отверстие этого приборного отсека обрамлено шпангоутом 24. Крышка 23 не полностью закрывает входное отверстие отсека К ней герметично присоединен контейнер 30. Аппаратура данного приборного отсека размещена внутри и снаружи контейнера 30 на его поверхности, обращенной внутрь приборного отсека. Крышка 23 (и вместе с нею контейнер 30) закреплена на шпангоуте 24 через амортизаторы с помощью конической обечайки или с помощью стержневой фермы в трех точках. На фиг.1 и фиг.4 показано крепление крышки с помощью стержневой фермы 31. В этом случае зазор между шпангоутом 24 и крышкой 23 может быть закрыт кожухом 32 (на чертежах показан штриховой линией), выполненным из текстолита и металлической сетки. Такой кожух выполняет функцию экрана для защиты аппаратуры от статического электричества.
Упомянутая крышка 23 одновременно выполняет роль терморадиатора для аппаратуры данного приборного отсека.
Благодаря тому, что не требуется обеспечивать герметичность этого приборного отсека, процесс установки и замены аппаратуры становится простым и оперативным. Контейнер с аппаратурой вместе с крышкой отсека, с которой он герметично соединен, легко может быть заменен на резервный без принятия мер по герметизации приборного отсека в целом и последующей проверки его герметичности.
Благодаря тому, что крышка, с которой соединен контейнер с аппаратурой, закреплена через амортизаторы, отпадает необходимость использования амортизаторов при установке каждого из узлов аппаратуры в отдельности. Расположение аппаратуры внутри герметизированного (благодаря герметичному соединению с крышкой) контейнера, размещенного, в свою очередь, в негерметичном приборном отсеке, позволяет обойтись без активной системы терморегулирования, которая необходима при размещении аппаратуры непосредственно внутри герметизированного приборного отсека. Поверхность контейнера тоже выполняет функцию терморадиатора, в том числе для аппаратуры 22, находящейся вне контейнера на его поверхности, обращенной внутрь приборного отсека. Это обеспечивается благодаря наличию теплового контакта аппаратуры с контейнером 30 в местах ее установки. В охлаждении этой аппаратуры участвует также терморадиатор, которым является крышка 23. Вне контейнера на его поверхности, обращенной внутрь негерметизированного пространства приборного отсека 15.1, может быть установлена аппаратура, имеющая собственную герметизацию, например, радиопередатчик приемо-передающего устройства. Для улучшения охлаждения аппаратуры, находящейся внутри контейнера, может быть использован обычный вентилятор, способствующий
циркуляции заполняющей гермоконтейнер газовой среды, например, азота.
Шаробаллоны 25 сжатого газа вытеснительной системы для управления маршевой двигательной установкой размещены внутри приборного отсека 15.1 (фиг.4) и прикреплены к его оболочке 29. Крепление может быть осуществлено с помощью герметизирующих фланцев, вваренных в оболочку отсека 15.1. Аналогично размещены шаробаллоны и баки 26 двигательной установки системы ориентации и обеспечения запуска.
На фиг.4 показано размещение шаробаллонов обоих типов и баков в одном и том же приборном отсеке 15.1. Такое размещение не является обязательным. Может оказаться целесообразным размещение шаробаллонов разного назначения и баков двигательной установки системы ориентации и обеспечения запуска в разных приборных отсеках. В зависимости от общего количества шаробаллонов и указанных баков, внутри двух приборных отсеков могут быть размещены они все или только некоторые из них. В любом случае освобождается и может быть использовано более рационально для размещения полезной нагрузки пространство над блоком баков.
В случае размещения шаробаллонов разного назначения и баков двигательной установки системы ориентации и обеспечения запуска в разных приборных отсеках необязательно выполнение их обоих описанным выше образом, иллюстрируемым фиг.4. Один из них может оставаться традиционно герметичным и не иметь съемного контейнера, герметично соединенного с крышкой, установленной с помощью стержневой фермы или конической обечайки на шпангоуте, обрамляющем входное отверстие. В таком приборном отсеке аппаратура устанавливается на крышке с помощью любых подходящих конструктивных
элементов. В этом случае целесообразно использовать отдельные амортизаторы для разных узлов аппаратуры. На фиг.1 представлен случай, когда один из приборных отсеков 15.2 выполнен традиционным образом, т.е герметичен в целом и не снабжен герметизированным контейнером для аппаратуры. Поэтому между ним и его крышкой 33 нет зазора.
Элементы конструкции блока баков выполнены из алюминиевых сплавов, соединение элементов друг с другом осуществляется сваркой. Шаробаллоны вытеснительной системы для управления маршевой двигательной установкой, размещенные внутри приборного отсека (отсеков) и находящиеся под дополнительной защитой оболочки приборного отсека, могут быть выполнены из композитного материала. Крышки 23 и 33 могут быть выполнены из магниевого сплава.
Топливные баки и баки для окислителя снабжены заправочными штуцерами, заборниками, демпферами, диафрагмами и другой арматурой, необходимой для их работы. В состав аппаратуры приборных отсеков могут входить радиокомплекс, система управления, система энергопитания.
Блок баков в составе ракетной ступени используется следующим образом.
На внешних поверхностях блока баков устанавливаются исполнительные органы 27 системы ориентации и обеспечения запуска и антенны 28 радиокомплекса. Во внутреннем проеме блока баков с помощью установочных элементов 12 размещается двухкомпонентный маршевый двигатель 8.
Узлы крепления 10 блока баков к полезной нагрузке и узлы крепления 9 блока баков к смежной ступени ракеты-носителя расположены
на концах стержней 21 (фиг.1, фиг.5), проходящих сквозь баки для топлива и окислителя и приборные отсеки и соединенных с их оболочками. Сквозь приборные отсеки пропущено по два стержня, поэтому всего стержней восемь. Указанные стержни установлены по ребрам правильной восьмиугольной усеченной пирамиды, ориентированной относительно блока баков таким образом, что ее ось совмещена с продольной осью 11.
Ракетная ступень с блоком баков 1 с помощью переходника 2 устанавливается на верхней ступени 3 ракеты-носителя (фиг.6). Сверху с помощью другого переходника 4 над блоком баков устанавливается полезная нагрузка 5. Полезная нагрузка и ракетная ступень с блоком баков помещены внутри головного обтекателя 6 в зоне 7 внутреннего пространства этого обтекателя. Маршевый двигатель 8 (фиг.1; на фиг.6 не показан) размещается так, что линия действия его тяги совпадает с продольной осью 11.
После сборки и заправки компонентами топлива ракетная ступень, в состав которой входит блок баков, стыкуется с полезной нагрузкой и смежной ступенью ракеты-носителя. В случае необходимости оперативного доступа к аппаратуре приборных отсеков в хотя бы в одном из них (15.1) крышка 23 с контейнером 30 отстыковывается от стержневой фермы 31 и отделяется вместе с аппаратурой, находящейся в контейнере 30 и на нем, без нарушения связей блока баков со смежной ступенью ракеты-носителя и полезной нагрузкой.
После стыковки и сборки ракетной ступени, содержащей блок баков, с ракетой-носителем осуществляется старт транспортной системы со стартового комплекса. Во время работы двигателей ракеты-носителя инерционные воздействия от полезной нагрузки воспринимаются силовой конструкцией блока баков. Последняя по существу
является конструктивной основой в целом ракетной ступени, непосредственно несущей полезную нагрузку.
После окончания работы двигательных установок ракеты-носителя ракетная ступень с блоком баков и полезной нагрузкой отделяется от смежной ступени ракеты-носителя. Управление ракетной ступенью с блоком баков и полезной нагрузкой и радиосвязь с ними осуществляются с помощью бортовой аппаратуры, размещенной в приборных отсеках блока баков.
В процессе полета ракетная ступень с блоком баков и полезной нагрузкой ориентируется в заданном направлении и стабилизируется с помощью исполнительных органов системы ориентации. Забор топлива, отделение жидкой фазы от газовых включений осуществляется за-борниками капиллярного типа либо с помощью предварительного сообщения ракетной ступени ускорения вдоль продольной оси реактивными исполнительными органами системы ориентации и обеспечения запуска. По окончании выведения полезной нагрузки на заданную орбиту ракетная ступень с блоком баков отделяется от полезной нагрузки.
Источники информации
1. Передвижная лаборатория на Луне. Луноход-1. М.: Наука, 1971, с.7-9.
2. Патент Российской Федерации №2043956, опубл. 20.09.95.