СПОСОБ УТИЛИЗАЦИИ НЕВЫРАБОТАННЫХ ОСТАТКОВ КОМПОНЕНТОВ РАКЕТНОГО ТОПЛИВА В ОТРАБОТАННЫХ СТУПЕНЯХ РАКЕТ-НОСИТЕЛЕЙ
UTILISATION METHOD OF RESIDUAL COMPONENTS OF ROCKET FUEL IN SPENT STAGES OF CARRIER ROCKETS

Изобретение относится к ракетной технике и может быть применено в ракетах-носителях (РН), использующих токсичные и экологически опасные компоненты ракетного топлива (КРТ).
Известно, что подавляющее большинство типов жидких КРТ являются токсичными веществами, вызывающими длительное загрязнение окружающей среды. Особо актуальным является этот вопрос в связи с тем, что в большинстве случаев траектории спуска отработанных (отделившихся) ступеней РН проходят над районами с достаточно развитой инфраструктурой, а топливные баки, содержащие невыработанные остатки КРТ разгерметизируются в атмосфере или, в подавляющем большинстве случаев, при ударе о Землю.
По статистике масса невыработанных остатков КРТ для первых ступеней РН легкого класса (например «Космос») составляет около 300 кг по горючему - несимметричному диметилгидразину (НДМГ) и около 1000 кг по окислителю на основе азотной кислоты (АК). Для первых ступеней тяжелых РН (например РН «Протон») невыработанный остаток по НДМГ составляет около 1200 кг и по азотному тетраоксиду - около 3600 кг [1].
2
2
Известно, что после входа ступени РН (далее по тексту - ступени) в атмосферу, она либо ориентируется тяжелым двигательным отсеком вперед, либо совершает колебательные и вращательные движения относительно своего центра масс. При этом ступень движется под действием только двух сил: силы тяжести и силы лобового сопротивления, направленной в первом случае строго в противоположную сторону относительно вектора скорости ступени. В случае вращательно или колебательного движения ступени относительно ее центра масс колебания или прецессия силы лобового сопротивления также будет происходить симметрично относительно вектора скорости. Спуск ступени носит неуправляемый характер и происходит по баллистической траектории. Из-за действия большого числа случайных факторов площадь рассеяния точек падения ступеней значительна. Так, под районы падения (РП) отработанных ступеней, запущенных с космодрома «Плесецк» отводят около 50 тыс.км, а для космодрома «Байконур» - более 95 тыс.км. Причем для «Байконура» более половины отведенных площадей - это территории республик Казахстана и Туркмении [2].
Известны способы уменьшения площадей РП отработанных ступеней за счет управления их спуском на атмосферном участке траектории посредством дополнительных аэродинамических поверхностей (выдвижные и надувные крылья, парашюты). Конструктивным недостатком ступеней с дополнительными аэродинамическими поверхностями является ухудшение их массовых и аэродинамических характеристик на этапе активной работы ступени [3, 4].
Известен способ управления спуском космических аппаратов «Апполон», «Джемини» и «Союз» за счет изменения угла крена посредствам специальных жидкостных ракетных двигателей с вытеснительной системой подачи КРТ в камеры сгорания [5].
Известен способ уничтожения невыработанных остатков жидких КРТ в отработанных ступенях на этапе спуска путем их сжигания в бортовом дожигателе, находящемся в нижней части ступени. Дожигатель начинает работать после стабилизации полета ступени и ориентации ее тяжелым двигательным отсеком вперед. Подача горючего и окислителя в дожигатель осуществляется одновременно за счет давления наддува баков и их гидростатического давления, а выбрасывание продуктов сгорания осуществляется не в донную часть ступени. Выключение дожигателя происходит в момент окончания одного из компонентов ракетного топлива. При этом оставшееся количество второго компонента ракетного топлива попадает в окружающую среду после падения ступени [6].
Известен способ уничтожения невыработанных остатков жидких КРТ на этапе спуска отработанных ступеней (после их отключения и до столкновения с Землей), при реализации которого в отличие от способа, описанного в [6], КРТ в камеру дожигателя сначала подаются с избытком окислителя. После окончания окислителя, в дожигатель начинает подаваться воздух для сжигания остатка горючего [7]. При этом в момент удара ступени о поверхность Земли в окружающую среду могут попасть только пары КРТ и их остатки в виде пленки смачивания на стенках бака.
Последний способ взят в качестве прототипа.
Прототип имеет основной недостаток: энергия продуктов сгорания, образовавшихся в дожигателе, безвозвратно теряется.
Задачей изобретения является разработка такого способа утилизации невыработанных остатков КРТ на этапе спуска ступени, который бы позволял использовать энергию продуктов сгорания КРТ, образующихся в дожигателе, для создания сил, способных изменять углы атаки и рысканья корпуса ступени (по отношению к набегающему потоку воздуха), и далее использовать возникающие при этом аэродинамические силы, обусловленные аэродинамическим качеством корпуса ступени, для управления ее спуском.
Техническим результатом осуществления указанного способа утилизации невыработанных остатков КРТ в отработанных ступенях РН является утилизация остатков КРТ путем использование их энергии для осуществления управления спуском ступени за счет аэродинамического качества ее корпуса.
Этот технический результат способа утилизации невыработанных остатков жидких КРТ в отработанных ступенях путем их одновременной подачи в дожигатель на этапе спуска ступени с дожиганием остатков горючего, после окончания окислителя, кислородом воздуха и выбрасыванием продуктов горения через боковую поверхность корпуса ступени достигается тем, что, помимо использования указанных выше общих с прототипом признаков, вводятся такие новые признаки как выбрасывание продуктов горения КРТ через сопла Лаваля, расположенные в конструкционных плоскостях ступени, в направлениях, перпендикулярных ее продольной оси, и использование реактивных сил, возникающих при выбрасывании продуктов горения из сопел Лаваля, для изменения углов атаки и рысканья корпуса ступени и управления ее спуском за счет аэродинамического качества корпуса ступени.
Сущность изобретения заключается в том, что при изменении углов атаки корпуса ступени за счет приложения к ее корпусу сил от сопел Лаваля, через которые выбрасываются образующиеся в дожигателе продукты сгорания невыработанных остатков КРТ, возникают аэродинамические силы, достаточные для изменения траектории движения ступени и увода ее точки падения на Землю.
Благодаря сочетанию общих с прототипом признаков и новых признаков, отделившаяся ступень приобретает новое свойство - способность утилизации невыработанных остатков КРТ путем использования их энергии для осуществления управления спуском ступени за счет аэродинамического качества ее корпуса.
<mrow><msub><mrow><mover accent="true"><mi>V</mi><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow><mi>∞</mi></msub></mrow>
Физическое обоснование возможности получения указанного выше технического результата заключается в следующем. После стабилизации ступени тяжелым двигательным отсеком навстречу набегающему потоку воздуха
(фиг.1) невыработанные остатки КРТ под действием инерционных сил собираются у нижних днищ баков. Затем начинается одновременная подача невыработанных остатков КРТ в дожигатель, размещенный в нижней части ступени (например, в двигательном отсеке).
Подача КРТ в дожигатель происходит под действием остаточного давления наддува топливных баков и гидростатического давления, обусловленного высотой столба каждого из КРТ и величиной ускорения торможения. При этом подача КРТ в дожигатель производится с избытком окислителя. После его окончания в дожигатель начинает подаваться воздух, кислород которого используется в ходе горения остатка горючего. Горение в дожигателе прекращается в момент окончания горючего.
В отличие от прототипа продукты сгорания КРТ, образующиеся в дожигателе, выбрасываются через сопла Лаваля, расположенные на боковой поверхности ступени в ее конструкционных плоскостях, в направлениях, перпендикулярных продольной оси ступени, и создают в этих направлениях реактивные силы.
Такой характер приложения реактивных сил от сопел Лаваля приводит к изменению углов атаки и рыскания корпуса ступени (по отношению к набегающему потоку воздуха) и, как следствие, - к появлению, кроме силы лобового сопротивления, подъемной и боковой аэродинамических сил, приложенных к корпусу ступени. Совокупность этих аэродинамических сил, обусловленных аэродинамическим качеством корпуса ступени, и изменяет траекторию ее движения.
<mrow><msub><mrow><mover accent="true"><mi>F</mi><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow><mrow><mi>y</mi><mi>n</mi></mrow></msub></mrow>
<mrow><mover accent="true"><mi>R</mi><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow>
<mrow><mover accent="true"><mi>R</mi><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow>
yn
a
a
a
a
a
a
Физическое обоснование эффекта от введения отличительных признаков изобретения поясняется чертежом (см. фиг.1). На фиг.1 показана схема распределения сил, возникающих при спуске в атмосфере ступени, оснащенной связанными с дожигателем соплами Лаваля, установленными в конструкционных плоскостях ступени и создающими реактивные силы в направлениях, перпендикулярных ее продольной оси. Для упрощения рисунка ступень показана с одним соплом. Реактивная сила от сопла Лаваля
(являющаяся по своему назначению управляющей силой), действует перпендикулярно продольной оси ступени (ось X), создает управляющий момент М относительно центра масс О ступени и вызывает ее поворот относительно центра масс. Это, в свою очередь, приводит к изменению полной аэродинамической силы
, приложенной в центре давления - точке D и, следовательно, - к изменению проекции силы
на оси скоростной системы координат OXYZ. Они называются: Х - сила лобового сопротивления, Y - подъемная сила, Z - боковая сила.
<mrow><msub><mrow><mover accent="true"><mi>F</mi><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow><mrow><mi>y</mi><mi>n</mi></mrow></msub></mrow>
yn
z
yn
a
a
Например, если реактивная сила
действует в плоскости тангажа, то создаваемый ею управляющий момент M поворачивает ступень относительно оси Z связанной системы координат OXYZ до такого угла атаки α, при котором стабилизирующий аэродинамический момент корпуса ступени M становится равным управляющему моменту M. При этом изменяется сила лобового сопротивления Х и появляется отличная от ноля подъемная сила Y. Суммарное действие этих сил, лежащих в плоскости тангажа, приводит к изменению дальности полета ступени на этапе спуска по сравнению с баллистическим неуправляемым спуском.
a
a
a
Аналогичным образом могут действовать реактивные силы, создаваемые соплами Лаваля, установленными в других плоскостях ступени. Суммарное действие всех этих сил приведет к изменению полного угла атаки α, изменению силы лобового сопротивления Х и появлению отличных от ноля подъемной Y и боковой Z аэродинамических сил. Это позволяет изменять траекторию спуска ступени в нужном направлении по сравнению с баллистической не только в плоскости тангажа, но и по курсу, и направлять спускающуюся ступень в нужную точку РП, удобную для последующего поиска и вывоза ступени, утилизируя таким образом невыработанные остатки КРТ.
Избыток окислителя в подаваемых в дожигатель КРТ (который достигается за счет подбора гидравлических характеристик системы их подачи) обеспечивает гарантированное уничтожение окислителя. Последующее после окончания окислителя дожигание горючего в кислороде атмосферного воздуха обеспечивает гарантированное уничтожение и остатка токсичного горючего до момента удара ступени с поверхностью Землю.
Суть изобретения поясняет чертеж (фиг.2). На нем позициями обозначено:
торм
1 - зона повышенного давления торможения набегающего потока воздуха Р;
2 - клапаны подачи продуктов сгорания к соплам Лаваля;
3 - сопла Лаваля;
4 - клапан подачи воздуха в дожигатель;
5 - клапан подачи горючего в дожигатель;
6 - дожигатель;
7 - маршевый двигатель;
8 - клапан двойного действия подачи окислителя в дожигатель;
9 - клапан сообщения нижней части заправочной магистрали окислителя с расходной магистралью окислителя;
10 - насос окислителя;
11 - заправочно-сливной клапан окислителя;
12 - заправочная магистраль окислителя;
13 - бак горючего;
14 - бак окислителя;
15 - заборное устройство бака окислителя;
16 - заборное устройство бака горючего;
17 - пусковой мембранный клапан окислителя;
18 - заправочно-сливной клапан горючего;
19 - расходная магистраль окислителя;
20 - пусковой мембранный клапан горючего;
21 - расходная магистраль горючего;
22 - насос горючего;
23 - отсечные клапаны окислителя;
24 - отсечные клапаны горючего;
25 - воздуховод.
торм
a
Предложенный способ осуществляется следующим образом. На заатмосферном участке спуска ступени остатки КРТ находятся в состоянии невесомости и совместно с газами наддува топливных баков образуют в каждом из них соответствующие газово-жидкостные смеси. После входа в атмосферу ступень ориентируется тяжелым двигательным отсеком вперед (фиг.1) и на ее днище образуется зона 1 (фиг.2) повышенного давления торможения набегающего потока воздуха P, приводящего к появлению силы лобового сопротивления X, (фиг.1), которая вызывает торможение ступени.
Остатки КРТ по инерции собираются у заборных устройств 15 и 16 баков окислителя 14 и горючего 13 соответственно. Далее, через прорванный при запуске маршевых двигателей 7 пусковой мембранный клапан окислителя 17 окислитель заполняет расходную магистраль окислителя 19, насос окислителя 10 и далее всю линию подачи окислителя, вплоть до закрытого (в момент отключения маршевых двигателей 7) отсечного клапана окислителя 23. Также заполняется заправочная магистраль окислителя 12 до заправочно-сливного клапана 11.
Аналогично по линии подачи горючего через прорванный при запуске маршевых двигателей 7 пусковой мембранный клапан горючего 20 горючее заполняет расходную магистраль горючего 21, насос горючего 22 и далее всю линию подачи горючего, вплоть до закрытого отсечного клапана горючего 24. Также заполняется заправочная магистраль горючего (на фиг.2 не обозначена) до заправочно-сливного клапана горючего 18.
<mrow><msubsup><mi>Р</mi><mi>б</mi><mrow><mo>"</mo><mi>О</mi><mo>"</mo></mrow></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>Р</mi><mi>б</mi><mrow><mo>"</mo><mi>Г</mi><mo>"</mo></mrow></msubsup></mrow>
После этого срабатывают клапаны 5 и 8 подачи (из соответствующих расходных магистралей) окислителя и горючего в дожигатель 6, срабатывают клапаны сообщения тупиковых участков заправочных магистралей (например, клапан 9) с соответствующими магистралями подачи КРТ на дожигание. Окислитель и горючее поступают в дожигатель 6 под действием остаточного давления наддува
и
баков окислителя 14 и горючего 13 соответственно и под действием гидростатического давления столба жидкости.
yn
z
yn
a
a
a
При работе дожигателя 6, продукты горения выпускаются через сопла Лаваля 3, сориентированные таким образом, чтобы векторы создаваемых ими реактивных сил были перпендикулярны продольной оси ступени - оси X. Суммарное действие реактивных сил от всех сопел Лаваля приводит к появлению управляющего момента M и изменению полного угла атаки α до такого его значения, при котором стабилизирующий аэродинамический момент корпуса ступени M становится равным управляющему моменту M. Стабилизация корпуса ступени на угле атаки α, отличном от ноля, приводит к изменению силы лобового сопротивления X и появлению отличных от ноля подъемной Y и боковой Z аэродинамических сил. Регулирование величины реактивных сил сопел Лаваля осуществляется посредством клапанов 2, установленных в газоводах подачи продуктов сгорания КРТ к соплам Лаваля. Под действием перечисленных выше аэродинамических сил изменяется траектория спуска ступени.
торм
yn
Окислитель подается с избытком, поэтому он заканчивается раньше. В момент его окончания клапан двойного действия 8 закрывается для исключения поступления в дожигатель 6 газа наддува бака окислителя. Одновременно с клапаном 8 срабатывает на открытие клапан 4 подачи воздуха в дожигатель (например, мембранного тапа). В результате его открытия воздух из зоны 1 повышенного давления торможения набегающего потока воздуха P по воздуховоду 25 начнет поступать в дожигатель 6, и процесс горения остатка горючего продолжится в среде кислорода воздуха. Продукты сгорания остатка горючего также можно использовать для создания управляющего моменту M.
Срабатывание клапана 8 на закрытие требуется в том случае, если бак окислителя наддувается газом, отличным от воздуха, например азотом или гелием.
Предлагаемая последовательность подачи КРТ в дожигатель с избытком окислителя на первом этапе и использования воздуха для дожигания остатка горючего после окончания окислителя позволяет уничтожить оба компонента в условиях вероятностно неопределенного характера соотношения окислителя и горючего на момент отключения маршевых двигателей 7, обусловленной погрешностью работы системы регулирования подачи КРТ РН.
Если же КРТ в дожигатель 6 будут подаваться в соотношениях, близких к рабочим, либо в стехиометрическом соотношении, то возможно возникновение ситуации, когда горючее выработается раньше окислителя. В этом случае уничтожение окислителя, оставшегося в ступени на момент окончания горючего, будет невозможно.
Как показывают расчеты с использованием математических моделей, учитывающих изменение аэродинамических сил по времени (вследствие изменения величины равновесных углов атаки α из-за изменения плотности воздуха от высоты полета, давлений подачи КРТ - вследствие уменьшения высоты столба остатка каждого КРТ и т.д.) [8, 9] применение заявленного способа утилизации невыработанных остатков КРТ в отработанных ступенях жидкостных РН приведет к уводу их точек падения на Землю на десятки километров по дальности и по курсу по сравнению с неуправляемым баллистическим спуском.
Литература
1. Козлов Е.А., Архипов В.А., Березиков А.П., Шереметьева У.М., Третьяков Н.С. Математическое моделирование техногенных загрязнений при отделении ступеней ракет-носителей// Тезисы докладов Всероссийской конференции «Современные методы математического моделирования природных и антропогенных катастроф» - Кемерово: ИВТ СО РАН, 2005.
2. www.rian.ru, интервью Юрия Зайцева 15.10.2007.
3. lenta.ru/russia/2004/07/23/regions/.
4. Spacenews.ru, 8 июня 2006 г.
5. www.astronaut.ru/bookcase/books/popov02/text/09.htm.
6. Патент на изобретение №2196081 «Способ уничтожения невыработанных остатков жидких компонентов ракетных топлив в отработанных ступенях жидкостных ракет».
7. Патент на изобретение №2189484 «Способ уничтожения невыработанных остатков компонентов ракетных топлив в отработанных ступенях жидкостных ракет».
8. Казимиров А.В., Ведерников М.В. Обоснование необходимости и возможности создания систем управления отработанными ступенями РН на этапе спуска путем дожигания невыработанных остатков КРТ // Труды ВКА имени А.Ф. Можайского, выпуск 627, С-Пб, ВКА имени А.Ф.Можайского, РФ 2010 г.
9. Казимиров А.В., Ведерников М.В. Результаты расчетов траектории спуска первой ступени ракеты-носителя 11К65М, корректируемой при помощи невыработанных остатков КРТ // Труды ВКА имени А.Ф. Можайского, выпуск 631, С-Пб, ВКА имени А.Ф.Можайского, РФ 2011 г.