БЛОК ПОДАЧИ РАБОЧЕГО ТЕЛА В РЕАКТИВНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА
SUPPLY BLOCK OF A WORKING FLUID TO A JET ENGINE OF A SPACECRAFT

Предлагаемое изобретение относится к космической технике, а точнее к блоку подачи рабочего тела, например ксенона, в реактивный двигатель космического аппарата (КА).
Работа устройств подачи рабочего тела в двигательную установку (ДУ) КА заключается в подаче в реактивный двигатель рабочего тела из баллона высокого давления с предварительным снижением его давления до рабочего и его подогревом.
Известна корректирующая двигательная установка (КДУ) для аппаратов типа «Ресурс» (книга «Конструирование автоматических космических аппаратов» под редакцией чл.-кор. РАН Д.И. Козлова. Москва, Машиностроение. 1996. Стр. 419-422), включающая: шар-баллоны, датчики давления, электропневмоклапаны, блок редукторов, клапаны наддува, обратные клапаны, полости бака, пневмоклапаны, заправочные горловины, сигнализаторы давления, камеру сгорания.
Недостаток указанной КДУ заключается в большой массе, связанной с использованием двух видов рабочих тел (горючего и окислителя). Кроме того, принципиальная схема КДУ не позволяет обеспечивать работу в двух режимах с разными тягами двигателя, что ограничивает возможности ее применения для ДУ с малыми и большими тягами.
В качестве прототипа выбрана система подачи рабочего тела двигательной установки космического аппарата (патент RU №2293200), содержащая баллон высокого давления, заполненный рабочим телом и имеющий выходную магистраль с установленным в ней дросселем и заправочную горловину, подключенную к выходной магистрали. Выходная магистраль подключена к понижающим давление магистралям, каждая из которых включает последовательно установленные пускоотсечной клапан, функционально связанный с блоком управления, и редуктор давления; ресивер, установленный перед реактивным двигателем, снабженный источником энергии и температурным датчиком.
В указанной системе:
- дроссель выполнен в виде коаксиально установленного в выходной магистрали электронагревателя с резьбовым дросселирующим соединением его наружной поверхности с ее внутренней поверхностью и функционально связанного с блоком управления, причем выходная магистраль выполнена с наружной теплоизоляцией;
- ресивер выполнен со сквозной трубой с оребрением со стороны его полости, в которую установлен электронагреватель, функционально связанный через блок управления с температурным датчиком, установленным на ресивере, выполненным с наружной теплоизоляцией;
- к ресиверу подключен выход дополнительной понижающей давление магистрали, включающей последовательно установленные пускоотсечной клапан и редуктор давления, выполненные аналогично пускоотсечному клапану и редуктору давления в основной понижающей давление магистрали, а вход ее подключен между дросселем и пускоотсечным клапаном основной понижающей давление магистрали.
2
2
2
Недостатки устройства-прототипа заключаются в невозможности достаточно длительного времени непрерывной работы устройства из-за того, что в каждой понижающей давление магистрали применен один редуктор давления, который предназначен понижать давление рабочего тела от 250 (кгс/см) до 1,75 (кгс/см). Так как при снижении давления происходит одновременно расширение объема и снижение температуры рабочего тела, то при этом образуется конденсат из газообразного рабочего тела. Нерегулируемое образование конденсата в редукторе давления резко снижает надежность его работы в части обеспечения заданного давления на его выходе (1,75±0,1) кгс/см. При больших перепадах давления требуется и достаточно большой и быстрый теплоподвод к месту возможного образования конденсата, чтобы исключить его появление. Реализация такого теплоподвода к сложным конструкциям, к которым относится редуктор давления, проблематична и связана не только со снижением надежности устройства, но и с ухудшением его габаритно-массовых характеристик.
Задачи предложенного технического решения: расширение возможностей применения, повышение надежности работы устройства при улучшении его габаритно-массовых характеристик.
Поставленные задачи решены за счет того, что в предложенном блоке подачи рабочего тела в реактивный двигатель космического аппарата, содержащем баллон высокого давления, заполненный рабочим телом и имеющий выходную магистраль высокого давления с заправочной горловиной, подключенную к двум параллельным понижающим давление магистралям, выходы которых подключены к реактивному двигателю через ресивер, выполненный с наружной теплоизоляцией, как и выходная магистраль высокого давления, и с электронагревателем, управляемым блоком управления (БУ) по температурному датчику; каждая из понижающих давление магистралей содержит последовательно включенные пускоотсечной клапан, функционально связанный с БУ, и редуктор давления; в каждую из понижающих давление магистралей включены рядом с уже имеющимися дополнительный пускоотсечной клапан, функционально связанный с БУ, и дополнительный редуктор давления, причем участки каждой из понижающих давление магистралей между редукторами выполнены с возможностью теплоподвода; в качестве устройств теплоподвода в состав устройства введена тепловая труба, испаритель которой связан в тепловом отношении с баллоном высокого давления и с ресивером, причем тепловая труба выполнена с наружной теплоизоляцией по всей ее длине.
Принципиальная схема предложенного блока подачи рабочего тела в реактивный двигатель космического аппарата показана на чертеже фиг. 1.
Блок подачи рабочего тела в реактивный двигатель 1 космического аппарата содержит баллон 2 высокого давления, заполненный рабочим телом и имеющий выходную магистраль 3 высокого давления с заправочной горловиной 4. Магистраль 3 подключена к двум параллельным понижающим давление магистралям 5, 6, выходы которых подключены к реактивному двигателю 1 через ресивер 7, выполненный с наружной теплоизоляцией, как и выходная магистраль высокого давления 3, и с электронагревателем 8, управляемым блоком управления (БУ) 9 по температурному датчику 10. Каждая из магистралей 5 и 6 содержит последовательно включенные пускоотсечные клапаны 15, 11 и редукторы 17, 13 для магистрали 5 и последовательно включенные пускоотсечные клапаны 16, 12 и редукторы 18, 14 для магистрали 6. Пускоотсечные клапаны 15, 11, 16 и 12 функционально связаны с блоком управления 9. При этом участки 19 и 20 каждой из понижающей давление магистралей 5 и 6 между редукторами 17 и 13, 18 и 14 выполнены или с одним общим устройством теплоподвода от электронагревателя 21, управляемого блоком управления 9 по его температурному датчику 22, или от одного общего для обоих указанных участков магистралей 19 и 20 конденсатора 23 тепловой трубы 24, испаритель 25 которой связан в тепловом отношении с баллоном 2 высокого давления, или одновременно от обоих указанных устройств теплоподвода, или для каждого из указанных участков магистралей выполнен отдельный теплоподвод, или от электронагревателя, или от тепловой трубы (на чертеже не показано), выполненными с наружной теплоизоляцией 26 по всей длине тепловой трубы 24.
2
Блок подачи рабочего тела в реактивный двигатель 1 космического аппарата предназначен для обеспечения подачи газообразного рабочего тела, например ксенона, со стабилизированным давлением на уровне (1,75±0,1) кгс/см, как с одинарным, так и с двойным расходами в реактивный двигатель 1, который, соответственно, может работать с одинарной или двойной тягой.
Устройство работает следующим образом.
2
В исходном состоянии баллон 2 высокого давления заправлен рабочим телом, например ксеноном, через заправочную горловину 4 под давлением 250 кгс/см. Для включения в работу реактивного двигателя 1 в половину максимально возможной мощности посредством блока управления 9 в работу включают электронагреватели 21, 8 и открывают пускоотсечные клапаны 15, 11 на время, необходимое для создания реактивным двигателем импульса для изменения ориентации КА или корректировки его орбиты. При этом ксенон поступает в реактивный двигатель 1, обеспечивая его работу. Необходимое время открытия клапанов 15, 11 вычисляют с учетом требуемой регулировки ориентации КА, или корректировки его орбиты по радиокомандам с Земли, или по командам бортовой вычислительной машиной КА.
2
2
2
При прохождении ксенона через редуктор давления 17 давление ксенона снижается до (40-20) кгс/см. Одновременно с этим температура его понижается, а затем, проходя через участок 19, понижающей магистрали 5, снова повышается за счет теплоподвода к указанному участку от конденсатора 23 тепловой трубы или от электронагревателя 21 перед поступлением его в редуктор 13, на выходе из которого давление обеспечивается на уровне (1,75±0,1) кгс/см. Далее газообразный ксенон поступает в ресивер 7 и далее в реактивный двигатель 1, предназначенный для ориентации КА или коррекции его орбиты. Применение двух последовательно установленных редукторов 17 и 13 в понижающей давление магистрали 5 позволяет уменьшить резкое понижение температуры ксенона при снижении его давления от 250 до 1,75 кгс/см и, тем самым, облегчить задачу обеспечения подогрева ксенона для исключения образования конденсата, попадания конденсата в редуктор давления 13, что снизило бы стабильность его работы и работы реактивного двигателя 1.
В процессе работы устройства в указанном режиме к участку 19 понижающей давление магистрали 5 и к ресиверу 7 подводится тепло от конденсатора 23 тепловой трубы 24, испаритель 25 которой связан в тепловом отношении с баллоном высокого давления 2, температура которого обеспечивается на уровне (30-35)°C собственным устройством терморегулирования, что позволяет обеспечить их рабочие температуры на уровне не ниже 26°C. В случае выхода тепловой трубы 24 из строя температура участка магистрали 19, ресивера 7 понижается ниже температуры 26°C, при этом блок управления 9 автоматически включает в работу электронагреватели 21 и 8, работа которых управляется по их температурным датчикам 22 и 10 с предельными настройками (30,5±4,5)°C (соответственно выключение и включение электронагревателей).
Устройства подвода тепла позволяют исключить образование конденсата ксенона в указанном режиме работы устройства в редукторе давления 13 и в ресивере 7, обеспечив тем самым стабильное давление их работы и работы реактивного двигателя 1.
Для включения реактивного двигателя 1 в режим с максимальной удвоенной тягой, посредством блока управления 9 одновременно открываются все пускоотсечные клапаны 15, 11 и 16, 12. При этом ксенон поступает в реактивный двигатель 1 одновременно по двум понижающим давление магистралям 5 и 6, выполненным и работающим идентично. Устройство обеспечения рабочих температур участков магистралей 19, 20 и ресивера 7 работает так же как и в описанном случае подачи ксенона в реактивный двигатель 1 по одной понижающей магистрали 5.
Рабочие температуры, приведенные при описании работы устройства, указаны для случая, когда в качестве рабочего тела используется газообразный ксенон. В случае применения в качестве рабочего тела других газообразных или газожидкостных рабочих тел предложенное устройство позволяет обеспечивать соответственно другие рабочие температуры для обеспечения рабочего тела, подаваемого в реактивный двигатель 1 с требуемой температурой. Для чего необходимо соответствующим образом выбрать и установить предельные точки настройки температурных датчиков 22 и 10 в зависимости от требуемой для обеспечения температуры баллона высокого давления 2 и теплопередающей способности примененной тепловой трубы 24.
Таким образом, в предложенном устройстве обеспечено повышение надежности его работы, расширение возможности условий его применения путем обеспечения более длительной непрерывной его работы и с возможностью переменного расхода ксенона, подаваемого в реактивный двигатель 1.
Применение в устройстве одной тепловой трубы 24 и одного электронагревателя 21 для подогрева одновременно двух понижающих давление магистралей 5 и 6, а также для подогрева ресивера 7 указанной тепловой трубой 24 позволило дополнительно повысить надежность работы устройства, а также улучшить его габаритно-массовые характеристики.
Прохождение ксенона через ресивер 7 перед поступлением его в реактивный двигатель 1 сглаживает колебания давления. Применение в нем устройств теплоподвода с применением тепловой трубы 24 и электронагревателя 8 исключает образование конденсата ксенона при внезапном его расширении, поступления конденсата в реактивный двигатель 1 и, тем самым, дополнительно повышает надежность работы предложенного устройства.
Применение наружной теплоизоляции 25 по всей длине тепловой трубы 24, на участках 19 и 20 понижающих давление магистралей 5 и 6 и на электронагревателе 21 позволило повысить эффективность работы вновь введенного устройства обогрева блока подачи ксенона в реактивный двигатель 1, снизить его энергопотребление и, тем самым, улучшить его габаритно-массовые характеристики.
Предложенное устройство в настоящее время проходит заводские отработочные испытания для применения в дальнейшем на КА собственной разработки.