СПОСОБ УВОДА ОТДЕЛЯЮЩЕЙСЯ ЧАСТИ РАКЕТЫ-НОСИТЕЛЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ
METHOD OF CARRYING DETACHABLE PART OF LAUNCH VEHICLE AND DEVICE FOR IMPLEMENTATION THEREOF

Группа изобретений относится к ракетно-космической технике и может быть использована для предотвращения взрыва отделившихся частей (ОЧ) ступеней ракет-носителей (РН), оставшихся на орбитах выведения полезных нагрузок, спуске ОЧ с траекторий выведения, а также для предотвращения взрыва и пожара в районах падения ОЧ.
Известны способы спуска и ОЧ устройства для их реализации, например, по патенту РФ №2621771 B64G 1/26.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению относится группа изобретений по патенту РФ №2482034 B64G 1/26, F02K 9/58, F02K 9/42 - Способ увода и устройство, основанные на вращении ОЧ вокруг продольной оси до достижения стабилизации ее углового положения в пространстве, газификации жидких остатков невыработанных компонентов ракетного топлива в баках окислителя и горючего, сбросе газа наддува, находящегося в топливной системе, до заданной величины давления.
Устройство для реализации этого способа, в виде двигательной установки, включающей в свой состав топливные баки окислителя и горючего, систему наддува баков, систему газификации остатков компонентов ракетного топлива, систему стабилизации, управляемые электро-пневмоклапапы.
Основными недостатками этих технических решений являются:
– система газификации, основанная на подаче в топливные баки теплоносителей, является энергозатратной;
– происходящие при испарения жидких остатков процессы можно существенно интенсифицировать при аналогичных затратах энергии, либо меньших, используя остатки электричества в бортовых батареях (более 25% от начальных запасов);
– на борту ОЧ остаются запасы электричества в батареях, которые необходимо обесточить.
Техническим результатом предлагаемого технического решения является обеспечение условий взрывобезопасности ОЧ.
Указанный технический результат достигается за счет того, что в известном способе увода (спуска) ОЧ ракеты-носителя с орбиты, основанном на обеспечении вращения ОЧ вокруг центра масс, сбросе газа наддува перед началом процесса газификации жидких остатков компонентов ракетного топлива (КТ), находящихся в баках и топливных магистралях ОЧ, предлагается внести следующие действия:
1) перед запуском РН рассчитывают следующие параметры для каждого бака:
а) величины жидких остатков КТ,
б) количество циклов акустического и конвективного воздействия на КТ необходимых для полного испарения КТ и уровни КТ в днищах баков до и после завершения каждого цикла,
в) давления наддува парогазовой смеси в баке, давления КТ на днище, амплитуды и частоты акустического воздействия на КТ из условия при котором происходит максимальная скорость газификации КТ для каждого цикла,
г) необходимые скорости вращения ОЧ вокруг центра масс в плоскости тангажа (рыскания) для концентрации КТ в днище и с расчётным давлением на днище для каждого цикла,
2) для первоочередной газификации выбирают КТ1, находящийся в баке, например, имеющий максимальный момент инерции относительно центра масс ОЧ с соответствующей угловой скоростью вращения ОЧ,
3) для выбранного КТ1 вращают ОЧ вокруг центра масс с расчётной угловой скоростью в плоскости тангажа (рыскания), например, за счёт сброса давления парогазовой смеси из соответствующего бака через сопла газореактивной системы, обеспечивая концентрацию КТ1 с расчётным давлением на днище соответствующего бака для каждого цикла,
4) открывают дренажные клапаны в баке с КТ1 и осуществляют безмоментный сброс давления парогазовой смеси в баке с КТ1 до расчётной величины, соответствующей максимальному массовому секундному испарению КТ при акустическом воздействии для первого цикла,
11
5) осуществляют первый цикл акустического воздействия на КТ1 с расчётными параметрами на интервале времени ΔТ, определяемого из условия достижения состояния насыщенных паров КТ1 в парогазовой смеси в баке с КТ1,
21
12
6) одновременно в бак с КТ1 подают теплоноситель с расчётными параметрами на интервале времени ΔТ, определяемого из условия достижения расчётного давления парогазовой смеси в баке с КТ1, соответствующему режиму второго цикла акустического воздействия на КТ1 с расчётными параметрами на интервале времени ΔТ,
21
7) закрывают дренажные клапаны в баке с КТ1, при этом расход из дренажных клапанов определяют из условия сброса за интервал времени ΔТ объёма парогазовой смеси, образовавшейся как за счёт акустического, так и конвективного воздействия с учётом снижения давления для начала второго цикла,
8) изменяют угловую скорость вращения ОЧ до расчётного значения, соответствующему давлению КТ1 на днище при втором цикле,
12
9) осуществляют второй цикл акустического воздействия на КТ1 на интервале времени ΔТ, определяемого из условия достижения состояния насыщенных паров в баке с КТ1,
11
12
13
1n
21
22
2n
10) количество циклов (ΔТ, ΔТ, ΔТ … ΔТ, ΔТ, ΔТ, … ΔТ) осуществляют до полного испарения КТ1, после чего аналогичные действия повторяют для КТ2.
Устройство для реализации способа, включающее в свой состав топливный бак, систему сброса газа из бака, систему получения теплоносителя, систему управления, согласно заявляемому техническому решению дополнительно внутрь бака введены акустические генераторы, пластины, жестко связанные с излучателями, установленные равномерно на концентрических окружностях, соответствующих уровням топлива при котором пластины полностью погружены в КТ, а излучатели соединены электрическими связями с акустическими генераторами, которые связаны электрическими связями с системой управления, общая площадь пластин составляет 10 - 20% от площади поверхности КТ в баке, а размеры каждой пластины определяют из условия получения интенсивности излучения в 1 Вт/кв. см, и при оголении пластины отключают соответствующий акустический генератор.
Реализация способа и устройства
На фиг. 1 – 3 представлены материалы, поясняющие действие способа и устройства.
Фиг. 1. Начальное положение остатков компонента топлива (КТ)1, 2 в баках горючего 3 и окислителя 4 в состоянии невесомости после выключения маршевого жидкостного ракетного двигателя (ЖРД) 5.
Фиг. 2. Вращение ОЧ вокруг центра масс 6 ОЧ за счёт сброса парогазовой смеси с использованием газореактивных сопел 7, 8, 9, 10, установленных в плоскостях стабилизации тангажа (рыскания), для концентрации компонентов топлива 1, 2 в днищах 11, 12 баков горючего 3 и окислителя 4, соответственно; управляющие клапана 13, 14, 15, 16 на дренажных соплах для безмоментного сброса парогазовой смеси на магистралях 17, 18 из баков горючего 3 и окислителя 4; система получения теплоносителя: 19, 19а – управляемые клапаны на магистрали подачи теплоносителя в баки горючего 3 и окислителя 4,  20 – ёмкость с перекисью водорода, 20а – и магистрали подачи теплоносителя в бак и горючего 3 и окислителя 4.
Система получения теплоносителя входит в состав способа-прототипа, в этой связи её описание, выбор параметров теплоносителя не рассматривается, т.к. она не подвергается качественным изменениям.
Фиг. 3. Акустическая система на примере бака горючего 3: 21 – пластины, каждая установлена на излучателе 22; 23 – акустические генераторы для каждой пластины с излучателем, соединённые электрическими связями 24 с системой управления 25 и излучателями 23; 26 – концентрические окружности на внутренней поверхности бака горючего 3, на которых устанавливаются излучатели 22 с пластинами 21; 27 – уровни топлива на начало каждого цикла.
В ОЧ на момент выключения ЖРД кроме жидких остатков топлива в баках (3% и выше от начальной заправки) и давления наддува парогазовой смеси в баках (газ наддува гелий и пары компонента топлива ~2 – 3 атм), остаётся газ наддува гелий в шар-баллонах системы наддува баков (до 30% при давлении ~50 атм), а также неизрасходованные запасы электричества в бортовых батареях (до 30%). Эти остатки энергетики приводят к высокой вероятности взрыва ОЧ, которые остаются на орбитах, при спуске в плотных слоях атмосферы и пожара растительности в районах падения при ударе ОЧ о грунты. Для повышения эффективности известного способа и устройства предлагается:
1) перед запуском РН рассчитывают для каждого бака:
а) величины жидких остатков КТ,
Определение величин остатков КТ в баке ОЧ на момент выключения ЖРД осуществляется различными путями, например, при наземном моделировании полёта РН, для бака горючего величина остатка определится по формуле:
(1)
где  – известная начальная заправка, текущий массовый секундный расход горючего, время выключения ЖРД первой ступени, соответственно.
б) количество циклов акустического и конвективного воздействия на КТ необходимых для полного испарения КТ и уровни КТ в днищах баков до и после завершения каждого цикла,
За один цикл происходит испарение (газификация) КТ в баке массой:
,     (2)
где: ,  – составляющие испарившегося КТ за счёт акустического и конвективного воздействий, соответственно.
Методики определения этих величин, в частности,  изложено в работе (см., например, [1] авторов В.И. Трушляков, А.А. Новиков, И.Ю. Лесняк, А.В. Паничкин Исследование процесса испарения жидкости со свободной поверхностью в замкнутой ёмкости при понижении давления и акустическом воздействии//Теплофизика и аэромеханика, 2019, том 26, № 2, с. 275 – 286), определение  приведено в работе (например, см. [2] Трушляков В.И., Урбанский В.А. Исследование параметров процессов испарения невырабатываемых остатков жидкого топлива в баках отделяющейся части ступени ракеты-носителя в условиях невесомости//Омский научный вестник. Серия Авиационно-ракетное и энергетическое машиностроение. 2019. Т. 3. № 2. С. 103-114).
Определение уровней КТ в соответствующем днище до и после каждого цикла определяется для выбора мест установки пластин и излучателей, реализующим акустическое воздействие, при этом после снижения уровня топлива в результате испарения КТ и оголения пластин 21 прекращается подача электричества на генератор акустических колебаний 23 и соответствующий излучатель 22.
Количество циклов для каждого бака определяют из условия полной выработки соответствующего КТ.
в) давления наддува парогазовой смеси в баке, давления КТ на днище, амплитуды и частоты акустического воздействия на КТ из условия при котором происходит максимальная скорость газификации КТ для каждого цикла,
ав
дн
пгс
Для снижения дополнительных запасов топлива для получения теплоносителей, а также для утилизации остатков запасов электрической энергии предлагается дополнительно использовать метод испарения на основе акустико-вакуумного воздействия, приведённый в работе [1]. Существуют параметры акустического воздействия излучателя (амплитуда А и частота излучателя), давление жидкости на днище бака Р и давление парогазовой смеси в баке Р, при которых достигается максимальная скорость испарения жидкости. Эти параметры могут определяться на основе численных или экспериментальных исследований (например, [3] Zhi-Gang, ChenXiao-Yu, GuoTao Wu A novel dehydration technique for carrot slices implementing ultrasound and vacuum drying methods/ Ultrasonics Sonochemistry, Volume 30, May 2016, Pages 28-34 https://doi.org/10.1016/j.ultsonch.2015.11.026).
г) необходимые скорости вращения ОЧ вокруг центра масс в плоскости тангажа (рыскания) для концентрации КТ в днище и с расчётным давлением на днище для каждого цикла
дн1
дн2
Определение угловых скоростей вращения ОЧ вокруг центра масс в плоскости рыскания (тангажа)  для концентрации жидких остатков топлива в днищах с заданным давлением на днища баков Р, Р (фиг. 2) осуществляют по аналогии определения параметров работы инерционных разделительных устройств фаз жидкости, основанных на  вращательном движении, в частности, в системах обеспечения запуска ЖРД в условиях невесомости (см. [4] стр. 135 – 136 в кн. Основы теории и расчёта жидкостных ракетных двигателей. Кн. 2. Учебн. для авиац. спец. вузов/ А.П. Васильев, В.М. Кудрявцев, В.А. Кузнецов и др.; Под ред. В.М. Кудрявцева – 4 –е изд., перераб. и доп.– М.: Высш. шк., 1993 – 368 с.).
2) для первоочередной газификации выбирают КТ1, находящийся в баке, например, имеющий максимальный момент инерции относительно центра масс ОЧ с соответствующей угловой скоростью вращения ОЧ,
Предлагаемый способ предусматривает последовательное испарение и сброс парогазовой смеси из каждого бака ОЧ, т.к. одновременное действие способа для обеих баков невозможно из-за разных давлений КТ на днища баков при одной скорости вращения.
3) для выбранного КТ1 вращают ОЧ вокруг центра масс с расчётной угловой скоростью в плоскости тангажа (рыскания), например, за счёт сброса давления парогазовой смеси из соответствующего бака через сопла газореактивной системы, обеспечивая концентрацию КТ1 с расчётным давлением на днище соответствующего бака для каждого цикла,
Скорость вращения ОЧ выбирают из условий достижения всей массы КТ1 соответствующего днища, успокоения колебания свободной поверхности КТ1 и выхода пузырьков пара из массы КТ1 (см. кн. [3]).
В процессе вращения ОЧ, концентрации остатков топлива в днищах 11, 12, испарения и сброса парогазовой смеси из бака центр масс ОЧ 6 будет смещаться, что учитывается при расчёте всех величин.
4) открывают дренажные клапаны в баке с КТ1 и осуществляют безмоментный сброс давления парогазовой смеси в баке с КТ1 до расчётной величины, соответствующей максимальному массовому секундному испарению КТ при акустическом воздействии для первого цикла,
Реализация этого действия осуществляется путём подачи сигнала из системы управления 25 на управляющие клапаны 13, 14 или 15, 16 на дренажных соплах для безмоментного сброса парогазовой смеси на магистралях 17, 18 из баков горючего 3 и окислителя 4.
11
5) осуществляют первый цикл акустического воздействия на КТ1 с расчётными параметрами на интервале времени ΔТ, определяемого из условия достижения состояния насыщенных паров КТ1 в парогазовой смеси в баке с КТ1,
Реализация этого действия осуществляется путём подачи сигнала из системы управления 25 через электрическую связь 24 на генератор акустических колебаний 23, который подаёт электрическую энергию на излучатель 22 с расчётной амплитудой и частотой, которая и приводит в соответствующий режим колебаний  пластину 21.
21
12
6) одновременно в бак с КТ1 подают теплоноситель из системы получения с расчётными параметрами на интервале времени ΔТ, определяемого из условия достижения расчётного давления парогазовой смеси в баке с КТ1, соответствующему режиму второго цикла акустического воздействия на КТ1 с расчётными параметрами на интервале времени ΔТ.
Реализация этого действия осуществляется путём подачи сигнала из системы управления 25 на систему получения соответствующего теплоносителя 19 или 20 (19, 19а, 20, 20а) и подачу их в соответствующий бак горючего 3 или окислителя 4.
21
7) закрывают дренажные клапаны в баке с КТ1, при этом расход из дренажных клапанов определяют из условия сброса за интервал времени ΔТ объёма парогазовой смеси, образовавшейся как за счёт акустического, так и конвективного воздействия с учётом снижения давления парогазовой смеси в баке до величины, соответствующей оптимальному давлению для начала второго цикла
Управление осуществляется подачей соответствующих сигналов на управляющие клапаны 13, 14 или 15, 16 на дренажных соплах для безмоментного сброса парогазовых смесей.
8) изменяют угловую скорость вращения ОЧ до расчётного значения, соответствующему давлению КТ1 на днище при втором цикле
12
9) осуществляют второй цикл акустического воздействия на КТ1 на интервале времени ΔТ, определяемого из условия достижения состояния насыщенных паров в баке с КТ1
11
12
13
1n
21
22
2n
10) количество циклов (ΔТ, ΔТ, ΔТ … ΔТ, ΔТ, ΔТ, … ΔТ) осуществляют до полного испарения КТ1, после чего аналогичные действия повторяют для КТ2.
По предварительным оценкам достаточно 3 циклов для полного испарения КТ в каждом баке.
Устройство для реализации способа
В качестве прототипа принимается устройство по патенту РФ №2482034 B64G 1/26, F02K 9/58, F02K 9/42 с соответствующими дополнениями для реализации предлагаемого способа.
Устройство для реализации способа, включающее в свой состав топливный бак, систему сброса газа из бака, систему получения теплоносителя, систему управления, согласно заявляемому техническому решению дополнительно внутрь бака введены акустические генераторы, пластины, жестко связанные с излучателями, установленные равномерно на концентрических окружностях, соответствующих уровням топлива, при котором пластины полностью погружены в КТ, а излучатели соединены электрическими связями с акустическими генераторами, которые связаны электрическими связями с системой управления, общая площадь пластин составляет 10-20% от площади поверхности КТ в баке, а размеры каждой пластины определяют из условия получения интенсивности излучения в 1 Вт/кв. см, и при оголении пластины отключают соответствующий акустический генератор.
Реализация устройства
На примере бака горючего 3 (фиг. 3) приведено распределение пластин 21 и излучателей 22 по поверхности днища 11 по концентрическим окружностям 26. Элементы крепления излучателей с помощью кронштейнов привариваются к днищу 11 бака горючего 3. Акустические генераторы 23 располагаются, например, в межбаковом отсеке ОЧ и соединены электрическими связями 24  с излучателями 22 и системой управления 25.
При уровне топлива 27, закрывающем все установленные пластины 21 с излучателями 22, по команде системы управления 25 включаются все акустические генераторы 23, подавая электрические сигналы с заданной частотой и амплитудой на излучатель 22, жёстко соединённый с пластиной 21, обеспечивая её колебания. По мере снижения уровня топлива 27, часть пластин 21 с излучателями 22 будут обнажаться, переходя в режим холостого хода (отсутствие акустической нагрузки). При этом будет изменяться режим соответствующих акустических генераторов 23 (возрастет амплитуда тока возбуждения излучателей). Это изменение фиксируется соответствующими датчиками в системе управления 25 и производится отключение излучателей обнажившихся пластин.
Общую площадь пластин определяют из условия 0,1 - 0,2 от площади зеркала жидкости в баке, а размеры каждой определяют из условий получения интенсивности излучения в 1вт/кв. см. и установленной мощности используемого излучателя.
Например, для зеркала КТ диаметром 3 м в днище топливного бака площадь необходимой излучающей поверхности будет составлять 3,14*9/4*0,2 = 1,41 кв. м, что при площади одной излучающей пластины 0,3*0,3=0,09 кв. м, приводит к необходимости использования примерно 15 излучающих пластин.
Для пластины в 0,09 кв. м необходимая мощность излучателя для требуемой интенсивности в 1 Вт/кв. см составит величину порядка 1кВт (что потребует применения 2-х излучателей диаметром 60 мм из материала ПКВ-400). Это, в свою очередь, при частоте в 22-26 кГц определит максимальную конструктивную высоту пластины 21 и излучателя 22 в 100 – 110 мм.
Для крепления излучателей 22, используют скобы (кронштейны) для приваривания ко дну бака и к ним закрепляют излучатели 22 с установленными пластинами 21. От днища бака пластина 21 будет отстоять на высоте примерно 100 мм. По энергетике для максимальной загрузки, например, 8-ми излучателей потребуется около 5-8 кВт мощности, но по мере уменьшения количества топлива в баке эта мощность будет падать до 1-3 кВт для последних 4 пластин.
Определение количества и диаметров излучателей 22, так же, как и размеров излучателя, рассчитывается по известным методикам (см. кн. Пьезокерамические преобразователи: Методы измерения и расчет параметров: Справочник/под ред. С. И. Пугачева. - Л. Судостроение,1984.-256с.
В рассматриваемом примере используется излучатель, что при известной скорости звука в стали и дюралюминии (составные части излучателя) определяет линейный размер излучателя для частоты 26 кГц в 104 мм. Толщина излучающей пластины для такого типа излучателей - это 3-4 мм, материал - нержавеющая сталь.
Установка пластин и излучателей не окажет существенного влияния на гидродинамику потока КТ при его подаче в камеру сгорания ЖРД при его работе.
Остатков запаса мощности бортовых электрических батарей достаточно для обеспечения работы акустической системы для более 3 циклов.