УНИВЕРСАЛЬНЫЙ ВОДОРОДНО-КИСЛОРОДНЫЙ РАКЕТНЫЙ МОДУЛЬ
UNIVERSAL HYDROGEN-OXYGEN ROCKET MODULE

Изобретение относится к ракетно-космической технике, а именно к конструкции универсальных водородно-кислородных ракетных модулей (далее ракетный модуль), предназначенных для выведения на орбиту полезных грузов с применением в основном в ракетных блоках вторых и третьих ступеней различных типов ракет-носителей (РН).
Известен разгонный блок (КВРБ), включающий топливные отсеки, двигательные установки, хвостовой отсек, в котором используется водородно-кислородное топливо (см. В.Н. Кобелев, А.Г. Милованов, Средства выведения космических аппаратов, изд. «Рестар», Москва, 2009 г., стр. 401).
Известна двухступенчатая баллистическая многоразовая транспортная космическая система, содержащая ракетные ступени с баками горючего (водород) и баками окислителя (кислород), маршевые двигательные установки, хвостовой отсек (RU патент №2485025).
Известна ракета-носитель, в которой блок второй ступени содержит бак горючего (жидкий водород), бак окислителя (жидкий кислород), кислородно-водородные двигатели, переходной отсек, хвостовой отсек, а также ферменный межступенчатый отсек и отражатель, защищающий центральный блок первой ступени от воздействия высоких температур газовых струй при запуске двигателей второй ступени (см. «Новости космонавтики» №5 (316) стр. 44, 2009 г. - прототип).
Конструкция известного, а также вышеописанных ракетных блоков ограничивает их эксплуатационные возможности, так как требуют проведения наземной экспериментальной отработки ракетного блока в полном объеме для каждого типа РН, применяемой для выведения на орбиту полезного груза, а их наземная отработка и эксплуатация с использованием водорода и кислорода в топливных баках требует принять меры по пожаровзрывозащищенности, исключающей образование взрывоопасной смеси в ракетном блоке.
Задачами заявленного технического решения является создание ракетного модуля ракетного блока, расширяющие его эксплуатационные возможности путем сокращения объема наземной экспериментальной отработки при макетно-конструкторских, статических, динамических, электрических испытаниях ракетного блока и исключения необходимости проведения «холодных» и «огневых» стендовых наземных испытаний ракетного модуля под каждый тип РН с обеспечением его пожаровзрывобезопасности, за счет введения и размещения в межбаковом отсеке ракетного модуля ракетного блока автономных приборов служебных систем, электрически взаимодействующих с приборами контроля и управления применяемой РН и наземного контрольного и испытательного оборудования, а также за счет компоновки узлов, агрегатов пневмогидросистемы и их связей с наземным контрольным и испытательным оборудованием, обеспечивающих унификацию ракетного модуля для ракетных блоков с различными суммарными импульсами тяги.
Поставленная задача решается тем, что в универсальном водородно-кислородном ракетном модуле, содержащем топливные баки горючего и окислителя, межбаковый отсек, ферменный межступенчатый отсек, сопряженный с ракетой-носителем, кислородно-водородные двигатели, согласно изобретению ферменный межступенчатый отсек с закрепленным на его нижнем торце теплозащитным отражателем является составной частью ракетного модуля, при этом под теплозащитным отражателем размещены средства продувки кислородно-водородных двигателей азотом, которые посредством трубопровода через разъемное соединение, закрепленное на верхнем торце ферменного межступенчатого отсека, связаны с входными штуцерами подачи азота на кислородно-водородных двигателях, а в межбаковом отсеке установлены приборы служебных систем ракетного модуля и при необходимости приборы системы управления и радиосистем РКН, электрически взаимодействующие с приборами систем ракеты-носителя, закрепленные посредством узлов крепления в нишах, выполненных в межбаковом отсеке, при этом на межбаковом отсеке размещен разделяемый узел, который посредством управляющих клапанов пневмогидравлической системы ракетного модуля взаимодействует с агрегатом связи бортового и наземного оборудования, а агрегаты пневмогидравлической системы, электрически связанные со служебными системами ракетного модуля, размещены в продуваемых нейтральным газом полостях герметичных корпусов, соединенных трубопроводами подачи газа от наземного оборудования через разделяемый узел и агрегат связи бортового и наземного оборудования и соединенных трубопроводами выведения газа наружу ракетного модуля с защитными устройствами, закрепленными на корпусе ракетного модуля, а баллоны бортового наддува гелием топливного бака окислителя и их выходные патрубки, через фланцевые соединения и узлы герметизации жестко закреплены на нижнем днище топливного бака горючего, при этом отсеки ракетного модуля снабжены заборными устройствами, взаимодействующими со съемными трубопроводами наземного газоанализатора, а на внешней стороне ферменного межступенчатого отсека размещена съемная пылевлагозащитная оболочка, причем в зависимости от типа ракет-носителей топливные баки горючего и топливные баки окислителя выполнены одного диаметра с высотами в зависимости от суммарного импульса тяги ракетного блока.
Заявленный универсальный водородно-кислородный ракетный модуль изображен на чертежах:
- на фиг. 1 - общий вид;
- на фиг. 2 - ферменный межступенчатый отсек с теплозащитным отражателем (выносной элемент А, фиг. 1)
- на фиг. 3 - межбаковый отсек и днища баков (выносной элемент Б, фиг. 1).
- на фиг. 4 - баллон бортового наддува гелием топливного бака окислителя на днище бака горючего (выносной элемент В, фиг. 3).
На чертежах представлены позиции:
1 - ракетный модуль;
2 - топливный бак горючего;
3 - топливный бак окислителя;
4 - межбаковый отсек;
5 - ферменный межступенчатый отсек;
6 - ракета-носитель;
7 - кислородно-водородные двигатели;
8 - теплозащитный отражатель;
9 - баллон;
10 - клапан;
11 - трубопровод;
12 - разъемное соединение;
13 - входной штуцер;
14 - ферма;
15 - двигательный отсек;
16 - прибор системы контроля;
17 - прибор системы управления;
18 - пневмогидравлическая система;
19 - прибор системы пожаровзрывопредупреждения;
20 - газоанализатор;
21 - верхний отсек;
22 - кабели;
23 - прибор системы управления ракеты космического назначения;
24 - прибор радиосистемы ракеты космического назначения;
25 - стендовая система управления и контроля;
26, 27 - ниши;
28 - узел крепления;
29 - разделяемый узел;
30 - трубопровод;
31 - управляющий клапан;
32 - агрегат связи;
33 - наземное оборудование;
34 - разъемный электросоединитель;
35 - корпус;
36 - корпус;
37 - трубопровод;
38 - защитное устройство;
39 - баллон бортового наддува топливного бака окислителя;
40 - выходной патрубок;
41 - фланцевое соединение;
42 - узел герметизации;
43 - нижнее днище;
44, 45, 46 - заборные устройства;
47, 48, 49 - съемные трубопроводы;
50 - наземный газоанализатор;
51 - съемная пылевлагозащитная оболочка;
52, 53, 54 - кольцевая секция;
55, 56 - обечайка;
57 - наземная система управления и пуска;
58, 59, 60 - коллекторы;
61, 62, 63 - дренажные защитные устройства;
64 - пневмозамок;
65 - бортовая часть узла связи;
66 - отделяемая часть узла связи;
67 - средство разделения.
Ракетный модуль 1 (фиг. 1) как составная часть ракетного блока, содержащий топливный бак горючего 2 (водород) и топливный бак окислителя 3 (кислород), межбаковый отсек 4, ферменный межступенчатый отсек 5, сопряженный с предыдущей ступенью ракеты-носителя 6, отделяемой от термогазодинамического воздействия при запуске кислородно-водородных двигателей 7, ферменный межступенчатый отсек 5 с закрепленным на его нижнем торце теплозащитным отражателем 8 является составной частью ракетного модуля 1.
Под теплозащитным отражателем 8 размещены средства продувки кислородно-водородных двигателей 7 азотом (фиг. 1).
Средства продувки кислородно-водородных двигателей 7 азотом состоят из одного или нескольких баллонов 9 и клапана 10, которые посредством трубопровода 11 через разъемное соединение 12, закрепленное на верхнем торце ферменного межступенчатого отсека 5 (фиг. 2), связаны с входными штуцерами 13 подачи азота на кислородно-водородных двигателях 7. Трубопровод 11 закреплен на ферме 14 двигательного отсека 15.
В межбаковом отсеке 4 (фиг. 3) установлены приборы служебных систем ракетного модуля 1, включающие приборы системы контроля 16, обеспечивающие сбор и преобразование измеряемых параметров систем ракетного модуля 1 и контроль уровней заправки компонентов топлива; приборы системы управления 17, управляющие агрегатами пневмогидравлической системы 18 и кислородно-водородными двигателями 7, реализующие циклограмму разделения ракетного модуля 1 с предыдущей ступенью ракеты-носителя 6, запуска, работы, останова и аварийной защиты кислородно-водородных двигателей 7; приборы системы пожаровзрывопредупреждения 19 (фиг. 3) с газоанализаторами 20, которые размещены в верхнем отсеке 21, в межбаковом отсеке 4 и двигательном отсеке 15.
Приборы служебных систем (приборы системы контроля 16, приборы систем управления 17) электрически взаимосвязаны посредством кабелей 22 (фиг. 2, 3) в условиях полета с приборами системы управления 23 и приборами радиосистемы 24, применяемой РН, а при наземных испытаниях, включая огневые, со стендовой системой управления и контроля 25 испытаниями ракетного модуля 1.
В межбаковом отсеке 4 ракетного модуля 1 выполнены ниши 26, 27 (фиг. 3), в которых размещены и закреплены посредством узлов крепления 28 приборы служебных систем ракетного модуля 1, а также при необходимости приборы системы управления 23 и приборы радиосистемы 24, применяемой РН.
Межбаковый отсек 4 содержит разделяемый узел 29 (фиг. 3), который посредством трубопроводов 30 и управляющих клапанов 31 пневмогидравлической системы 18 ракетного модуля 1 взаимодействует с отделяемым при отрыве ракеты космического назначения от пускового устройства агрегатом связи 32 бортового и наземного оборудования 33.
Ракета космического назначения и пусковое устройство на чертежах не показаны.
Разделяемый узел 29 взаимодействует с наземным оборудованием 33 (фиг. 1, 3) также через разъемные электросоединители 34 бортовой кабельной сети ракетного модуля 1.
Для исключения возможного образования в ракетном модуле 1 взрывоопасной смеси компонентов топлива водорода и кислорода и окружающей атмосферы агрегаты пневмогидравлической системы 18, электрически связанные с приборами служебных систем, включающие системы контроля 16, приборы системы управления 17, и приборами системы пожаровзрывопредупреждения 19 размещены в продуваемых нейтральным газом корпусах 35, 36, при этом корпуса 35 подсоединены к трубопроводам 37 выведения газа наружу универсального водородно-кислородного ракетного модуля 1, а трубопроводы 37 и корпус 36 агрегата связи 32 содержат защитные устройства 38 в виде обратных клапанов (фиг. 3).
Баллоны бортового наддува гелием топливного бака окислителя 39 и их выходные патрубки 40 (фиг. 4) через фланцевые соединения 41 и узлы герметизации 42 жестко закреплены на нижнем днище 43 топливного бака горючего 2.
3
2
Размещение баллонов бортового наддува гелием топливного бака окислителя 39 в топливном баке горючего 2 обеспечивает возможность достижения высокой плотности гелия ρ20К=191 кг/м при давлении 20 МПа (примерно 200 кгс/см) и температуре 20 К (температура кипящего водорода), тем самым обеспечить унификацию объема и количества баллонов бортового наддува гелием топливного бака окислителя 39 для заправки определенного, в зависимости от объема бака горючего 2, количества гелия для его наддува в полете.
Для контроля герметичности пневмогидравлической системы 18 и кислородно-водородных двигателей 7 при предстартовой подготовке его верхний 21, межбаковый 4 и двигательный 15 отсеки снабжены заборными устройствами 44, 45 и 46, взаимодействующие со съемными трубопроводами 47, 48 и 49 (фиг. 1) наземного газоанализатора 50, а на внешней стороне ферменного межступенчатого отсека 5 размещена и закреплена с уплотнением (на чертеже не показано) съемная пылевлагозащитная оболочка 51.
Съемная пылевлагозащитная оболочка 51 совместно с теплозащитным отражателем 8 и корпусом двигательного отсека 15 образует контролируемую наземным газоанализатором 50 через заборное устройство 46 и съемный трубопровод 49 полость Г на отсутствие или присутствие в ней истекающей из заполняемых гелиевой смесью при испытаниях на герметичность полостей пневмогидравлической системы 18 и кислородно-водородных двигателей 7.
1
2
В зависимости от типа ракет-носителей топливные баки горючего 2 и топливные баки окислителя 3 выполнены одного диаметра с высотами L и L в зависимости от суммарного импульса тяги ракетного блока с ракетным модулем 1.
1
2
2
Различные объемы топливных баков горючего и окислителя 2, 3, например, формируются за счет набора унифицированных типовых кольцевых секций 52 и 53, 54 обечаек 55 и 56 (фиг. 1), высота которых по каждому баку определяется на основе соотношения компонентов топлива и удельной массы окислителя и горючего, при этом кольцевые секции 52 обечайки 55 имеют одинаковую высоту l и два варианта высот l и 1,5l секций 53, 54 обечайки 56, что позволит создать ряд емкостей под решаемые задачи для РН различных типов.
Наземная экспериментальная отработка предлагаемого ракетного модуля 1 проводится в полном объеме при автономной отработке его составных частей и агрегатов, макетно-конструкторских, статических, динамических, разделенческих, электрических, «холодных» и «огневых» стендовых наземных испытаний с учетом его возможных модификаций по объемам-высотам цилиндрических топливных баков горючего 2 и окислителя 3 для ракетных блоков с различными суммарными импульсами тяги верхних ступеней, применяемых для запуска РН 6 полезных грузов на орбиты выведения.
Пылевлагозащищенность ферменного межступенчатого отсека 5 со степенью герметизации, достаточной для контроля герметичности пневмогидравлической системы 18 и кислородно-водородных двигателей 7 ракетного модуля 1, обеспечивается за счет закрепленной на его цилиндрической образующей съемной пылевлагозащитной оболочки 51, снимаемой перед заправкой РКН.
Заборные устройства 44, 45, 46 обеспечивают возможность контроля герметичности ракетного модуля 1 на предприятии-изготовителе и на технической позиции космодрома, исключая необходимость доступа обслуживающего персонала внутрь отсеков, что обеспечивает высокую безопасность эксплуатации ракетного модуля 1 ракетного блока.
Контроль герметичности ракетного модуля 1 производится путем заполнения воздушно-гелиевой смесью внутренних полостей пневмогидравлической системы 18 и последующего отбора газовой среды из переднего 21, межбакового 4 и двигательного 15 отсеков на наземный газоанализатор 50.
Система пожаровзрывопредупреждения работает с начала заправки компонентами топлива ракетного модуля 1 ракетного блока, газоанализаторы 20 выдают в прибор системы пожаровзрывопредупреждения 19 информацию о наличии газообразообразования водорода и кислорода в верхнем 21, межбаковом 4 и двигательном 15 отсеках.
При наличии в отсеках водорода или кислорода и роста их содержания прибор системы пожаровзрывопредупреждения 19 дает сигнал в наземную систему управления и пуска 57 о прекращении заправки и включении продувки через коллекторы 58, 59, 60 полостей верхнего 21, межбакового 4 и двигательного 15 отсеков азотом из наземной системы управления и пуска 57 с выбросом азота наружу через дренажные защитные устройства 61, 62 и 63.
При отсутствии газообразных компонентов топлива в верхнем 21, межбаковом 4 и двигательном 15 отсеках перед запуском первой ступени ракеты космического назначения включается азотная продувка полостей переднего 21, межбакового 4 и двигательного 15 отсеков от наземных систем через коллекторы 58, 59, 60 с выбросом азота наружу через дренажные защитные устройства 61, 62 и 63, закрепленные на верхнем отсеке 21, межбаковом отсеке 4 и двигательном отсеке 15.
Разделение разделяемого узла 29 и отделение от межбакового отсека 4 остающейся на земле части агрегата связи 32 происходит по команде «контакт подъема» открытием пневмозамков 64, удерживающих бортовую часть узла связи 65 и отделяемую часть узла связи 66 с сохранением для последующих запусков РКН корпуса 36 агрегата связи 32 с управляющими клапанами 31, разъемными электросоединителями 34 и защитным устройством 38.
После отделения от межбакового отсека 4 остающейся на земле части агрегата связи 32 защитные устройства 38 обеспечивают наличие избыточного давления нейтрального газа в полостях корпусов 35 с агрегатами пневмогидравлической системы 18, электрически связанными со служебными системами ракетного модуля 1, в течение всего времени полета РКН и обеспечивает пожаровзрывозащищенность исключением возможного образования взрывоопасной смеси компонентов топлива водорода и кислорода и окружающей атмосферы.
При полете РКН ферменный межступенчатый отсек 5 ракетного модуля 1 остается на предыдущей ступени ракеты-носителя 6 после ее «горячего» отделения от ракетного модуля 1 ракетного блока.
Команда на средства разделения 67 формируется прибором системы управления ракеты космического назначения 23 и подается через 1 секунду после выключения маршевых двигателей предыдущей ступени ракеты-носителя 6. Перед выключением маршевых двигателей предыдущей ступени ракеты-носителя 6 прибор системы управления 17 по получению команды от прибора системы управления ракеты космического назначения 23 формирует команды на запуск кислородно-водородных двигателей 7, при этом «зажигание» кислородно-водородных двигателей 7 происходит за 0,5 с до выключения маршевых двигателей предыдущей ступени ракеты-носителя 6 ракеты космического назначения.
Перед запуском кислородно-водородных двигателей 7 в полете РКН по команде от прибора системы управления 17 открывается клапан 10 подачи азота для продувки полостей этих двигателей из бортового баллона 9. Продувка азотом удаляет взрывоопасную кислородосодержащую среду в полостях горючего.
Использование заявленного технического решения позволит исключить автономную наземную отработку каждого типа применяемой РН за счет размещения служебных систем, электрически взаимодействующих с приборами систем ракеты-носителя, в межбаковом отсеке, а также за счет компоновки узлов, агрегатов и их связей с наземным оборудованием, что в конечном итоге позволит расширить эксплуатационные возможности ракетного модуля.