ДИФФУЗОР ДЛЯ ТЕРМОСТАТИРОВАНИЯ ОБЪЕКТОВ РАКЕТЫ-НОСИТЕЛЯ (ВАРИАНТЫ)
DIFFUSER USED FOR THERMAL CONDITIONING OF CARRIER ROCKET OBJECTS (VERSIONS)

Изобретение относится к ракетно-космической технике, а именно к средствам обеспечения термостатирования объектов ракеты-носителя (РН), например полезного груза (ПГ), приборов системы управления (СУ) и других объектов, размещаемых в головном блоке (ГБ), блоке полезного груза (БПГ) космической головной части (КГЧ) и ракетном блоке (РБ) РН, и предназначено для термостатирования этих объектов в период предстартовой подготовки блоков РН.
Известны и широко применяются, например, в авиации дозвуковые диффузоры, предназначенные для формирования потока газа на выходе из диффузоров в осевом направлении. Используются в составе воздухозаборников воздушно-реактивных двигателей, аэродинамических трубах и других устройствах [1].
Диффузоры содержат корпус с входным и выходным отверстиями, соединенные расширяющимся каналом, что обеспечивает истечение газовой среды с расчетными (дозвуковьми) скоростями в выходном отверстии диффузора. При этом профилированный канал диффузора обеспечивает торможение газовой среды и в нем происходит преобразование кинетической энергии потока в давление.
Предназначенный для формирования потока газа на выходе из диффузора именно в осевом направлении, диффузор имеет ограниченные эксплуатационные возможности, например, для термостатирования объектов, размещаемых в блоках РН, имеющих сложную геометрическую форму.
Известны применяемые в ракетной технике устройство вдува (УВ) [2] термостатирующей среды (ТС) для термостатирования ПГ, размещенного в блоке БПГ, выполненное в виде распылителя, а также УВ [3] ТС для термостатирования приборного отсека (ПО), размещенного в разгонном блоке (РБ) РН, выполненное в виде коллектора с отверстиями истечения ТС в его основании. УВ [2] и [3] соединены магистралями подачи ТС, размещенными соответственно в БПГ и РБ.
УВ [2] и [3] обеспечивают расчетные дозвуковые скорости истечения ТС в выходных отверстиях устройств, требуемые для обеспечения термостатирования этих объектов.
Недостатки этих технических решений - существенный вес устройств за счет габаритов и магистралей подачи ТС к ним. Кроме того, поскольку истечение ТС осуществляют в осевом направлении, снижается надежность термостатирования объектов из-за возможности возникновения локальных теплонапряженных зон отрыва ТС у поверхности объектов. Это приводит к необходимости контроля температур в этих зонах в процессе термостатирования объектов и излишней нагрузке на воздушную систему обеспечения термостатирования (ВСОТР) объектов [4], которая обеспечивает штатные газодинамические параметры (расход и температуру) ТС на входе в магистрали подачи ТС.
Известны также УВ [5] и УВ [6] для термостатирования ПО РБ.
УВ выполнены в виде дозвуковых диффузоров, содержащих корпус с входным и, по крайней мере одним, выходными отверстиями, в котором входное отверстие сообщено расширяющимся каналом с выходным отверстием.
По техническому решению [5] диффузор содержит входное и выходное отверстия, сообщенные криволинейным расширяющимся каналом, что обеспечивает его установку в РБ таким образом, что касательная к оси диффузора в его выходном сечении направлена под углом к плоскости поперечного сечения РБ и со смещением относительно его оси.
По техническому решению [6] диффузор содержит входное, и по крайней мере, два выходных отверстия, сообщенные отдельными криволинейными каналами с входным отверстием, что обеспечивает его установку в РБ с обтеканием ПО в тангенциальном к его боковой поверхности направлении.
Технические решения [5] и [6] обеспечивают расчетные дозвуковые скорости истечения ТС из диффузоров, требуемые для термостатирования ПО.
Техническое решение [6] наиболее близко к предлагаемому и принято авторами за прототип.
Недостатками этого технического решения являются:
- ограниченные эксплуатационные возможности диффузора, поскольку он формирует течение ТС в заданном направлении по отношению к объекту термостатирования и предназначен для термостатирования конкретных объектов с заданной геометрической формой (ПО тороидальной формы, приборы СУ, размещенные симметрично относительно оси блока), что не исключает возможности возникновения локальных теплонапряженных зон отрыва ТС на объектах термостатирования, имеющих сложную геометрическую форму, например, ПГ;
- недостаточная компактность, сложность конструкции и ограниченные возможности размещения диффузоров в РБ, что приводит к усложнению технологии изготовления и монтажа его в РБ с ориентацией патрубков в заданном направлении.
Задачей изобретения является создание диффузора упрощенной конструкции и расширенными эксплуатационными возможностями для термостатирования объектов, размещаемых в блоках РН, в период их предстартовой подготовки.
Задача решается таким образом, что диффузоре для термостатирования объектов ракеты-носителя, содержащем корпус с входным и выходными отверстиями, согласно изобретению, корпус диффузора выполнен в виде замкнутой емкости симметричной формы с тремя выходными отверстиями, находящимися в плоскостях, перпендикулярных плоскости расположения входного отверстия, при этом два выходных отверстия расположены во взаимно перпендикулярных плоскостях, причем в диффузоре соосно и с зазорами между собой установлены направляющие тарели, образующие расширяющиеся каналы перетекания термостатирующей среды, сообщающие входное и выходные его отверстия.
Задача решается также таким образом, что в диффузоре для термостатирования объектов ракеты-носителя, содержащем корпус с входным и выходными отверстиями, согласно изобретению, корпус диффузора выполнен в виде замкнутой емкости симметричной формы с двумя выходными отверстиями, находящимися в плоскостях, перпендикулярных плоскости расположения входного отверстия, при этом оба выходных отверстия расположены во взаимно перпендикулярных плоскостях, причем в диффузоре соосно и с зазорами между собой установлены направляющие тарели, образующие расширяющиеся каналы перетекания термостатирующей среды, сообщающие входное и выходные его отверстия.
Корпус диффузора может иметь эллипсоидную форму, шаровую, цилиндрическую форму с глухим основанием, с плоскими стенками и другую форму.
Количество выходных отверстий и их размеры выбирают в зависимости от сложности геометрической формы объекта термостатирования и компактности размещения диффузора в блоке РН.
Техническими результатами изобретения являются:
- простота конструкции и компактность диффузора, что существенно упрощает его изготовление и монтаж в ограниченном свободном объеме блока РН;
- обеспечение истечения ТС из отдельных отверстий диффузора во взаимно перпендикулярных плоскостях с расчетными скоростями, что приводит к созданию интерференционного течения ТС в блоке РН и перетеканию ТС в окружном, относительно оси блока, направлении;
- возможность обеспечения различного количества выходных отверстий, а также изменение направления течения ТС в блоке РН за счет возможности поворота диффузора относительно его оси применительно к термостатированию объектов различной геометрической формы.
Сущность изобретения поясняется схемами диффузоров, имеющих эллипсоидную форму, и примерами их использования для термостатирования объектов РН различного назначения.
На фиг.1 в изометрии приведен общий вид диффузора, выполненный в варианте 1, и показаны основные его элементы, на фиг.2 - его проекции.
На фиг.3 в изометрии приведен общий вид диффузора, выполненный в варианте 2, и также показаны основные его элементы.
На фиг.4 и 5 иллюстрируется векторное поле скоростей в каналах диффузоров соответственно для вариантов 1 и 2.
На фиг.6 иллюстрируется фрагмент КГЧ с применением диффузора, выполненного в варианте 1, для термостатирования ПГ.
На фиг.7 иллюстрируется фрагмент РБ с применением диффузора, выполненного в варианте 2, для термостатирования приборов СУ.
На этих фигурах:
1 - корпус;
2 - входное отверстие;
3, 4, 5 -выходные отверстия;
6 - тарели;
7 - полезный груз (ПГ);
8- обтекатель головного блока (ГБ);
9 - приборы системы управления (СУ);
10 - обтекатель ракетного блока (РБ).
Диффузор, выполненный в варианте 1 (фиг.1, 2), для термостатирования объектов РН содержит корпус 1 эллипсоидной формы. В нем выполнено входное отверстие 2 и три выходных отверстия: первое выходное отверстие 3, второе выходное отверстие 4 и третье выходное отверстие 5.
Все выходные отверстия находятся в плоскостях, перпендикулярных плоскости расположения входного отверстия 2, причем выходные отверстия 3 и 4 расположены в параллельных плоскостях, а выходное отверстие 5 - в плоскости, перпендикулярной к ним.
В диффузоре соосно и с зазорами между собой установлены направляющие тарели 6, образующие расширяющиеся каналы перетекания ТС, сообщающие входное отверстие 2 с его выходными отверстиями 3, 4 и 5. Тарели 6 установлены так, что обеспечивается торможение ТС в каналах диффузора и истечение ее из выходных отверстий с расчетными дозвуковыми скоростями.
Диффузор, выполненный в варианте 2 (фиг.3), в отличие от варианта 1, имеет два выходных отверстия 4 и 5, расположенные во взаимно перпендикулярных плоскостях. Так же, как и в варианте 1, выходные отверстия 4 и 5 находятся в плоскостях, перпендикулярных плоскости расположения входного отверстия 2. В диффузоре также установлены направляющие тарели 6.
Боковое выходное отверстие 4 может быть выполнено в передней или задней части диффузора для формирования истечения ТС в заданном направлении по отношению к объекту термостатирования, который может иметь различную геометрическую форму и компоновку в блоке РН.
Таким образом, выполнение диффузора в виде замкнутой емкости симметричной формы с боковыми выходными отверстиями минимизирует размеры диффузора и упрощает его установку в условиях ограниченного свободного объема блока РН, что улучшает его конструктивно-компоновочные характеристики.
Эксплуатацию диффузора осуществляют следующим образом.
Для термостатирования объектов ТС подается через входное отверстие 2 диффузора со штатным расходом и температурой, которые обеспечиваются системой ВСОТР [4].
В диффузоре, выполненным в варианте 1, ТС, теряя часть кинетической энергии, в расширяющихся каналах тормозится и перетекает в сторону выходных отверстий 3,4 и 5. При этом направляющие тарели 6 обеспечивают в диффузоре разворот ТС в сторону его выходных отверстий и истечение ТС из них с расчетными дозвуковыми скоростями (фиг.4).
1
2
3
Применительно к термостатированию ПГ 7 диффузор размещают вблизи обтекателя ГБ 8 (фиг.6) так, что обеспечивается истечение ТС одновременно через выходные отверстия 3 и 4 в продольной плоскости блока в сторону передней и задней частей блока с векторами скоростей V и V ТС и истечение ТС через выходное отверстие 5 в перпендикулярном к ним направлении с вектором скорости V ТС.
В диффузоре, выполненном в варианте 2, также обеспечивают дозвуковые скорости истечения ТС в его выходных отверстиях 4, 5. Причем в них реализуют скорости истечения, большие по сравнению со скоростями в выходных отверстиях диффузора, выполненном в варианте 1 (фиг.5).
4
5
Применительно к термостатированию приборов СУ 9 диффузор также размещают вблизи обтекателя РБ 10 (фиг.7) так, что обеспечивается истечение ТС через выходное отверстие 4 в продольной плоскости в сторону задней части блока с вектором скорости V ТС и одновременно истечение ТС через выходное отверстие 5 в перпендикулярном к нему направлении с вектором скорости V ТС.
Тем самым в ГБ и РБ создают сложное интерференционное течение ТС и его закрутку относительно осей блоков с обтеканием объектов термостатирования с эксплуатационными скоростями и температурами, не превышающими полетных.
Проведенное математическое моделирование течения в объеме ГБ и РБ, разрабатываемой на предприятии КГЧ применительно к термостатированию ПГ и приборов СУ показало:
- вдув ТС через диффузор, выполненный в варианте 1, (фиг.2) для термостатирования ПГ, обеспечивает расчетные скорости истечения в его выходных отверстиях 36÷42 м/сек (фиг.4), при этом реализуется достаточно равномерное обтекание ПГ с эксплуатационными скоростями ~1,5÷3 м/сек и температурами ~20°С, что соответствует техническим условиям эксплуатации ПГ;
- вдув ТС через диффузор, выполненный в варианте 2, (фиг.3) для термостатирования приборов СУ РБ, обеспечивает расчетные скорости истечения в его выходных отверстиях 36÷60 м/сек (фиг.5), при этом также реализуется достаточно равномерное обтекание приборов СУ с эксплуатационными скоростями 1,5÷3 м/сек и температурами ~23°С, что соответствует техническим условиям эксплуатации приборов СУ РБ.
Рассчитанное по известной методике (см., например, [7]) количество тепла, снимаемого с ПГ и приборов СУ по сравнению с количеством тепла, выделяемого в процессе их эксплуатации с использованием полученных эксплуатационных скоростей и температур обтекания показало, что в процессе обтекания происходит интенсивное их охлаждение.
Тем самым обеспечивают термостатирование ПГ и приборов СУ в режиме всего периода предстартовой подготовки блоков РН.
Таким образом, за счет изменения скоростей в выходных отверстиях диффузоров расширяют эксплуатационные возможности диффузоров для термостатирования объектов, имеющих различную геометрическую форму, что, наряду с улучшением его конструктивно-компоновочных характеристик, приводит к выполнению поставленной задачи.
Апробированное на примерах термостатирования объектов различной геометрической формы и назначения, техническое решение может быть рекомендовано для термостатирования объектов РН как наземного, так и морского базирования.
В настоящее время для термостатирования ПГ ГБ КГЧ и приборов СУ РБ для одного из вариантов РН наземного базирования с использованием технического решения выпускается рабочая документация.
Литература
1. Авиация. Энциклопедия. - М.: ЦАГИ, 1994 г, стр.220.
2. Руководство пользователя. SEA LAVNCH, March 26, 1966, Д688-10009-1, стр.5-2, 5-3,фиг.5.2.3-1.
3. Там же, фиг.5.2.3-1.
4. "Космодром" /Под ред. проф. А.П.Вольского, ВИ МО СССР, - М., 1977, стр.211, рис.6.2.
5. Заявка №2004123324/11 (025108) на выдачу патента от 28.07.2004 (положительное решение).
6. Патент RU 2 280 596 С2.
7. Там же, стр.6.