Устройство подачи сигнала на отделение стартовой ступени вертикально стартующего летательного аппарата
SIGNAL FEEDER FOR SEPARATION OF STARTING STAGE OF VERTICALLY LAUNCHING AIRCRAFT

Заявляемое изобретение относится к устройствам подачи сигнала на отделение стартовой ступени вертикально стартующего летательного аппарата (ЛА) с жидкостным ракетным двигателем (ЖРД) и может быть использовано при проектировании и производстве новых образцов ракетной техники.
Для определения момента отделения стартовой ступени ЛА применяются различные устройства. В основном устанавливают программно-временные устройства, учитывающие расход топлива в единицу времени и подающие команду на разделение ступеней в соответствии с рассчитанным заранее расходом топлива.
6
Известен реактивный снаряд с отделяемой ракетной частью [1. Пат. 2406968 RU, МПК F42B 15/00, F42B 15/36. Реактивный снаряд с отделяемой ракетной частью / Макаровец Н.А. и др. - Заявл. 22.10.2009; опубл. 20.12.2010, Бюл. №35.], содержащий отделяемую ракетную часть, головную часть и размещенный между ними пороховой заряд разделения. На переднем торце ракетной части перед зарядом разделения размещен узел демпфирования в виде комплекта из шести пластинчатых компенсаторов одинаковой формы. После запуска реактивный снаряд движется по траектории, максимально близкой к расчетной, и в заданный момент времени в заданной точке траектории происходит срабатывание заряда разделения.
6
Известен разделяющийся реактивный снаряд [2. Пат. 2522537 RU, МПК F42B 12/58, F42B 15/36. Разделяющийся реактивный снаряд / Макаровец Н.А. и др. - Заявл. 13.03.2013; опубл. 20.07.2014, Бюл. №20.], содержащий ракетный двигатель с дном, отделяемую головную часть, парашютный отсек, а также взрывательное устройство, в котором размещены электронное временное устройство с предохранительно-исполнительным механизмом, реакционный датчик цели с ударным механизмом и исполнительный блок, снабженные пороховыми зарядами. После старта разделяющегося снаряда, в момент окончания счета предварительно установленного времени дистанционного действия, электронно-временное устройство взрывателя выдает электрический импульс и обеспечивает срабатывание вышибного заряда.
Недостатки указанных выше аналогов [1., 2.]:
- программно-временные устройства усложняют конструкцию ЛА, т.к. для приведения систем в действие требуется электрическая связь с системой управления и наличие в программно-временном устройстве линий команд на определение необходимого момента срабатывания;
- большое количество сложных в изготовлении составных элементов увеличивает стоимость изделия.
6
В некоторых случаях применяются устройства, имеющие в своем составе расходомеры, учитывающие реальный расход топлива и выдающие команду на разделение при приближении фактического количества выработанного топлива к рассчитанному минимально-допустимому объему. Известна система комбинированного управления расходованием топлива для ракетной двигательной установки [3. Пат. 2685161 RU, МПК F02K 9/56. Система комбинированного управления расходованием топлива для ракетной двигательной установки / Курдов С.С. - Заявл. 18.07.2018; опубл. 16.04.2019, Бюл. №11.], которая содержит датчики секундных расходов топлива: окислителя и горючего, связанные через усилительно-преобразовательное устройство с бортовой центральной вычислительной машиной (БЦВМ), подающей управляющий сигнал на блок управления приводами дросселей, и связанные с БЦВМ волоконно-оптические уровнемеры. При этом волоконно-оптические уровнемеры содержат цилиндрическую трубу с расположенным в ней распределенным датчиком, сообщающуюся с контролируемым топливным баком. При этом распределенный датчик состоит из оптического волокна, оптического рефлектометра и воздействующего элемента - поплавка из магнитного материала, внутри которого установлены три ролика.
Недостатки данной системы:
- наличие уровнемеров и вычислительных устройств, связанных между собой электрически, ведет к усложнению конструкции ЛА;
- множество сложных приборов и датчиков повышают стоимость изделия;
- определение расхода топлива происходит с погрешностью, что приводит к необходимости иметь гарантированный запас топлива, которое останется невыработанным.
6
Известны ракета и привод механизма разделения ступеней ракеты [4. Пат. 2284460 RU, МПК F42B 15/00. Ракета и привод механизма разделения ступеней ракеты / Шипунов А.Г. и др. - Заявл. 08.02.2005; опубл. 27.09.2006, Бюл. №27.]. Ракета содержит маршевую ступень, отделяемую стартовую ступень с двигателем, механизм разделения ступеней, включающий привод, форкамеру с пиросоставом и капсюлем-воспламенителем, переходный шпангоут. В устройстве ракеты реализован привод механизма разделения ступеней, который содержит поршень и стопоры, при запуске двигателя стартующей ракеты газ из камеры сгорания через отверстия поступает в полость привода и перемещает поршень, при этом стопоры выйдут из зацепления с корпусом и давлением газа переместятся внутрь поршня. По окончании работы стартового двигателя давление в камере сгорания начинает падать, и поршень под действием установочной пружины перемещается до тех пор, пока не происходит срабатывание воспламеняющего механизма. Капсюль-воспламенитель инициирует пиросостав. Продукты сгорания пиросостава, расширяясь, перемещают форкамеру до упора в двигатель, при этом происходит расцепление стартовой ступени.
Недостатки аналога, снижающие надежность ЛА в целом и системы разделения ступеней в частности, следующие:
- в конструкции присутствуют такие сложные в позиционировании механические элементы, как взаимодействующие друг с другом поршень, стопоры, пружины;
- возможно преждевременное срабатывание системы при колебаниях или пульсациях давления в камере сгорания, так как в конструкции используется давление газов двигателя в качестве движущей силы привода и как единственный фактор и критерий оценки оптимального момента разделения ступеней.
Известны устройства, использующие для определения момента времени разделения датчик линейных ускорений. К ним относится реактивный снаряд [5. Пат. 2167388 RU, МПК F42B 15/10 (2000.01). Реактивный снаряд с отделяемым двигателем / Дудка В.Д. и др. - Заявл. 24.02.2000; опубл. 20.05.2001, Бюл. №14.], содержащий маршевую ступень и пристыкованный к ней двигатель с механизмом разделения ступеней. Параллельно продольной оси снаряда установлен исполнительный механизм дистанционного инерционного действия. Механизм выполнен в виде токонепроводящего корпуса с неподвижной контактной группой и токопроводящего инерционного тела, поджатого силовой пружиной в сторону механизма разделения ступеней. Инерционное тело выполнено в виде цилиндра с внутренним конусным отверстием, переходящим в цилиндр. Масса инерционного тела и усилие силовой пружины рассчитаны по зависимости, приведенной в формуле изобретения, и обеспечивают выдачу сигнала на механизм разделения ступеней в момент окончания работы двигателя снаряда, то есть о моменте выработки топлива судят по изменению перегрузки из-за падения тяги двигателя.
6
Сходный принцип применен в устройстве отделения маршевой ступени ЛА [6. Пат. 2584401 RU, МПК F42B 15/00. Способ отделения маршевой ступени летательного аппарата и устройство для его осуществления / Образумов В.И. и др. - Заявл. 17.02.2015; опубл. 20.05.2016, Бюл. №14.]. Способ включает механическое удержание в разомкнутом состоянии цепи запуска электровоспламенителя механизма разделения ступеней при пуске ЛА на стартовом участке траектории полета. На борту ЛА в процессе полета измеряют величину продольного ускорения и определяют скорость его изменения во времени, фиксируют момент смены знака производной продольного ускорения с отрицательного на положительный и замыкают электрическую цепь запуска электровоспламенителя механизма разделения ступеней.
ЛА содержит маршевую ступень и пристыкованный к ней двигатель с механизмом разделения ступеней, снабженным электровоспламенителем. В маршевой ступени ЛА параллельно продольной оси снаряда установлен исполнительный механизм дистанционного инерционного действия. Механизм выполнен в виде токонепроводящего корпуса с неподвижной контактной группой и токопроводящего инерционного тела, запираемого силовой пружиной в сторону механизма разделения ступеней. Также устройство содержит датчик линейных ускорений, аналогово-цифровой преобразователь и вычислитель.
Недостатки аналогов [5., 6.], снижающие надежность ЛА, следующие:
- сложность таких элементов конструкции, как датчик линейных ускорений, аналогово-цифровой преобразователь и вычислитель;
- о моменте выработки топлива судят по изменению перегрузки из-за падения тяги двигателя, что может привести к потере скорости ЛА.
Самый существенный недостаток принципов работы устройств подачи сигнала на отделение стартовой ступени, описанных в аналогах [1.-4., 6.] заключается в том, что в момент отделения стартовой ступени ЛА должно оставаться невыработанное топливо, что вынуждает заправлять ЛА топливом в объеме, превышающем необходимый для нормального полета ЛА, что экономически невыгодно, а также взрывоопасно в момент падения стартовой ступени. В то же время полет с полностью выработанным топливом недопустим, поскольку при более позднем отделении стартовой ступени сила лобового сопротивления превысит силу тяги стартового двигателя. Неработающий двигатель будет тормозить ЛА, который потеряет скорость. Поэтому команда на отделение должна подаваться с некоторым запасом топлива, т.е. с заведомо невыработанным.
Очевидно, что отделение стартовой ступени ЛА с ЖРД рационально производить не по командам временного устройства, расходомера или уровнемера, системы контроля давления в сопле и датчика ускорения, а по фактической оптимальной выработке топлива из топливного бака. Обеспечить контроль выработки жидкого топлива, не прибегая к упомянутым выше сложным устройствам, можно, применив поплавковое устройство.
Существуют различные конструкции поплавков и датчиков уровня на их основе для подачи сигналов.
Известно устройство для автоматического указания критического уровня масла [7. Пат. 2874243 US, МПК G01F 23/30, G01F 23/64. Device for automatically indicating the critical oil level in engines, especially engines of motor vehicles / Метцлер О. (DE) - Заявл. 19.04.1957; опубл. 17.02.1959.], в котором металлический поплавок свободно перемещается в металлической трубе и замыкает электрическую цепь, когда уровень масла падает до критической точки.
Также известен датчик аварийной сигнализации [8. Пат. 1642434 US, МПК В60К 15/03, B60K 15/06, G01F 23/30, G01F 23/64. Alarm gauge / Райе Ф.Б. - Заявл. 02.10.1923; опубл. 13.09.1927.], содержащий токопроводящий поплавок шарообразной формы, замыкающий в нижнем положении контакты корпуса и сигнализирующий тем самым об опустошении бака.
Недостатки устройств [7., 8.] заключаются в следующем:
- токопроводящий поплавок замыкает электрический контакт в среде паров топлива, что может привести к искрообразованию и возгоранию или взрыву;
- агрессивное топливо может разрушать токопроводящие оголенные контакты.
Известен жидкостный выключатель [9. Пат 8319124 US, МПК Н01Н 35/18. Liquid activated switch apparatus / Ванг Н.С. - Заявл. 28.06.2010; опубл. 27.11.2012.], включающий в себя контейнер, приспособленный для приема жидкости, такой как вода или дождь. Внутри контейнера имеются два электропроводящих элемента, причем первый элемент прикреплен к контейнеру, а второй - к плавающему телу. Плавающее тело спроектировано и сконфигурировано так, что начинает подниматься вместе с повышением уровня жидкости, что приводит к смещению второго электропроводящего элемента, который к нему прикреплен, в результате чего два электропроводящих элемента либо замыкают электрическую цепь, либо размыкают ее.
Недостатки устройства [9.] следующие:
- устройство работоспособно только при положительной температуре окружающей среды;
- контролируемая среда, вода, находится в одной полости с оголенными контактами, из-за чего в процессе эксплуатации возможно замыкание.
Известен электросамовар [10. А.с. 1743576 SU, МПК A47G 19/14, НОШ 35/18 (1992.06). Электросамовар / Сорокин В.П. - Заявл. 16.01.1990; опубл. 30.06.1992.], имеющий корпус, нагревательный элемент и устройства ввода напряжения, расположенные в верхней части корпуса и электрически связанные с введенными в концевой поплавковый выключатель замыкающими контактами с кнопкой управления. Поплавок установлен в нижней части корпуса с возможностью воздействия на кнопку управления через введенную гармониковую мембрану, герметично укрепленную в верхней части корпуса.
Недостаток аналога [10.] состоит в том, что разъемы ввода напряжения расположены в верхней части корпуса, что значительно увеличивает габариты устройства.
Цель заявляемого изобретения - повысить надежность системы определения момента отделения стартовой ступени ЛА с ЖРД и обеспечить автоматизм ее срабатывания при сокращении количества промежуточных контрольных и исполнительных механизмов.
Заявляемое устройство подачи сигнала на отделение стартовой ступени вертикально стартующего ЛА с ЖРД состоит из поплавка, перевернутого перфорированного направляющего стакана и микровыключателя со штоком. Направляющий стакан неподвижно закреплен внутри топливного бака, в его нижней части. Поплавок расположен с возможностью свободного перемещения вдоль вертикальной оси внутри направляющего стакана. Корпус микровыключателя расположен снаружи топливного бака. Шток микровыключателя закреплен с возможностью перемещения вдоль вертикальной оси в нижней части направляющего стакана и герметично выведен за полость топливного бака.
Заявляемое устройство поясняется чертежами. На фиг. 1 изображен топливный бак 1. В его нижней части неподвижно закреплен перевернутый цилиндрический направляющий стакан 2 с перфорацией в виде продольных вырезов 3. Внутри направляющего стакана 2 размещен металлический полый тонкостенный поплавок 4 цилиндрической формы. Корпус 5 микровыключателя расположен снаружи топливного бака 1. Шток 6 микровыключателя закреплен в нижней части направляющего стакана 2. Уплотнительное кольцо 7 обеспечивает герметичный вывод штока 6 микровыключателя за полость топливного бака 1.
Заявляемое устройство работает следующим образом. В положении заправленного топливного бака 1 поплавок 4 под действием архимедовой силы постоянно находится в верхней части направляющего стакана 2 и лишен возможности нажатия на шток 6 микровыключателя. При полете происходит выработка топлива системой топливозабора любого типа (в данной заявке не рассматривается) и понижение его уровня в топливном баке 1. При этом поплавок 4 перемещается в нижнюю часть направляющего стакана 2 под воздействием перегрузки и без противодействия архимедовой силы и нажимает на шток 6 микровыключателя (фиг. 2) - происходит замыкание контактов микровыключателя, сигнализируя тем самым об оптимальной выработке топлива из бака 1 и включая механизмы, отстыковывающие стартовую ступень ЛА (например, пиротехнические болты, замки и др. - в данной заявке не рассматриваются).
Диаметр поплавка 4 выбран таким, чтобы:
- обеспечить свободное перемещение поплавка 4 вдоль вертикальной оси направляющего стакана 2;
- гарантировать нажатие поплавка 4 на шток 6 микровыключателя;
- не допустить колебаний поплавка 4 внутри направляющего стакана 2, которые могут привести к развороту и/или застреванию поплавка 4 внутри направляющего стакана 2.
Масса поплавка 4 рассчитана такой, чтобы обеспечить:
- его плавучесть;
- необходимое усилие для нажатия поплавка 4 на шток 6 микровыключателя с учетом полетной перегрузки.
Направляющий стакан и шток микровыключателя выполнены из материала, устойчивого к агрессивной среде топлива.
Техническим результатом является повышение надежности системы определения момента отделения стартовой ступени вертикально стартующего ЛА с ЖРД за счет конструкции устройства подачи сигнала, в котором в процессе выработки топлива из топливного бака поплавок нажимает на шток микровыключателя, замыкая электроцепь.
К преимуществам данного устройства относятся:
- автоматизм срабатывания при сокращении количества промежуточных контрольных и исполнительных механизмов;
- снижение общей массы ЛА;
- упрощение электрической схемы ЛА;
- упрощение и удешевление конструкции ЛА в целом;
- подача команды на отделение стартовой ступени в оптимальный момент: объем топлива в топливном баке достаточен для сохранения силы тяги стартового двигателя, обеспечивающей нормальный полет ЛА, при этом объем невыработанного топлива значительно уменьшен, поскольку зависит только от возможностей системы забора топлива;
- не требуется запас топлива, которое точно останется невыработанным, что экономически выгодно.
Устройство может быть выполнено с помощью стандартного оборудования и материалов отечественного производства. Таким образом, заявленное изобретение соответствует критерию «промышленная применимость».
Источники, принятые во внимание
6
1. Пат. 2406968 RU, МПК F42B 15/00, F42B 15/36. Реактивный снаряд с отделяемой ракетной частью / Макаровец Н.А. и др. - Заявл. 22.10.2009; опубл. 20.12.2010, Бюл. №35.
6
2. Пат. 2522537 RU, МПК F42B 12/58, F42B 15/36. Разделяющийся реактивный снаряд / Макаровец Н.А. и др. - Заявл. 13.03.2013; опубл. 20.07.2014, Бюл. №20.
6
3. Пат. 2685161 RU, МПК F02K 9/56. Система комбинированного управления расходованием топлива для ракетной двигательной установки / Курдов С.С. - Заявл. 18.07.2018; опубл. 16.04.2019, Бюл. №11.
6
4. Пат. 2284460 RU, МПК F42B 15/00. Ракета и привод механизма разделения ступеней ракеты / Шипунов А.Г. и др. - Заявл. 08.02.2005; опубл. 27.09.2006, Бюл. №27.
5. Пат. 2167388 RU, МПК F42B 15/10 (2000.01). Реактивный снаряд с отделяемым двигателем / Дудка В.Д. и др. - Заявл. 24.02.2000; опубл. 20.05.2001, Бюл. №14.
6
6. Пат. 2584401 RU, МПК F42B 15/00. Способ отделения маршевой ступени летательного аппарата и устройство для его осуществления / Образумов В.И. и др. - Заявл. 17.02.2015; опубл. 20.05.2016, Бюл. №14.
7. Пат. 2874243 US, МПК G01F 23/30, G01F 23/64. Device for automatically indicating the critical oil level in engines, especially engines of motor vehicles / Метцлер О. (DE) - Заявл. 19.04.1957; опубл. 17.02.1959.
8. Пат. 1642434 US, МПК B60K 15/03, B60K 15/06, G01F 23/30, G01F 23/64. Alarm gauge / Райе Ф.Б. - Заявл. 02.10.1923; опубл. 13.09.1927.
9. Пат 8319124 US, МПК Н01Н 35/18. Liquid activated switch apparatus / Ванг H.C. - Заявл. 28.06.2010; опубл. 27.11.2012.
10. A.c. 1743576 SU, МПК A47G 19/14, H01H 35/18 (1992.06). Электросамовар / Сорокин В.П. - Заявл. 16.01.1990; опубл. 30.06.1992.
11. А.с. 779712 SU, МПК F16K 31/18 (2000.01). Устройство для слива жидкостей / Спичак В.А., Карпатович И.А. - Заявл. 01.06.1978; опубл. 15.11.1980, Бюл. №42.
12. А.с. 429232 SU, МПК F16K 31/18 (2000.01). Предохранительный поплавковый клапан / Лабковский B.C. и др. - Заявл. 11.10.1972; опубл. 25.05.1974, Бюл. №19.
6
13. Пат. 2497724 RU, МПК B64D 37/00. Топливный бак летательного аппарата / Никитин В.И., Куранов Е.Г., Реш Г.Ф. - Заявл. 09.04.2012; опубл. 10.11.2013, Бюл. №31.
6
14. Пат. 2642759 RU, МПК Е21В 34/02, F16K 31/18. Способ дренирования жидкости со скважин при подземном способе добычи нефти / Самбурова А.А., Сергеев М.Ю. - Заявл. 27.01.2017; опубл. 25.01.2018, Бюл. №3.
6
15. Пат. 2622962 RU, МПК Е21В 34/02, F16K 33/00. Устройство для автоматического стравливания газов на насосах перекачки / Гарифуллин Р.С, Гарипов И.Н., Ахметзянов Л.М. - Заявл. 01.04.2016; опубл. 21.06.2017, Бюл. №18.
6
16. Пат. 2463176 RU, МПК B60K 15/03, B60K 15/077, B65D 88/62, B65D 90/04. Топливный бак / Березина Т.И., Березин И.В. - Заявл. 13.01.2011; опубл. 10.10.2012, Бюл. №28.
17. Пат. 2092396 RU, МПК B64D 37/00 (1995.01). Топливный бак / Яруллин З.Ш. - Заявл. 25.12.1991; опубл. 10.10.1997.
18. Пат. 2090382 RU, МПК B60K 15/03, B64D 37/02 (1997.09). Топливный бак и способ его изготовления / Бакшинов В.М. и др. - Заявл. 29.12.1994; опубл. 20.09.1997.
19. А.с. 1768410 SU, МПК B60K 15/03. Бак для рабочей жидкости / Камчугов Н.В., Лепехин А.Т., Ломоносов Ю.Н. - Заявл. 17.08.1990; опубл. 15.10.1992, Бюл. №38.
20. Пат. 2005/020782 WO, МПК A47L 15/42, F16K 31/08, F16K 31/22. Valve device / Франссон P. (SE) - Заявл. 18.08.2004; опубл. 10.03.2005.
21. Пат. 20050051214 US, МПК F16K 31/34, F16K 31/18. Valve assembly for pressurized fluid vessel / Чан Й. (HK) - Заявл. 08.09.2003; опубл. 10.03.2005.
22. Пат. 2224385 RU, МПК H05B 1/02, H01H 35/18 (2000.01). Автомат отключения нагревательного элемента электрочайника / Анцупов Ю.В., Серов Г.П. - Заявл. 08.11.2001; опубл. 20.02.2004, Бюл. №5.
23. Пат.1633581 US, МПК F16K 31/22. Safety faucet / Гордон С.Дж., Голдберг Д.Д. - Заявл. 21.01.1926; опубл. 28.06.1927.
24. Пат. 4548232 US, МПК F16K 31/20, F16K 31/18. Valve assembly / Рустберг Р.К. - Заявл. 12.04.1984; опубл. 22.10.1985.
25. Пат. 191012184 GB, МПК H01H 35/18. Electric switch / Джонсон А.Г. - Заявл. 18.05.1910; опубл. 19.06.1911.
26. Поликовский В.И. Силовые установки летательных аппаратов с воздушно-реактивными двигателями: Учеб. пособие [Текст] / В.И. Поликовский, Д.Н. Сурнов. - М.: Машиностроение, 1965. - 261 с.
27. Башта Т.М. Машиностроительная гидравлика: Справ, пособие [Текст] / Т.М. Башта. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1971. - 672 с.
28. Киселев П.Г. Справочник по гидравлическим расчетам: [Текст] / П.Г. Киселев. - 2-е изд. - М.-Л.: Госэнергоиздат, 1957. - 352 с.