УНИВЕРСАЛЬНЫЙ РАЗГОННЫЙ БЛОК (ВАРИАНТЫ) И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВКЛЕЙКИ В НЕМ ДНИЩ

Полезная модель универсальный разгонный блок относится к ракетной технике и может использоваться в составе различных ракет носителей для выведения космических аппаратов и спутников на их рабочие орбиты.
Известны разгонные блоки такие как, «ДМ» разработки РКК «Энергия», «Фрегат» разработки НПО им. Лавочкина, работающие на паре кислород-керосин, разгонный блок «Бриз», работающий на паре компонентов ракетного топлива амил и гептил, а также кислороде - водородный блок 12 КРБ для Индии, два последних из которых созданы в ГКНПЦ им. М.В.Хруничева. («Филевские орбиты» Книга вторая, стр.186, 210, Изд. «Новости, 2006 г.)
Недостатком указанных разгонных блоков является то, что они представляют собой блоки индивидуального исполнения, будучи привязанными, каждый к своему конкретному носителю, имеют присущий каждому из них тип конструкции со своим набором конструкционных материалов, содержат различный состав комплектующих элементов и требует своей производственной базы для изготовления, что ведет к удорожанию их производства. Все эти разгонные блоки, кроме индийского 12 КРБ, имеют недостаточно высокие энергетические показатели в силу того, что в них не используется наиболее высоко эффективная кислородо-водородная пара компонентов, что необходимо иметь на перспективу даже при отсутствии сейчас былой и ныне разрушенной водородной базы у нас на полигонах. Весовая эффективность корпусов указанных разгонных блоков находится на недостаточно современном уровне, поскольку конструкция и технология изготовления этих блоков базировалась на былом техническом уровне в силу использования металлических сплавов, уступающих по удельной прочности современным композиционным материалам.
Известен патент №2191720 от 01.06.2000 г. «Ракетный блок (варианты) и способ его изготовления (варианты)», изготавливаемого из углепластика, патентообладателем которого является ГКНПЦ им. М.В.Хруничева (Авторы Бахвалов Ю.О., Кулага Е.С., Оленин ИГ.) Указанный блок баков имеет ряд преимуществ перед металлическими блоками баков, в том числе и массовыми характеристиками. Однако он имеет несколько избыточную трудоемкость изготовления в силу того, согласно патенту, блок баков изготавливается из полубаков совместно с днищами, и с помощью кольцевых разъемов в каждом из баков, они соединяются между собой по периметру, герметизируются и, тем самым, образовывают бак окислителя и горючего. Количество кольцевых разъемов в блоке баков является избыточным и обусловлено необходимостью обеспечения вклеивания днищ в обечайки полубаков, осуществляемом непосредственно при изготовлении полубаков одновременно с оболочками полубаков.
Известен способ приклейки усиливающей локальной накладки на днище оболочки корпуса внутри его, осуществленный космонавтами в полете на орбитальной станции «Солют-7» с помощью прижима накладки надувным мешком при ее приклейке с упором раздувающегося мешка на находящийся вблизи агрегат. (Е.С.Кулага «От самолетов к ракетам и космически кораблям», стр.156, издание «Воздушный транспорт», 2001 г.). Недостатком данного метода является то, что надувной мешок позволяет осуществить прижим только локальной накладки и не позволяет осуществить прижим склеиваемых элементов по кольцевой замкнутой поверхности при отсутствии опорной поверхности для раздувающегося мешка, которые необходимы в случае вклеивания днищ в неразрезные заранее изготовленные оболочки баков.
Задача данной полезной модели состоит в разработке универсального разгонного блока из углепластика, обладающего однообразной конструкцией корпуса с минимальным количеством кольцевых разъемов по периметру, имеющего более высокую весовую и энергетическую эффектность при достаточно сниженной трудоемкости изготовления, и использующегося в составе различных ракет носителей, применительно отдельно для носителей легкого, среднего и тяжелого классов, обеспечивать последовательный переход однотипных блоков, работающих на паре кислород - керосин к разгонным блокам с использованием чисто криогенной парой компонентов, изготавливаться на одной производственно-технологической базе с более эффективной его технологией и обеспечивать надежное введение заранее изготовленных днищ в неразрезную оболочку блока баков с образованием опорной поверхности для их приклейки
Данная задача решается тем, что типовой универсальный разгонный блок с использованием криогенной пары компонентов, состоящий из двигательной силовой установки, блока баков и системы управления, в соответствии с полезной моделью с достижением технического эффекта, состоящего в применении в разгонном блоке системы управления разгонного блока состоящей из однотипных функциональных блоков, содержащей в своем составе блок ее согласования с соответствующими системами управления различных классов ракет носителей, оболочка блока баков окислителя и горючего выполнена из углепластиковой трехслойной конструкции с лейнером в зоне баков, выполнена единой без кольцевых разъемов по периметру, по ее торцам располагаются стыковочные фитинги из углепластика, оболочка имеет люки с крышками между баками, днища баков выполнены из однослойного углепластика с лейнером на внутренней поверхности, верхние днища баков имеют люки, нижние днища баков имеют углепластиковые трубчатые фланцы вывода металлических трубопроводов из баков, конструкция нижней проставки разгонных блоков с носителем и верхней простаки стыковки с полезным грузом выполнены зацело с оболочкой блока, днища баков вклеиваются в трехслойною оболочку баков с помощью устройств
Данная задача в обеспечении доступа в межбазовые отсеки осуществляемая с помощью люков решается тем, что крышки люков в трехслойной оболочке между баками выполнены трехслойной конструкции из углепластика, каждая из ее обшивок соединена с соответствующими обшивками трехслойной оболочки баков с помощью наружной накладки, установленной на клее и внутренней накладки установленной на анкерных гайках.
Данная задача в установке крышек люков на верхних днищах решается тем, что крышка люка на верхних днищах баков выполнена однослойной конструкции из углепластика, с лейнером на ее внутренней поверхности, установлена на днище с помощью анкерных болтов, ввинчиваемых на клее в тело окантовки люка на днище.
Данная задача подсоединения металлических трубопроводов к трубчатым фланцам, установленным на нижних днищах решается тем, что на трубчатые фланцы, установленные на нижних днищах баков навернута, по внешней его резьбе, переходная металлическая втулка, на нее навинчена металлическая обойма на двух барьерном кольцевом уплотнении, имеющая фланец на своем торце, к которому болтами притянут фланец металлического трубопровода с плоскостным двух барьерным уплотнением.
Данная задача унификации разгонных блоков применительно к легкому среднему и тяжелому классу носителей, решается тем, кислородо-водородные разгонные блоки, имеют однотипную конструкцию применительно к легкому среднему и тяжелому классу носителей с использованием в блоке баков одних и тех же материалов, имеют свои габаритные и энергетические характеристиками, в каждом из которых для всех трех видов разгонных блоков, использующихся в каждом из классов носителей легкого, среднего и тяжелого класса, стыковочные фитинги разгонных блоков по их стыковочным плоскостям, также выполнены одного типа конструкции из углепластика.
Данная задача унификации видов разгонных блоков на паре компонентов кислород-керосин и кислород-водород решается также тем, что разгонный блок на паре кислород-керосин, имеет одинаковый диаметр блока баков с универсальным разгонным блоком на паре водород-кислород, имеет свою длину с одинаковыми радиусами днищ баков в зоне люков и установки на них трубчатых фланцев, имеет одинаковую конструкцию стыковочных плоскостей с носителями и полезными грузами применительно к легкому, среднему и тяжелому классу носителей..
Данная задача ввода днищ в неразрезную оболочку блока баков и вклейки днищ внутри ее решается с помощью разборного устройства, состоящего, согласно полезной модели, из опорного фланца и съемных секторов, опорный фланец имеет узлы фиксации съемных секторов, крепящихся к опорному фланцу на трубчатых стойках, выполняемых из органопластика, на опорной поверхности которых имеется ложемент с ловителями фиксации торца днища и ввода его в трехслойную оболочку с размещающимися съемными крышками на заднем его торце, в ложементе располагается надувной кольцевой мешок с полимерными нагревательными пластинами
Конструкция универсального разгонного блока и устройства для ввода и вклеивания днищ в оболочку блока баков, далее поясняется с помощью рисунков на Фиг.1, -11. На Фиг.1 представлена конструктивная схема универсального разгонного блока, на Фиг.2 (Узел 1 на Фиг 1) представлен фитинг, установленный по торцам трехслойной оболочки блока баков, на Фиг.3 (Узел 2 на Фиг.1) показана крышки люка в трехслойной оболочке межбакового пространства, на Фиг.4 (Узел 3 на Фиг 1) показана крышка люка на верхних днищах, на Фиг 5 (Узел 4 на Фиг 1) показан трубчатый фланец на нижних днищах, на Фиг.6 и 7 приведен общий вид устройства для ввода и приклейки днища в оболочку блока баков, на на Фиг.8-11 представлена схема, иллюстрирующая процесс использования устройства для вклейки днищ, а также представлена укрупненная технологическая схема, иллюстрирующая процесс изготовления универсального разгонного блока согласно данной полезной модели с использованием устройства для ввода и приклейки днищ.
На Фиг.1, представлен универсальный разгонный блок, состоящий из двигательной силовой установки 1, блока баков 2 и системы управления 3, типовая система управления разгонного блока, содержит в своем составе блок 4 согласования ее с соответствующими системами управления различных классов ракет носителей, оболочка блока баков 5 окислителя и горючего, по ее торцам имеет стыковочные фитинги 6 из углепластика, используемые по патенту №2399016 от 18.03.2009. патентообладателем, которого является ГКНПЦ им. М.В.Хруничева (Автор Е.С.Кулага и др), между баками в оболочке имеются люки 7, внутри оболочки располагаются верхние днища 8 баков и нижние днища 9 баков, образующие собой кислородный и водородный баки, имеющие по периметру цилиндрические прямолинейные участки 10, верхние днища баков 8 имеют люки 11, нижние днища имеют трубчатые фланцы 12 вывода металлических трубопроводов из бака, используемые по патенту №2399824 от 18.03.2009 г патентообладателем, которого является ГКНПЦ им. М.В.Хруничева (Автор Е С Кулага и ДР).
На Фиг.2, представлен стыковочный фитинг 6, установленный по торцам трехслойной оболочки 5, путем, приклеивания его к обшивкам трехслойной оболочки блока баков с помощью уголков 13, имеющихся на фитингах.
На Фиг.3 показана крышки люка 7 в трехслойной оболочке блока баков 5, внутренняя обшивка 14 которой соединена с внутренней обшивкой 15 оболочки баков с помощью накладки 16, устанавливаемой на анкерных гайках 17, наружная обшивка крышки люка 18 соединена с наружной обшивкой оболочки баков 19 путем приклейки накладки 20.
На Фиг 4 показан люк 11 с крышкой 21 на верхних днища 8, прикрепленная к окантовке 22 люка, с помощью анкерных болтов 23 на клее
На Фиг.5 показан к трубчатый фланца 12 на который навернута по внешней его резьбе переходная втулка 24, на нее навинчена обойма 25 на двух барьерном кольцевом уплотнении 26, имеющая фланец 27 на своем торце, к которому болтами притянут фланец 28 металлического трубопровода 29 с плоскостным двух барьерным уплотнением 30.
На Фиг.6 и 7 представлено разборное устройство для ввода и приклейки днища 8 в оболочке блока баков 5, состоящего из опорного фланца 31 и съемных секторов 32, у которого фланец имеет пазы 33 для фиксации съемных секторов, крепящихся к опорному фланцу на трубчатых стойках 34, выполняемых из органопластика, на опорной поверхности секторов имеется ложемент 35, в котором располагается надувной кольцевой мешок 37 с полимерными нагревательными пластинами 38, на передней части ложемента имеются ловители 39 фиксации торца 40 днища бака и ввода его в трехслойную оболочку блока баков, на заднем торце ложемента размещены съемные крышки 41.
Процесс использования устройства для ввода днищ в оболочку блока баков осуществляется тем, что вне трехслойной оболочки блока баков, на штанге 42, опирающейся на люнет 43 с помощью фланца 44 крепится днище 8, на опорном фланце 31 монтируются съемные сектора 32 на которые устанавливается надувной кольцевой мешок 37, закрываются задние съемные крышки 41 и собранное устройство 45 вводится в цилиндрическую часть 10 днища и фиксируется по торцу 40 днища бака, собранное таким образом днище совместно с установленным в нем устройством 45 вводится, с помощью механизма 46, по ловителям 39, имеющимся на съемных секторах 32, на необходимое место в трехслойную оболочку блока баков 5, затем в надувной кольцевой мешок подается давление, которым горизонтальная часть днища прижимается к оболочке блока баков, на нагреватели подается напряжение и осуществляется приклейка днища.
На Фиг.8-11 представлена схема, иллюстрирующая процесс изготовление блока баков разгонного блока из углепластика автоклавного формования, согласно данной модели с использованием устройства для ввода и приклейки днищ в оболочке блока баков.
Однослойные днища 8 и 9 заранее выкладывают и формуют совместно с лейнером на верхней части 47 общей оправки (Фиг.8), с одновременным вклеиванием трубчатого фланца 12 затем, не снимая отформованного нижнего днища 9 водородного бака с верхней части оправки, к ней пристыковывают нижнюю съемную часть 48 общей оправки, опирающуюся на ограничительный упор 49 устанавливаемый на днище 9. На собранной общей оправке выкладывают и формуют неразрезную внутреннюю обшивку 50 трехслойной оболочки блока баков 5 с лейнером, (Фиг.9).
На нее выкладывают алюминиевые сотоблоки 51, (Фиг.10), устанавливают фитинги 6 по стыковочным плоскостям, покрывают пакет разрезной, заранее изготовленной на общей оправке наружной обшивкой 52 с клеевой пленкой, на нее устанавливают перестыковочные накладки 53 и формуют в автоклаве собранную сборку (Фиг.10). После этого трехслойную оболочку баков снимают с общей оправки и в оболочку, совместно с нижним днищем 9 водородного бака, вклеивают верхнее его днище 8 с помощью монтажного устройства 45, вводимого с использованием механизма 46, выполняют внутренние монтажи в водородном баке, закрывают его крышку люка винтами 23 ввинчиваемыми на герметике в углепластиковое утолщение днища 6 согласно Фиг.4, (Узел 3) и затем последовательно вклеивают днища окислительного бака с помощью того же монтажного устройства (Фиг 11), после чего в оболочке блока баков выполнят межбаковые люки согласно Фиг.3, (Узел 2)
В случае возникновения производственной необходимости по тем или иным причинам, можно разрезать трехслойную оболочку блока баков в межбаковой проставке и тем самым расчленить универсальный разгонный блок на отдельные баки и затем соединить их, как показано на Фиг.3, Узел 2, технология выполнения которого отработана при изготовлении упоминавшихся экспериментальных бачков.
Массовые характеристики блока баков универсального разгонного блока согласно данной полезной модели будут выше, чем у блока баков по упоминавшемуся ранее патенту №2191720 от 01.06.2000. В этом патенте суммарное число кольцевых стыков блока баков сокращено на один стык по сравнению с традиционными разгонными блоками, а в универсальном разгонном блоке, их число уменьшено на четыре стыка по сравнению с традиционными разгонными блоками за счет введения неразрезной трехслойной оболочки и вклеивания в нее днищ баков с помощью соответствующего устройства, представленного на Фиг.6 и 7, а его использование иллюстрируется на Фиг.8-11.
Надежность технологии изготовления трехслойных оболочек из углепластика отработана при изготовлении головных обтекателей различных типоразмеров на различных предприятиях ракетной отрасли.
При изготовлении в ГКНПЦ им. М.В.Хруничева вакуумным методом экспериментальных бачков из углепластика по теме «Ленер» - «Разработка техпроцессов изготовления баков ракет и разгонных блоков из углепластика с полимерным лейнером», включенной в «Федеральную космическую программу на 2006-20015 годы», отработана стыкуемость верхней и нижней части оправок. Отработаны конструкция и способ изготовления стыковочных фитингов и трубчатых фланцев из углепластика, на что получены упоминавшиеся патенты.
Технология изготовления полимерного лейнера и днищ, в числе других шести технологических процессов, отработаных при изготовлении упоминавшихся экспериментальных бачков, экспертным советом предприятия признаны, как «ноу-хау» предприятия и на патентование не выставлялись.
В процессе отработки техпроцессов по теме «Лейнер», съем, и последующее одевание на стеклопластиковую оправку изготовленной внутренней обшивки с днищем из углапластика происходило без каких либо затруднений даже при отсутствии ловителей. Их наличие в данном устройстве позволит гарантированно вводить собранное устройство с днищами в оболочку блока баков при возможном несколько деформированном ее входном сечении, которое может происходить под воздействием собственного веса при нахождении ее в горизонтальном положении.
Герметичность углепластика из 6 слоев препрега с полимерным лейнером в процессе выполнения темы «Лейнер», при вакуумном формовании, оказалась на один порядок меньше требуемой. Герметичность образцов с лейнером при прессовом формовании, что соответствует автоклавному формованию, оказалась даже выше, чем требовалось. Возможность обеспечения необходимой герметичности баков из углепластика подтверждена опытом специалистов США.
К настоящему времени в США фирма «Microcosm» разработала баки из трехслойного сотового углепластика для ракеты «Sprit», а компания Garvey Spacecraft Corporation разработала подобные топливные баки из углепластика для РН «Prospector 6», которые позволили получить им экономию массы до 30%. Эти баки были использованы в качестве водородного бака в составе этой ракеты носителя при успешно проведенном демонстрационном ее полете. В конструкции этих баков диаметром 1 м. обшивка оболочки баков изготавливалась из 12 слоев препрега. При их изготовлении, специалистами США было показано, что изготовление баков из углепластика с обеспечением необходимой герметичности можно вести и при вакуумном формовании с ультразвуковым уплотнением отверждаемого материала вместо применения обычного автоклавного отверждения.
Техническая реализуемость конструкции согласно данной полезной модели подтверждается тем, что, например, для максимально возможного диаметра универсального блока для тяжелых носителей, равном 4 м, характерные размеры некоторых элементов данного устройства будут следующего порядка.
1
2
1
2
3
Количество секторов согласно Фиг.6 будет равняться 16 при диаметре люка на днище равном 800 мм. При этом характерные размеры будут составлять R=2000 мм, R=390 мм, а=160 мм, в=360 мм, d=80 мм, h=40 мм, h=1,2 мм, h=10 мм. Приведенные величины показывают полную практическую возможность технической реализации этого устройства