ТОПЛИВНАЯ СИСТЕМА ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА

Полезная модель относится к области авиастроения, более конкретно, к устройствам, связанным с подачей топлива в двигатель летательного аппарата (ЛА), преимущественно беспилотного.
Известна, принятая за прототип топливная система летательного аппарата патент RU №86171 U1, содержащая топливный бак, магистраль (линию) подачи топлива в двигатель ЛА с пусковым клапаном, сообщенную с нижней частью полости топливного бака, систему наддува топливного бака с пусковым устройством (пусковым клапаном), содержащую магистраль подачи газа наддува, сообщенную с верхней частью полости топливного бака, магистраль сброса газа, сообщенную с газовой полостью топливного бака через магистраль подачи газа наддува и содержащую клапан сброса газа, и устройство ограничения остаточного давления в топливном баке, выполненное в виде клапана перекрытия. Топливный бак загерметизирован пусковыми клапанами и клапаном сброса газа, и хранится в широком диапазоне температур окружающей среды. Для заправки топлива топливный бак снабжают заправочной и дренажной горловинами, сообщенными с его полостью, причем дренажная горловина сообщена с ее верхней частью, которые снабжают клапанами перекрытия, для обеспечения герметичности заправленного топливного бака. Для уменьшения проходного сечения линия подачи топлива в двигатель ЛА может быть снабжена топливным насосом. В более сложном варианте топливный бак может быть выполнен многоотсечным и содержать, по крайней мере, два отсека, и, по крайней мере, одну линию перелива топлива, сообщающую нижнюю часть предыдущего отсека по очередности выработки топлива с полостью последующего вырабатываемого отсека.
Существенными признаками предлагаемой топливной системы летательного аппарата, совпадающими с признаками прототипа, являются следующие: топливная система летательного аппарата, содержащая топливный бак, заправочную и дренажную горловины, снабженные клапанами перекрытия и сообщенные с полостью топливного бака, причем дренажная горловина сообщена с ее верхней частью, линию подачи топлива в двигатель, сообщенную с нижней частью полости топливного бака и снабженную пусковым клапаном, и линию подачи газа наддува, сообщенную с верхней частью полости топливного бака и снабженную пусковым клапаном.
При эксплуатации ЛА в широком диапазоне температур, благодаря вакуумированию остаточного объема газа, после заправки полости бака топливом с минимальной отрицательной температурой, ее герметизации и последующем нагреве в ней топлива при эксплуатации до максимальной температуры диапазона, обеспечивается уменьшение максимального рабочего давления до определенной величины. Однако, при этом не учитывается реальная степень герметичности бака, что может привести к увеличению давления в полости бака больше допустимой величины из-за постепенного натекания воздуха в его полость, при хранении и транспортировании ЛА в зимнее время, с вакуумом в полости бака, и уменьшает срок службы ЛА. При этом, время предельного натекания воздуха в полость конкретного бака не известно, индивидуально и определяется, как его конкретным изготовлением, так и величиной и продолжительностью нагрузок при эксплуатации. Изготовление баков с очень высокой степенью герметичности, для обеспечения многолетнего срока службы приводит к увеличению их массы, усложнению конструкции и технологии изготовления и увеличению их стоимости.
Техническим результатом, на решение которого направлена полезная модель является обеспечение определенного срока службы топливного бака и возможности его продления, с приемлемой, не очень высокой степенью герметичности топливного бака.
Для решения поставленной задачи топливная система летательного аппарата, содержащая топливный бак, заправочную и дренажную горловины, снабженные клапанами перекрытия и сообщенные с полостью топливного бака, причем дренажная горловина сообщена с ее верхней частью, линию подачи топлива в двигатель, сообщенную с нижней частью полости топливного бака и снабженную пусковым клапаном, и линию подачи газа наддува, сообщенную с верхней частью полости топливного бака и снабженную пусковым клапаном, содержит, по крайней мере, один сигнализатор предельного давления в полости топливного бака, снабженный устройством коррекции давления срабатывания по температуре топлива. Для упрощения конструкции сигнализатора предельного давления устройство коррекции давления срабатывания по температуре топлива выполнено в виде упругого биметаллического элемента, на котором расположен один из контактов сигнализатора предельного давления и который размещен в его корпусе, при этом корпус закреплен на топливном баке с частичным размещением в объеме его полости, занимаемым топливом.
Отличительными признаками топливной системы летательного аппарата является то, что она содержит по крайней мере, один сигнализатор предельного давления в полости топливного бака, снабженный устройством коррекции давления срабатывания по температуре топлива; устройство коррекции давления срабатывания по температуре топлива выполнено в виде упругого биметаллического элемента, на котором расположен один из контактов сигнализатора предельного давления и который размещен в его корпусе, при этом корпус закреплен на топливном баке с частичным размещением в объеме его полости, занимаемым топливом.
Благодаря наличию указанных отличительных признаков в совокупности с известными достигается следующий технический результат: обеспечивается определенный срок службы топливного бака и возможность его продления, с приемлемой, не очень высокой степенью герметичности топливного бака.
Предложенные технические решения может найти применение при разработке и эксплуатации, преимущественно, беспилотных летательных аппаратов со сложной формой поперечного сечения топливного бака и уменьшенным максимальным рабочим давлением, длительное время эксплуатирующихся до применения с заправленным и загерметизированным топливным баком в широком диапазоне температур окружающей среды, и в состоянии постоянной готовности к применению.
Топливная система летательного аппарата представлена в составе заправочного комплекса на чертежах, фиг. 1-3.
На фиг. 1 представлен заправочный комплекс.
На фиг. 2 представлен сигнализатор предельного давления в полости топливного бака, снабженный устройством коррекции давления срабатывания по температуре топлива, выполненным в виде упругого биметаллического элемента, поясняющий положение контактов сигнализатора при средней (0°C) и максимальной (+50°C) температурах топлива.
На фиг. 3 представлен сигнализатор предельного давления в полости топливного бака, снабженный устройством коррекции давления срабатывания по температуре топлива, выполненным в виде упругого биметаллического элемента, поясняющий положение контактов сигнализатора при средней (0°C) и минимальной (-50°C) температурах топлива.
Заправочный комплекс включает рабочую площадку 1, и размещенную на ней транспортировочную тележку 2 с осями 3 и 4, снабженными колесами, соответственно, 5 и 6. На транспортировочной тележке 2 расположен ЛА 7, топливная система которого содержит бак 8, полость которого разделена перегородкой 9 на два отсека 10 и 11, сообщенные линией 12 перелива топлива. В полете сначала топливо вырабатывается из отсека 10, а потом из отсека 11. что обеспечивает линия перелива топлива, которая сообщает нижнюю часть полости отсека 10 с верхней частью полости отсека 11. Топливная система ЛА 7 также содержит дренажную горловину 13, содержащую клапан 14 перекрытия и сообщенную линией 15 с верхней частью полости первого вырабатываемого отсека 10, а также заправочную горловину 16 с клапаном перекрытия 17, линию 18 подачи топлива в двигатель (на чертеже не показан), сообщенную с нижней частью полости последнего вырабатываемого отсека 11 и снабженную топливным насосом 19 и пусковым клапаном 20, установленными последовательно. Заправочная горловина 16 сообщена линией 21 с линией 18 подачи топлива в двигатель ЛА 7 и через нее и топливный насос 19 с нижней частью полости последнего вырабатываемого отсека 11. Топливная система ЛА 7 также содержит линию 22 подачи газа наддува с пусковым клапаном 23, сообщенную с линией 15 и через нее с верхней частью полости первого вырабатываемого отсека 10, а также содержит линию 24 перемешивания топлива, вход которой сообщен с линией 18 подачи топлива в двигатель между топливным насосом 19 и пусковым клапаном 20 и через линию 18 и топливный насос 19 с нижней частью последнего вырабатываемого отсека 11, а выход которой сообщен с верхней частью первого вырабатываемого отсека 10. Линия 24 перемешивания топлива снабжена устройством 25 перекрытия и удлиненным коллектором 26, установленным в верхней части полости первого вырабатываемого отсека 10, при этом ее выход выполнен в виде форсунок 27, выполненных в стенке удлиненного коллектора 26. Заправочный комплекс снабжен, по крайней мере, одним подколесным накатником 28, содержащим верхнюю горизонтальную площадку 29 и, по крайней мере, одним подколесным упором 30, при этом, по крайней мере, одно колесо 5 одной из осей 3 транспортировочной тележки 2 размещено на горизонтальной площадке 29 подколесного накатника 28, и, по крайней мере, под одним колесом 6 второй оси 4 транспортировочной тележки 2 установлен подколесный упор 30, верхняя горизонтальная площадка 29, по крайней мере, одного подколесного накатника 28 выполнена подвижной относительно остальной части подколесного накатника 28 и сообщена с ней через пружинное устройство и вибратор. Пружинное устройство выполнено в виде цилиндрической пружины сжатия 31, установленной под верхней горизонтальной площадкой 29 подколесного накатника 28. Вибратор, выполненный в виде амортизатора 32, растянутого между кольцом 33, закрепленным на ЛА 7 и кольцом 34, закрепленным на рабочей площадке 1. Наличие вакуума в полости бака 8 контролируется по манометру 35, сообщенному линией 36 с линией 22 подачи газа наддува. Заправочный комплекс включает дренажный пистолет 37 с дренажным каналом 38, снабженный устройством 39 герметичной стыковки с дренажной горловиной 13 и устройством 40 управления ее клапаном перекрытия 14, а также заправочный пистолет 41, снабженный устройством 42 герметичной стыковки с заправочной горловиной 16 и устройством 43 управления ее клапаном перекрытия 17 Заправочный комплекс включает топливозаправщик 44, содержащий линию 45 заправки, сообщенную с заправочным пистолетом 41, а также вакуумный насос 46 с линией 47 вакуумирования, выполненной с возможностью герметичной стыковки с дренажным каналом 38 дренажного пистолета 37. Топливная система ЛА 7 также содержит, по крайней мере, один сигнализатор 48 предельного давления в полостях отсеков 10 и 11, который содержит корпус 49, закрепленный на отсеке 10 с частичным размещением в объеме его полости, занимаемом топливом. Полость корпуса 49 разделена упругой мембраной 50 на две полости 51 и 52. Полость 52 через отверстие 53 сообщена с полостью отсека 10. На упругой мембране 50 со стороны полости 51 закреплен один из электрических контактов 54, соединенный с электроразъемом 55. Сигнализатор 48 предельного давления снабжен устройством коррекции предельного давления по температуре топлива, выполненном в виде упругого биметаллического элемента 56, снабженного вторым электрическим контактом 57, соединенного с электроразъемом 55.
т.макс
бак
T-6
T-6
т.мин
т.макс
мин
макс
бак
бак
газ.запр
бак
запр.
макс
запр
газ.мин
макс
газ.запр
бак
бак
вак
запр.
запас
вак
бак
газ.запр
газ.запр
запас
запас
0
макс
0
мин
+50
3
-30
3
2
2
2
2
4
2
2
8
4
8
-2
Заправочный комплекс работает следующим образом. Заправочный пистолет 41 подстыковывается к заправочной горловине 16, посредством устройства 42 герметичной стыковки, а дренажный пистолет 37 подстыковывается к дренажной горловине 13, посредством устройства 39 герметичной стыковки. Устройствами 40 и 43 управления открываются клапаны перекрытия, соответственно, 14 и 17. После чего, задействуется топливозаправщик 44, обеспечивая поступление топлива по линии заправки 45, через заправочный пистолет 41, заправочную горловину 16, открытый клапан 17 перекрытия, линии 21 и 18, топливный насос 19 сначала в полость отсека 11 бака 8, и далее по линии 12 перелива топлива в полость отсека 10, вплоть до заполнения полостей этих отсеков необходимым объемом топлива. При этом, объем газа, замещаемый топливом в полостях отсеков 11 и 10, вытесняется в окружающую среду через линию 15, дренажную горловину 13, открытый клапан 14 перекрытия и дренажный канал 38 дренажного пистолета 37. После заправки в полости отсеков 11 и 10 необходимого объема топлива устройством 43 управления закрывается перекрывной клапан 17 и заправочный пистолет 41 отстыковывается от заправочной горловины 16, посредством устройств 42 герметичной стыковки, линия 47 вакуумирования подстыковывается к дренажному каналу 38 дренажного пистолета 37 и включается вакуумный насос 46, обеспечивая уменьшение давления газа в полости отсека 10 бака 8. Дальнейшую работу системы заправки рассмотрим на примере топлива Т-6 и его характеристик (Н.Ф. Дубовкин и др. “Физико-химические и эксплуатационные свойства реактивных топлив”, Москва, “Химия”, 1985 - [1]). Допустим, что бак 8 в составе ЛА 7 эксплуатируется в широком диапазоне температур окружающей среды, имеющей температуру воздуха от 223 К (-50°C) до 323 К (+50°C), с высокой степенью заполнения топливом объема полостей отсеков 10 и 11 бака 8 - 94%, при максимальной температуре 323 К топлива в баке 8. Допустим также, что минимальная температура заправки бака 8 топливом Т-6 в указанном диапазоне температур превышает его минимальное значение - минус 50° и составляет минус 30°C или 243 К. При изменении температуры топлива Т-6 от 323 К до температуры 243 К его объем уменьшается от V=0,94V пропорционально увеличению плотности с ρ =820,2 кг/м до ρ =876,7 кг/м [1, стр. 34], соответственно, минимальный объем топлива в полостях отсеков 11 и 10 бака 8 составит V-Vρ/ρ=0,94V·820,2/876,7=0,879V, а объем газа в полости отсека 10 баке 8 после заправки топливом с температурой минус 30°C составит V=0,121V. Максимальное давление газа и топлива в полостях отсеков 10 и 11 бака 8 образуется при быстром нагреве топлива в эксплуатации от минимальной температуры 243К до максимальной температуры 323 К, когда газ не успевает раствориться в топливе. Для того, чтобы максимальное давление в полостях отсеков 10 и 11 не превысило, например, 1,7 кГс/см, давление газа при заправке топливом с температурой 243 К и закрытых клапанах перекрытия 14 и 17, должно быть: P=P·Т·V/(T·V.)=1,7·243·0,06V/(323·0,121V)=0,634 (кГс/см), или перепад давления вакуума ΔP=(1-P)=0,366 (кГс/см). Предположим, что запас давления для натекания атмосферного воздуха в полости отсеков 10 и 11 бака 8 составляет ΔP=0,1 кГс/см =7,3556·10 мкм рт. ст. С учетом этого, давление газа в этих полостях бака 8 после заправки топливом с температурой минус 30°C должно быть 0,534 кГс/см (ΔP=0,466 кГс/см). Степень герметичности бака 8, например, объемом V=1000 л (V=121 л), при его назначенном сроке службы Δτ=7 лет (2,20752·10 с), определяемая объемом газа, проходящего через места его течи, приведенного к определенному давлению (поток газа Q), составит - Q=V·ΔP/Δτ=121·7,3556·10/2,20752·10=4.038·10 л · мкм рт. ст./с. Такую степень герметичности бака 8 в производстве обеспечивает контроль масс-спектрометрическим методом (Н.М. Беляев, Е.И. Уваров, Ю.М. Степанчук «Пневмогидравлические системы», М., изд. «Высшая школа», 1988 г., стр.262 - [2]). В процессе эксплуатации ЛА 7, после увеличения давления газа в полостях отсеков 11 и 10 бака 8, из-за натекания воздуха через его течи бака с уменьшением запаса давления на натекание (ΔP), что может быть установлено по показаниям манометра 35, процесс вакуумирования с перекрытием клапана 14 и выдерживанием бака 8 может быть повторен, и срок службы бака 8 в составе ЛА 7 продлен. Благодаря тому, что колесо 5 транспортировочной тележки 2 размещено на горизонтальной площадке 29 подколесного накатника 28 и наличию в нем цилиндрической пружины 27 сжатия, его установке на рабочей площадке 1 и связи амортизатора 32 с ЛА 7 и рабочей площадкой 1 через кольца 33 и 34, соответственно, при свободных колебаниях амортизатора 32, после его предварительного отклонения или отклонения носовой или хвостовой части (на чертеже не показаны) ЛА 7, горизонтальная площадка 29 с ЛА 7 подвергается вибрационным воздействиям, смещаясь при колебаниях пружины 27 как в горизонтальном направлении, за счет бокового смещения ее витков, так и в вертикальном направлении, за счет изменения расстояния между ее витками. Стенки бака 8 в процессе вибраций, воздействуя на топливо в полости отсека 10 приводят к колебанию участков свободной поверхности топлива, контактирующей с газом, что увеличивает площадь свободной поверхности топлива и поэтому ускоряет процесс выделения газа из топлива через его свободную поверхность, концентрация которого при заправке бака 8 обусловлена растворимостью газа при атмосферном давлении и не соответствует пониженному давлению в отвакуумированном объеме газа в полости отсека 10. Кроме того, вибрация всего объема топлива в полостях отсеков 10 и 11, вследствие микроперемещений частиц топлива, устраняет трение покоя, удерживающие от всплытия мелкие пузырьки газа выделяющиеся по всему объему топлива, что повышает степень сепарации (отделения) выделяющеюся при пониженном давлении объема газа от остального объема топлива и ускоряет завершение сепарации. Дополнительно, вибрация топлива в заправленном баке 8 способствует более быстрому выравниванию уменьшенной концентрации газа, растворенного в объеме топлива вблизи его свободной поверхности, по всему объему топлива в полости отсека 10 и в полости отсека 11, благодаря сообщению этих полостей линией 12 перелива топлива. Как показали проведенные эксперименты, при вибрационных воздействиях на бак с топливом, время уменьшения давления газа в экспериментальном одноотсечном баке (на чертеже не показан) до равновесного состояния сокращается с 24 до 1÷1,5 часа. Дополнительно, при включении топливного насоса 19, топливо из отсека 11 по линиям 18 подачи топлива и 24 перемешивания топлива, через форсунки 27 коллектора 26 поступает в объем газа в полости отсека 10, разбрызгиваясь форсунками 27, что увеличивает свободную поверхность топлива для газовыделения при уменьшенном давлении, и уменьшает время достижения установившегося давления, при котором объем растворенного в топливе газа соответствует его растворимости при установившемся давлении газа и температуре топлива при заправке. Достижение установившегося давления в газовой полости отсека 10 бака 8 может быть установлено по времени или по показаниям манометра 35, после чего топливный насос 19 отключается, задействуется устройство перекрытия 25, и ЛА 7, с заправленным и загерметизированным баком 8, готов к эксплуатации в широком диапазоне температур окружающей среды, с определенным назначенным сроком службы, уменьшенным максимальным рабочим давлением и с возможностью продления назначенного срока службы. В процессе эксплуатации ЛА 7 после увеличения давления газа в полостях отсеков 10 и 11 бака 8, из-за натекания в них воздуха атмосферы, вследствие определенной степени герметичности бака 8, при максимальной температуре топлива (+50°C), в соответствии с максимальной температурой окружающей среды, установится предельное давление, величина которого будет уменьшаться при уменьшении температуры окружающей среды, соответственно, увеличения плотности топлива и уменьшения объема, соответственно, увеличения объема газа в полости 10. Для того, чтобы прогнозировать при различных температурах топлива и давлениях газа в полости 10, возможность нагружения бака 8 предельным давлением, в случае прогрева в нем топлива до максимальной температуры (+50°C) в процессе эксплуатации ЛА 7 в широком диапазоне температур окружающей среды, в баке 8 можно использовать несколько сигнализаторов предельного давления (на чертеже не показаны), каждый из которых будет выдавать предупреждающий сигнал при температуре топлива и давлении газа в полости 10, на которые он настроен. Сигнализатор 48 предельного давления обеспечивает выдачу предупреждающего сигнала при различных значениях температуры топлива и давления газа в полости 10 при эксплуатации. Благодаря креплению корпуса 49 (фиг. 2) на отсеке 10 с частичным размещением в объеме его полости, занимаемом топливом и относительно большой теплоемкости топлива (~1,6 кДж/(кг°К, [1], стр. 99, 100), температура биметаллической пластины 56, при нагреве топлива в баке 8, близка к температуре топлива, при этом ее параметры выбираются такими, чтобы при нагреве упругого биметаллического элемента 56 от 0°C до +50°C с увеличением давления в баке 8, расстояние между контактами 54 и 57 увеличивалось от L до L (фиг. 2), а при охлаждении упругого биметаллического элемента 56 от 0°С до -50°С это расстояние уменьшалось от L до L. Таким образом, при различных значениях температуры топлива и давления газа в полости 10 баке 8 при эксплуатации, сигнализатор 48 предельного давления будет выдавать в систему управления (на чертежах не показана) ЛА 7 сигнал об уменьшении запаса пониженного давления в полостях 10 и 11 бака 8 и возможном его нагружении предельным внутренним давлением, в случае увеличения температуры топлива до максимального значения +50°C. Для продления срока службы бака 8 в составе ЛА 7 объем газа в полости отсека 10 может быть отвакуумирован описанным ранее способом с возобновлением запаса давления в полостях 10 и 11 бака 8 на натекание атмосферного воздуха, в соответствии с определенной степенью герметичности бака 8. Благодаря реализации такой возможности, может быть реализована не очень высокая степень герметичности бака 8 и клапанов перекрытия 14 и 17, что обеспечивает упрощение их конструкции, следовательно, и уменьшение массы, при этом также уменьшается и стоимость их изготовления.