СИСТЕМА ПОДАЧИ ТОПЛИВА
FUEL FEED SYSTEM

Предлагаемое изобретение относится к области космической техники, а точнее к области проектирования и эксплуатации реактивных двигательных установок (РДУ) космических летательных аппаратов (КЛА).
Системы подачи топлива используются в современных РДУ КЛА, применяемых для создания импульсов тяги, необходимых как для перемещения центра масс КЛА (коррекция траектории движения, торможения КЛА для обеспечения его схода с орбиты), так и для создания управляющих моментов относительно его центра масс (ориентация, развороты и т.д.). Импульсы тяги для различных режимов управления аппаратом в пространстве создаются с помощью имеющихся на борту реактивных двигателей (РД), величины тяг которых в зависимости от их назначения изменяются в широких пределах (от нескольких сотен кГс до единиц и менее кГс). Работа указанных двигателей с заданными параметрами обеспечивается системами наддува топливных баков и подачи топлива к входам двигателей.
Известны системы подачи топлива РДУ КЛА (см., например, журнал №7 «Авиация и космонавтика», М., Воениздат, 1978, с.с.36, 37, рис.2). Системы подачи топлива содержат топливные баки горючего и окислителя, магистрали подачи топлива с пускоотсечными клапанами и системы наддува топливных баков, включающие баллоны высокого давления, связанные пневмомагистралями с газовыми полостями топливных баков, и установленные на них пускоотсечные клапаны, газовые редукторы, сигнализаторы и датчики давления. Баллоны высокого давления заполнены газом, например азотом, и служат для обеспечения выдавливания топлива из топливных баков и подачи его к РД РДУ КЛА.
Общими недостатками известных аналогов системы подачи топлива являются низкая надежность и небольшой ресурс работы системы.
Известна также система подачи топлива РДУ КЛА (см., например, патент России №2339832 регистрация от 27.11.2008, МПК F02K 9/50), выбранная в качестве прототипа, содержащая топливные баки горючего и окислителя с разделительными перекладными мембранами, магистрали подачи топлива с пускоотсечными клапанами и систему наддува топливных баков, включающую баллоны высокого давления, связанные пневмомагистралями с газовыми полостями топливных баков, и установленные на пневмомагистралях пускоотсечные клапаны, дроссельные устройства и газовые редукторы, датчики давления и проверочные горловины, при этом каждый топливный бак снабжен съемным закольцовочным трубопроводом, включенным между входом в газовую полость топливного бака и выходом из его жидкостной полости перед пускоотсечным клапаном, установленным на магистрали подачи топлива.
В таких системах выдавливание топлива из топливных баков посредством разделительных перекладных мембран производят газом, например гелием или азотом, закачанным в баллоны высокого давления на Земле перед стартом. Топливо из топливных баков поступает по магистралям подачи к потребителю, например к РД. Перед заправкой топливных баков компонентами топлива - горючим и окислителем - баки подвергают проверке на герметичность в составе системы, при этом от наземных систем производят наддув газом, например гелием, одновременно как топливных баков, так и газовых баллонов, сообщенных с топливными баками посредством пневмомагистралей. Нарушение герметичности определяют, например, по спаду давления во всей системе наддува. Такая проверка нарушения герметичности топливных баков сложна и требует больших расходов испытательного газа (гелия) и затрат электроэнергии, потребляемой наземной испытательной системой (станцией). Кроме того, не исключено нарушение расположения разделительной перекладной мембраны (перекос, изменение геометрии и т.д.), например, при увеличении перепада давлений и нагрузки на мембрану выше допускаемой (расчетной), что требует последующего контроля, по результатам которого принимается решение о допуске системы к дальнейшей эксплуатации или замене бака с поврежденной мембраной на новый.
Недостатками прототипа системы подачи топлива являются отсутствие возможности проведения контроля состояния разделительной перекладной мембраны топливных баков в составе системы.
Задачей настоящего изобретения является создание системы подачи топлива, которая обеспечивала бы контроль положения и состояния разделительной перекладной мембраны топливных баков в составе системы.
Технический результат достигается за счет того, что в системе подачи топлива, содержащей топливные баки горючего и окислителя с разделительными перекладными мембранами, магистрали подачи топлива с пускоотсечными клапанами и систему наддува топливных баков, включающую баллоны высокого давления, связанные пневмомагистралями с газовыми полостями топливных баков, и установленные на пневмомагистралях пускоотсечные клапаны, дроссельные устройства и газовые редукторы, датчики давления и проверочные горловины, при этом каждый топливный бак снабжен съемным закольцовочным трубопроводом, включенным между входом в газовую полость топливного бака и выходом из его жидкостной полости перед пускоотсечным клапаном, установленным на магистрали подачи топлива, в отличие от известной в нее введен коллектор, встроенный между пускоотсечными устройствами, которыми снабжен съемный закольцовочный трубопровод, и подключенный к источнику газа высокого давления посредством трубопровода подачи газа, снабженного газовым редуктором, дроссельным устройством и также пускоотсечным устройством, при этом съемный закольцовочный трубопровод подключен к пневмомагистрали посредством установленной на ней проверочной горловины, а на конце съемного закольцовочного трубопровода, подключенного к проверочной горловине, через пускоотсечное устройство включен газовый счетчик.
Технический результат достигается путем замера объема газовой полости бака и сравнения полученной величины объема с результатами первичного замера объема газовой полости при его изготовлении (паспортными данными объемов, полученными при изготовлении топливных баков).
Использование предлагаемой системы подачи топлива, например, на космическом орбитальном комплексе типа «МКС» - «Прогресс» - «Шаттл» позволит дать значительный экономический эффект за счет повышения надежности и долговечности системы.
Суть изобретения поясняется чертежом. Предлагаемая система подачи топлива состоит из следующих основных узлов, деталей и агрегатов: топливных баков горючего 1 и окислителя 2 с разделительными перекладными мембранами 3, 4, магистралей подачи топлива 5, 6 с пускоотсечными клапанами 7, 8 и системы наддува топливных баков, включающей баллоны высокого давления 9, 10, связанные пневмомагистралями 11, 12 с газовыми полостями 13, 14 топливных баков, и установленные на пневмомагистралях 11, 12 пускоотсечные клапаны 15, 16, например электромагнитные клапаны, дроссельные устройства 17, 18, газовые редукторы 19, 20. В систему подачи топлива входят также датчики давления 21, 22, установленные на пневмомагистралях, и 23, 24 - на магистралях подачи топлива, а также проверочные горловины 25, 26, установленные на пневмомагистралях, и 27, 28 - на магистралях подачи топлива. Каждый топливный бак 1(2) снабжен закольцовочным трубопроводом 29(30), включенным посредством проверочных горловин 25(26) и 27(28) между входом в газовую полость 13(14) топливного бака 1(2) и выходом из его жидкостной полости 31(32) перед пускоотсечным клапаном 7(8), установленным на магистрали подачи топлива 5(6). Съемный закольцовочный трубопровод 29(30) снабжен пускоотсечными устройствами 33, 34 (35, 36), например вентилями, между которыми встроен коллектор 37(38), подключенный к источнику газа высокого давления, например к стендовым баллонам с газом высокого давления посредством трубопровода подачи газа 39(40), снабженного пускоотсечным устройством 41(42), например вентилем, газовым редуктором 43(44) и дроссельным устройством 45(46).
На конце съемного закольцовочного трубопровода 29(30), подключенном к проверочной горловине 25(26), установленной на пневмомагистрали через пускоотсечное устройство 47(48), например вентиль, включен газовый счетчик 49(50). Коллектор 37(38) снабжен монометром 51 (52).
Проверочные горловины 25, 26 и 27, 28 выполнены в виде запорных клапанов и обеспечивают стыковку (отстыковку) съемных закольцовочных трубопроводов 29, 30, например, посредством резьбового соединения. В топливном баке 1(2) разделительная перекладная мембрана 3(4) отделяет газовую полость 13(14) от жидкостной полости 31(32) и служит в качестве устройства, выдавливающего топливо с помощью системы наддува из бака в магистраль подачи топлива к потребителю, например к РД. В качестве дроссельных устройств 17, 18 и 45, 46 используют, например, дроссельную шайбу, оттарированную на расчетное давление. Датчики давления 21, 22 и проверочные горловины 25, 26 установлены на пневмомагистралях 11, 12, а датчики давления 23, 24 и проверочные горловины 27, 28 установлены на магистралях подачи топлива 5, 6.
2
2
2
Работает система подачи топлива следующим образом. Для выдавливания и подачи топлива к потребителю, например, реактивным двигателям из топливных баков горючего 1 и окислителя 2 открывают пускоотсечные клапаны 15, 16 и газ, например гелий, из баллонов высокого давления 9, 10 под высоким давлением (порядка 300 кГс/см) проходит через дроссельные устройства 17, 18, где в результате дросселирования газа давление понижается до порядка 30 кГс/см, и подается в газовые редукторы 19, 20, которые понижают давление до заданного и необходимого (порядка 10 кГс/см) для выдавливания топлива посредством разделительных перекладных мембран 34, 35 из топливных баков 1, 2 и подачи через магистрали подачи топлива 5, 6 к РД, при этом пускоотсечные клапаны 7, 8 открывают.
Перед заправкой топливных баков 1, 2 компонентами топлива - горючим и окислителем - баки подвергают испытанию (проверке) на герметичность в составе системы, при этом от наземных систем производят наддув газом, например гелием, одновременно как топливных баков 1, 2, так и газовых баллонов высокого давления 9, 10, сообщенных с топливными баками 1, 2 посредством пневмомагистралей 11, 12. Негерметичность определяют, например, по спаду давления во всей системе наддува. После проведения испытаний на герметичность осуществляют контроль положения и состояния разделительной перекладной мембраны 3(4) в каждом топливном баке 1(2). Контроль производят путем замера объема газовой полости 13(14) топливного бака 1(2) и сравнения полученной величины объема с результатами первичного замера объема газовой полости при изготовлении топливного бака 1(2) (паспортными данными объемов, полученными при изготовлении топливных баков).
В исходном состоянии перед началом проведения контроля положения и состояния разделительной перекладной мембраны 3, 4 пускооотсечные клапаны 15, 16 и 7, 8 и все пускоотсечные устройства закрыты.
2
2
2
2
2
2
2
Для проведения контроля положения и состояния, например, разделительной перекладной мембраны 3 в топливном баке горючего 1 наддувают коллектор испытательным газом, например гелием, до заданного давления (контроль осуществляют по манометру 51) от наземного источника давления газа, например от стендового баллона с давлением газа 200 кГс/см, при этом открывают вентиль 41 и газ постепенно поступает в газовый редуктор 43, понижающий давление, например, до 40кГс/см, и дроссельную шайбу 45, оттарированную на расчетное давление, например на 20кГс/см. С давлением 20кГс/см (испытательным давлением) газ заполняет коллектор 37 (контроль давления осуществляется по манометру 51). Далее открывают клапаны в проверочных горловинах 25, 27 и подают газ - гелий - из коллектора 37 сначала в жидкостную полость 31 топливного бака 1 посредством открытия вентиля 33 и наддувают ее до 20кГс/см, а затем открывают вентиль 34 и наддувают газовую полость 13 до давления 20кГс/см, при этом перепад давления на разделительной перекладной мембране 3 между полостями 13 и 31 не должен превышать допустимого (определенного расчетом), например 0,1кГс/см, а разделительная перекладная мембрана 3 постоянно находится в прижатом положении к стенке газовой полости 13 топливного бака 1. Контроль давления в полостях 13 и 31 топливного бака 1 производят соответственно по датчикам 21 и 23. После завершения операций наддува обеих полостей топливного бака 1 закрывают вентиль 34, открывают вентиль 47 и подают газ из газовой полости 13 на газовый счетчик 49 до полного выхода газа из газовой полости 13; остаточное давление должно быть равно нулю. Показания величины объема газовой полости 13, полученные по счетчику 49, сравнивают с первичной величиной объема, полученной при изготовлении топливного бака 1, и в случае отклонений, превышающих погрешность измерения, бак бракуют и заменяют на новый, т.к. отклонения от результатов первоначального измерения объема газовой полости, полученного при изготовлении бака, свидетельствует о нарушении геометрических параметров разделительной перекладной мембраны (перекос, изгиб в месте крепления мембраны и т.п.), что недопустимо, т.к. ведет к разрушению мембраны или к потере герметичности.
По окончании проведения контроля положения и состояния разделительной перекладной мембраны 3 топливного бака 1 сбрасывают давление газа из жидкостной полости 31 в обратном направлении через коллектор 37, например, в газгольдер или в атмосферу. Закрывают клапаны в проверочных горловинах 25 и 27 и отстыковывают от них закольцовочный трубопровод 29.
Аналогично проводят испытания по проведению контроля положения и состояния разделительной перекладной мембраны 4 топливного бака окислителя 2.
Предлагаемое техническое решение позволяет проводить контроль положения и состояния разделительной перекладной мембраны 3(4) топливных баков 1(2) как отдельно, так и совместно (параллельно друг другу) по линии горючего и по линии окислителя, при этом обеспечивается контроль положения и состояния разделительной перекладной мембраны топливных баков в составе системы, что выполняет поставленную задачу.