УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЗАЩИТЫ ЖИДКОСТНОГО РАКЕТНОГО ДВИГАТЕЛЯ (ЖРД) ОТ СТАТИЧЕСКОГО ЭЛЕКТРИЧЕСТВА
PROTECTION DEVICE OF LIQUID-PROPELLANT ENGINE (LPE) AGAINST STATIC ELECTRICITY

Изобретение относится к области физики статического электричества и может быть использовано в жидкостных ракетных двигателях, например, как средство, обеспечивающее надежную электрическую связь между пироэнергодатчиком и корпусом пироагрегата, рамой и заземлением с целью защиты порохового заряда пироэнергодатчика от воздействия статического электричества и несанкционированного воспламенения.
Из технической литературы известно устройство для заземления, состоящее из заостренного металлического стержня с двумя буртиками, удаленными друг от друга на расстоянии хода молота с двумя ручками, в состав которого дополнительно введены шток с упорной шайбой, пружина на сжатие и стопорная гайка с внешней резьбой, при этом в теле молота имеется вертикальный сквозной паз с цилиндрической стенкой, концентричной оси молота, и шириной, равной диаметру металлического стержня, с одной из сторон паза имеется, как минимум, одно сквозное отверстие с меньшим диаметром с внутренней стороны и внутренней резьбой с внешней стороны, в которое с внешней стороны вставляется шток с упорной шайбой, с надетой на него с внешней стороны от упорной шайбы пружиной на сжатие и ввинчивается стопорная гайка (Патент №2330360, МПК H01R/66, Россия, опубликовано 09.06.2007 г.).
Недостатками описанного устройства является сложность его конструкции вследствие большого количества деталей, а также ненадежность электрического соединения, т.к. сопрягаемые детали в местах контакта способны подвергаться коррозии при длительном использовании устройства.
Известно устройство для защиты емкостей из композиционных материалов с металлическими фланцами от статического электричества, содержащее установленные между оболочкой емкости и металлическими фланцами электропроводящие элементы, узлы их крепления, в котором электропроводящие элементы выполнены конструктивно другими, одни их концы закреплены на металлических фланцах, а вторые концы прижаты к поверхности оболочки емкости через токопроводящее покрытие, при этом прижатые концы разделены на несколько частей (Патент №2201657, МПК H05F 3/02, Россия, опубликовано 24.03.1999 г.).
Данное техническое решение по металлизации в значительной степени устраняет недостатки предыдущего аналога, однако, оно обладает своими существенными недостатками, ограничивающими область его применения. При длительной эксплуатации электропроводящие элементы могут снижать или утрачивать свои упругие свойства от воздействия деформаций бака, находящегося под давлением, вследствие чего возможно нарушение контакта их с токопроводящей поверхностью оболочки емкости, вследствие чего отведение заряда статического электричества от конструкции становится невозможным.
Существует устройство для защиты подвижных частей емкостей из композиционных материалов от статического электричества с помощью гибких элементов, установочных деталей (хомутов, колодок, скоб), крепежных деталей, установленных на токопроводящих покрытиях (ГОСТ 19005-73).
Электропроводящие элементы в данном случае к металлизируемым составным частям конструкцией устанавливаются при помощи жестких механических креплений, при этом ограничением применения устройства является необходимость обеспечения надежного электрического контакта перемычек, бобышек к электропроводящим покрытиям емкости, что в конечном счете приводит к усложнению технологии изготовления и уменьшению надежности работы средств металлизации.
В стандартных средствах металлизации токопроводящее покрытие мест соединений наносится на детали заранее и отдельно, поэтому в процессе длительного хранения (11-13 лет) ракетного двигателя, оно стареет, окисляется на воздухе, электрическое сопротивление его увеличивается и препятствует съему электростатического электричества с пиросредств.
Известен клапан 8Д48-11-01 (фиг. 1) ЖРД для стравливания воздушно-гелиевого пузыря из магистрали горючего газогенератора перед запуском двигателя, открытия расхода горючего в газогенератор при запуске двигателя и закрытия расхода при выключении двигателя, содержащий устройство, частично защищающее ЖРД от статического электричества ("Двигатели 8Д411К, 8Д412К" Техническое описание. Часть первая. 8Д411К-00.ТО, стр. 71 - прототип).
Клапан состоит из: корпуса 1; затворов 2, 5; пироузлов 3, 9, в которые устанавливаются пироэнергодатчики 11; штоков 4, 8; седла 6; упора 7; пружины 10.
Для открывания клапана газы от срабатывания пироэнергодатчика 11 перемещают шток 4, освобождая затвор 5, который под действием усилия пружины и перепада давлений перемещается совместно с затвором 2 до упора последнего в шток 8, открывая проходное сечение.
На резьбу пироэнергодатчиков 11 нанесено медное покрытие 12, которое служит в основном для исключения их "закусывания" при завинчивании в гнезда пироузлов 3, 9. Медное покрытие уменьшает также электрическое сопротивление резьбового соединения в течение некоторого периода времени. Однако при длительном хранении двигателя оно окисляется на воздухе, электросопротивление резьбового соединения увеличивается и создает тем самым препятствие для съема электростатического электричества с пироэнергодатчика и пироузла при заземлении двигателя. То есть недостатком известного клапана и двигателя в целом является отсутствие на нем средств защиты пиросредств от статического электричества, что может привести в конечном счете к воспламенению и взрыву порохового заряда 13 пироэнергодатчика 11 из-за образования искры на мостике накапливания 14 (фиг. 2).
Техническими задачами предлагаемого изобретения являются повышение надежности электрических цепей для снятия электростатического электричества с пиросредств (пироэнергодатчиков, пироклапанов и других элементов) ЖРД, обеспечение взрывобезопасности пороховых зарядов, пироэнергодатчиков, уменьшение количества токопроводящих проводов и перемычек, при проведении составных частей двигателя к одному электрическому потенциалу, повышение надежности заземления двигателя при его длительном хранении.
Поставленные задачи достигаются тем, что в предлагаемом устройстве для защиты жидкостного ракетного двигателя от статического электричества, содержащем токопроводящие перемычки, закрепленные при помощи винтов и гаек одним концом к установочным элементам на корпусах пироклапанов, другим концом - к бобышкам на раме двигателя, пиропатроны, ввернутые в пироклапаны, бобышки заземления на раме, провода заземления, в котором согласно изобретению между резьбовой частью пиропатронов и ответной резьбой гнезда пироклапана, резьбой на корпусе пироклапана и резьбой тубуса пусковой ампулы газогенератора, а также в местах крепления перемычек и заземления нанесена токопроводящая эмаль, уменьшающая активное сопротивление электрической цепи и служащая одновременно средством контровки резьбовых соединений, с конструкциями узлов с пироклапанами соединены трубопроводы, к которым закреплены электрические перемычки, связанные с рамой двигателя при помощи крепежных элементов, на поперечной растяжке его рамы размещены, по крайней мере, две бобышки с подсоединенными к ним проводами заземления.
После проведения металлизации на ЖРД между его составными частями и комплектующими элементами достигается надежность и устойчивость электропроводящих связей, уменьшение их переходного сопротивления до минимального, приводящее, в конечном счете, к устранению разности потенциалов от электростатических полей.
Предлагаемое техническое устройство поясняется чертежами.
На фиг. 1 изображен клапан ЖРД, выбранный в качестве прототипа, где:
1 - корпус;
2, 5 - затворы;
3, 9 - пироузлы;
4, 8 - штоки,
6 - седло;
7 - упор;
10 - пружины;
11 - пироэнергодатчики;
12, 13 - медное покрытие.
На фиг. 2 приведены вид со стороны штепсельного разъема и продольный разрез пироэнергодатчика 11, где:
14 - пороховой заряд (воспламенитель);
15 - мостик накаливания.
На фиг. 3 представлен главный вид на двигатель, на котором установлено предлагаемое устройство для защиты его от статического электричества, где:
15а - жидкостный ракетный двигатель (ЖРД).
На фиг. 4 приведен вид на двигатель сверху, где:
16, …23 - токопроводящие перемычки по ГОСТ 18707 и конструкторской документации;
24 - пирофиксаторы;
25, 26, 27 - пироклапаны;
28 - рама;
29 - бобышка заземления;
29а - провода заземления;
29б - поперечная растяжка рамы;
29в - токосъемники на корпусе ракеты-носителя (РН).
На фиг. 5 показан вид на пирофиксатор камеры ЖРД в нулевом положении и его металлизация, где:
30 - пироэнергодатчик (пиропатрон);
31 - корпус пирофиксатора;
На фиг. 6 изображен главный вид на пирофиксатор, где:
32 - болт;
33 - установочный элемент.
На фиг. 7-13, 16 показаны места соединения токопроводящих перемычек с бобышками рамы и с установочными элементами, закрепленными на корпусах пироклапанов, где:
34 - бобышка;
35, 36, 37 - корпуса пироклапанов;
38, 39, 40 - установочный элемент;
41 - гайка;
42 - шайба;
42а - винт;
- сварной шов.
На фиг. 14 показано соединение элемента арматуры питания, используемой при металлизации в качестве токопроводящей цепи для съема статического электричества с пироагрегатов ЖРД, с бобышкой рамы, где:
43 - элемент арматуры питания.
На фиг. 15 представлен продольный разрез устройства для химического зажигания компонентов топлива в газогенераторе, где:
44 - тубус;
45 - ампула с пусковым горючим;
46 - клапан отсечной горючего;
47 - пиропатрон;
48 - прокладка медная;
49 - прокладка резиновая;
50 - прокладка фторпластовая;
51 - резьбовая часть пироэнергодатчика;
52 - резьба гнезда пироклапана;
53 - резьба на корпусе пироклапана;
54 - резьба тубуса;
55 - газогенератор;
М928 - токопроводящая эмаль.
Устройство для защиты ЖРД от статического электричества (см. фиг. 4) содержит токопроводящие перемычки 16, …23, закрепленные при помощи винтов 32, гаек 41 и шайб 42 одним концом к установочным элементам (пластинам, проушинам и т.д.) 33, 38, 39, 40 на корпусах 35, 36, 37 пироклапанов 25, 26, 27, другим концом - к бобышкам 34 на раме 28 двигателя, пироэнергодатчики 30, ввернутые в пирофиксаторы 24 и пироклапаны 25, 26, 27, бобышки заземления 29 на раме 28, провода заземления 29а. Между резьбовой частью 51 пиропатронов 47 и ответной резьбой 52 гнезда пироклапана 46, резьбой 53 на корпусе пироклапана и резьбой 54 тубуса 44 пусковой ампулы 45 газогенератора 55, а также в местах крепления перемычки заземления нанесена токопроводящая эмаль М928, которая одновременно является средством контровки резьбовых крепежных элементов и соединений агрегатов.
На двигателе имеются конструкции узлов с пироклапанами, которые соединены с трубопроводами сваркой, к которым закреплены токопроводящие перемычки 17, соединенные с рамой 28 двигателя при помощи крепежных элементов (см. фиг. 14).
На поперечной растяжке 296 рамы 28 ЖРД размещены, по крайней мере, две удаленные друг от друга бобышки 29 с подсоединенными к ним проводами заземления 29а. Провода заземления выбраны длиной и сечением в соответствии с требованиями ГОСТ 18714.
Технология нанесения токопроводящей эмали на резьбовые соединения при проведении металлизации заключается в том, что она наносится перед ввинчиванием, например, пироэнергодатчика 47 в гнездо корпуса пироклапана 46, только на первые 2-3 витка резьбы от торца пиропатрона, а полное покрытие резьб достигается самопроизвольно после ввинчивания пироэнергодатчика до упора в прокладку 48.
Аналогично наносится токопроводящая эмаль и на резьбовое соединение отсечного пироклапана 46 с тубусом 44 пусковой ампулы 45 газогенератора 55 ЖРД.
Для защиты высокочувствительных к электрическому разряду пироэнергодатчиков 30, ввернутых в пирофиксаторы 24 и пироклапаны 25, 26, 27, на их корпусах 31, 35, 36, 37 закреплены установочные элементы 33 при помощи сварки  или крепежных винтов 42а.
В местах соединения токопроводящих перемычек 16, …23 с бобышками 34 рамы 28 и установочными элементами 33, 38, 39, 40 на пироклапанах 25, 26, 27 нанесение токопроводящей эмали осуществляется кистью на сопрягаемые и резьбовые поверхности мест контактов в соответствии с требованиями ГОСТ 19005-81.
Таким образом, на двигателе образована единая токопроводящая электрическая цепь-система, основой которой является его силовая цельносварная рама 28, к которой подведены токопроводящие перемычки от всех пироагрегатов и трубопроводов, играющих роль токопроводящих проводов, а от рамы отведены два провода заземления, через которые производится отвод статического электричества от ЖРД на корпус ракеты.
В процессе длительного хранения двигателя поз.15а (фиг. 3) на его составных частях (узлах, агрегатах, деталях), в случае отсутствия защиты, накапливаются заряды электростатического электричества, при этом на контактируемых поверхностях узлов и деталей образуется окисная пленка, имеющая высокое переходное сопротивление.
При увеличении электрического потенциала возникает электростатический разряд на мостике накаливания 15 (фиг. 2) пироэнергодатчиков 11, что вызывает воспламенение порохового заряда 14 пироэнергодатчика 11. Образующиеся при горении порохового заряда 14 газы вызывают несанкционированное срабатывание пироклапанов 25, 26, 27 и других агрегатов автоматики двигателя.
Особенно опасна данная ситуация, когда двигатель находится в составе ступени ракеты- носителя (РН), что может привести к ее аварийному исходу работы на запуске или в полете.
Устройство для защиты ЖРД от статического электричества работает следующим образом.
Накопившееся электростатическое электричество на пироэнергодатчике 30 (см. фиг. 5) вследствие разности потенциалов между пироэнергодатчиком 30 и токосъемниками 29в на корпусе РН, передается через металлизацию М928, нанесенную на резьбу в месте соединения его с корпусом 31 пирофиксатора 24, на корпус 31 последнего.
Далее через установочный элемент 33 (фиг. 6), токопроводящую перемычку 18(…21) (фиг. 5), бобышку 34 (фиг. 7), раму 28, бобышки 29 (фиг. 16), провода заземления 29а (фиг. 4), токосъемники 29в электростатическое электричество передается на корпус РН (не показан) и стекает в атмосферу в ее полете.
Аналогичным образом заряды электростатического электричества стекают с пироклапанов 25, 26, 27 (фиг. 4) по токопроводящим перемычкам 16, …23 (фиг. 9, 10, 11, 12, 13, 14), проводам заземления 29а на токосъемники 29в корпуса РН. На всех перечисленных местах соединений нанесена токопроводящая эмаль М928.
Электростатическое электричество с пиропатрона 4 (фиг. 15) передается через токопроводящую эмаль М928, нанесенную на резьбовую часть пиропатрона 51 и резьбу гнезда, клапаны отсечного горючего 52, на клапан отсечной горючего 46, далее через металлизацию М928, нанесенную на резьбу на корпусе клапана отсечного 53, резьбу тубуса 54, на тубус 44, ампулы пускового горючего 55, газогенератор 55, трубопроводы (не показаны), раму 28 и другие элементы на токосъемники 29 в корпусы РН.
-
Предлагаемое устройство предотвращает образование окисной пленки на контактных поверхностях элементов металлизации и тем самым исключает накапливание зарядов статического электричества на агрегатах ЖРД в составе РН. Заряды электростатического электричества, благодаря элементам металлизации (токопроводящей эмали, перемычкам, проводам заземления, агрегатам двигателя, соединенным сваркой), соединяющим двигатель с РН и обеспечивающим минимальное переходное сопротивление 1,2·103 Ом, стекают с конструкции двигателя на конструкцию РН и далее в атмосферу в полете последней.
При нахождении РН на старте электростатическое электричество стекает по цепям металлизации и проводам заземления 29а в контур заземления стартового комплекса.
Положительный эффект от применения устройства защиты ЖРД от статического электричества состоит в повышении надежности мест металлизации разъемных соединений электрических цепей для снятия накапливающихся зарядов статического электричества с пиросредств ЖРД, в обеспечении взрывобезопасности воспламенительных пороховых зарядов пироэнергодатчиков и сохранности пироагрегатов от несанкционированного срабатывания, в уменьшении количества токопроводящих проводов и перемычек, массы элементов металлизации, в повышении надежности заземления двигателя при его длительном хранении в земных условиях, а также в полете РН.
Металлизация пиросредств ЖРД обеспечивает надежное функционирование аппаратуры, систем и изделия в целом при воздействии зарядов статического электричества, при влиянии помех, которые могут возникать при электрических разрядах в местах переменных контактов между отдельными частями конструкции изделия и комплектующих элементов.
Кроме перечисленных эффектов нанесенная токопроводящая эмаль обеспечивает надежную контровку мест соединений агрегатов и элементов металлизации.