ДВИГАТЕЛЬНАЯ УСТАНОВКА РАКЕТЫ
ROCKET ENGINE UNIT

Изобретение относится к ракетной технике и может быть использовано при проектировании первых ступеней ракет космического назначения (ракет-носителей) с многобаковыми топливными отсеками пакетной схемы.
Первые ступени тяжелых ракет-носителей часто делаются многодвигательными с пакетной компоновкой баков, когда каждый компонент топлива заправлен в два или более баков. При пакетной компоновке появляется задача синхронизации уровней жидкости в баках с одноименным компонентом топлива для обеспечения одновременной выработки топлива из всех баков. Рассинхронизация уровней в баках при пакетной компоновке возникает в результате разброса расходов компонентов в двигатели, из-за погрешности изготовления баков, из-за погрешностей заправки, из-за разницы давлений наддува баков. Обычно к многодвигательной установке с пакетной компоновкой баков предъявляется требование одновременной выработки топлива из баков и в случае отказа одного или нескольких двигателей.
Известна схема синхронизации уровней компонентов топлива в баках с помощью гидравлических связей между баками на первой ступени ракеты "Сатурн-IB", описанная в книге "Ракеты-носители" под общей редакцией профессора С.О.Осипова, М., Воениздат, 1981, стр.34-35. Двигательная установка первой ступени "Сатурн-IB" состоит из восьми двигателей и топливного отсека, состоящего из пяти баков окислителя (один центральный бак и четыре периферийных) и четырех периферийных баков горючего. Все баки горючего соединены между собой трубопроводами для выравнивания в них уровня жидкости. Из каждого бака горючее подводится к двум двигателям. Периферийные баки окислителя соединены с центральным баком. Окислитель поступает к двигателям от периферийных баков. Объемы газовых подушек одноименных баков также соединены между собой трубопроводами для выравнивания в них давления наддува. Трубопроводы, соединяющие баки, служат не только для выравнивания уровней топлива при заправке и в полете, но и обеспечивают его полную выработку двигателями в случае отказа одного или двух из них.
Недостатками такой схемы являются сложность компоновки ДУ из-за наличия соединительных трубопроводов, большая масса и занимаемый трубопроводами объем, так как для точной синхронизации уровней необходимы большие диаметры трубопроводов при соединении и по жидкости, и по газу.
Аналогично решена задача синхронизации уровней в патенте России №2121071 с приоритетом от 28 июня 1991 г. Двигательная установка космического аппарата содержит многоблочный топливный отсек с центральным и периферийными блоками баков, установленными попарно-симметрично относительно продольной оси космического аппарата, соединенными трубопроводами через коллектор. Газовые полости топливных баков периферийных блоков соединены с газовыми полостями баков центрального блока, каждый бак центрального блока соединен шунтирующей магистралью через обратный клапан с ближайшим баком одноименного компонента топлива периферийного блока. Это решение имеет те же недостатки, что приведены выше.
За прототип принята схема синхронизации без гидравлических связей между баками, описанная в книге Н.М.Беляева "Расчет пневмогидравлических систем ракет", М., Машиностроение, 1983, стр.148. В этом случае синхронизация уровней обеспечивается путем форсирования или дросселирования двигателей, питающихся от отдельных баков или блоков баков. Команда на двигатели поступает из системы опорожнения и синхронизации уровней в баках. Такая схема компоновочно проста ввиду отсутствия трубопроводов, соединяющих баки. Недостатком этой схемы является внесение дополнительных возмущающих моментов на ракету от разности тяг отдельных двигателей. Значительно усложняется система управления. Эта схема не применима на ракетах, которые управляются с помощью разности тяг двигателей - ракета окажется неуправляемой.
Недостатки прототипа преодолеваются в предлагаемой многодвигательной многобаковой двигательной установке, схема которой приведена на чертеже.
Задачей изобретения является обеспечение синхронизирования уровня компонентов топлива в баках, не внося возмущающих моментов на ракету.
Поставленная задача решается за счет того, что в двигательной установке ракеты, содержащей многобаковый топливный отсек и жидкостные ракетные двигатели, каждый из которых подсоединен трубопроводами питания к ближайшим бакам, согласно изобретению один из двигателей подсоединен трубопроводами питания через бустерные насосные агрегаты ко всем бакам. Бустерные насосные агрегаты каждого компонента топлива подсоединены трубопроводами к выходу одноименного насоса турбонасосного агрегата (ТНА) через общий распределительный дроссель.
Изобретение поясняется чертежом, на котором представлена двигательная установка ракеты.
Двигательная установка содержит несколько баков каждого компонента топлива (на чертеже - по два бака): баки окислителя 1, 2, баки горючего 3, 4 и несколько двигателей (на чертеже - пять) 5, 6, 7, 8, 9. Один из двигателей подсоединен трубопроводами питания с бустерными насосными агрегатами 10, 11, 12, 13 ко всем бакам. На чертеже это центральный двигатель поз.5, это оптимальный вариант, но не обязательный, можно выбрать любой другой двигатель. Каждый из остальных двигателей питается от двух соседних с ним баков.
При работе двигательной установки синхронизация уровней в одноименных баках, например 3 и 4, производится перераспределением расходов жидкости через бустерные насосные агрегаты 10, 11 по сигналу системы синхронизации. При этом общий расход в двигатель и соответственно тяга двигателя не меняются. При отказе одного из двигателей, например двигателя 7, питание двигателя 5 полностью переводится на баки, из которых питался отказавший двигатель, путем закрытия клапанов на трубопроводах с бустерными насосными агрегатами 10 и 12.
Бустерные насосные агрегаты ЖРД, как правило, приводятся в действие расходом активной жидкости, отбираемой из линии высокого давления за насосом ТНА. Регулировать расходы компонента топлива через БНА 10 и 11 можно, перераспределяя между ними расход активной жидкости распределительным дросселем по сигналам системы синхронизации.
Таким образом, предлагаемая двигательная установка по сравнению с прототипом позволяет синхронизировать уровни компонентов топлива в баках, не внося возмущающих моментов на ракету, за счет подключения одного из двигателей ко всем бакам посредством трубопроводов с бустерными насосными агрегатами.