ТОПЛИВНЫЙ БАК ЖИДКОСТНЫХ ДВИГАТЕЛЬНЫХ УСТАНОВОК РАКЕТ БОЛЬШОЙ ГРУЗОПОДЪЕМНОСТИ
FUEL TANK OF LIQUID PROPULSION UNITS OF HEAVY LIFT ROCKETS

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Изобретение относится к ракетно-космической технике, в частности к топливным бакам ракет космического назначения большой грузоподъемности.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Известен топливный бак (патент RU 2293665, ФГУП «ГКНПЦ им. М.В. Хруничева», 08.06.2005), содержащий корпус с заборным и дренажным отверстиями и герметично закрепленную на стенках корпуса бака вогнутую в сторону заборного отверстия поперечную перегородку с выполненным в центральной ее части отверстием с проницаемым элементом, в периферийной части перегородки выполнены дополнительные отверстия с установленными в них проницаемыми элементами, все проницаемые элементы выполнены в виде капиллярно-пористых элементов из пенометалла на основе коррозионно-стойкого металла или сплава, капиллярно-пористый элемент центрального отверстия размещен в цилиндрической обечайке, а последняя в нижней части снабжена сплошным основанием, обращенным к заборному отверстию, и выполнена у этого основания с боковыми окнами. Недостатком данного решения является сложность изготовления и отработки таких баков при диаметрах более 5 м, отсутствие средств транспортирования для крупногабаритных баков от завода-изготовителя до космодрома, а также утяжеление конструкции внутрибаковыми демпфирующими перегородками.
Известен блок топливных баков ракет-носителей (патент RU 2151718, ГКНПЦ им. М.В. Хруничева, 16.03.1999), состоящий из двух баков с общим промежуточным днищем, в которых под давлением размещены компоненты топлива с разными температурами кристаллизации, при этом, каждый бак снабжен собственным днищем с теплоизоляцией, днище одного из баков выполнено сферическим выпуклым, а днище другого - сферическим вогнутым с торовым участком в месте соединения днища с остальной конструкцией бака, при этом общее промежуточное днище выполнено в виде двух упомянутых днищ, прилегающих друг к другу, а баки соединены по внешнему диаметру силовой проставкой. Недостатками данного решения является габаритность и сложность транспортировки от завода-изготовителя на космодром.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Решение задач выведения на орбиту полезных нагрузок массой более 70 тонн приводит к необходимости проектирования топливных баков ускорителей первых и вторых ступеней ракет-носителей с большим диаметром (более 5 м). Такая размерность баков вызывает проблемы при их изготовлении, испытаниях и транспортировке от завода-изготовителя на космодром как при использовании железнодорожного транспорта, так и при использовании авиационных средств.
Кроме того, применение цилиндрических топливных баков больших диаметров снижает собственную частоту колебаний компонентов топлива при тех же величинах продольных перегрузок, это приводит к необходимости установки в баке крупногабаритных демпфирующих перегородок, существенно утяжеляющих конструкцию.
Проблему предлагается решить путем изготовления баков большого диаметра из отдельных секций, транспортировку которых на космодром осуществляют посекционно с последующей сборкой в единую двигательную установку на полигоне. В собранном состоянии секции представляют собой единый топливный бак цилиндрической формы, в котором секции в верхней и нижней частях цилиндра объединены коллекторами, обеспечивающими заправку и наддув баков в верхней части цилиндра и подачу компонентов топлива к двигательной установке в нижней части цилиндра. После сборки, топливный бак устанавливают на верхнюю и нижнюю фермы.
Характерные максимальные размеры секций для цилиндрических баков диаметром D (D>5м) меньше радиуса бака на 5÷10%. Действующие на бак нагрузки компенсируются прилегающими друг к другу плоскими поверхностями соседних секций. Восприятие нагрузок внешними поверхностями секций в радиальном направлении обеспечивается установкой на внешней цилиндрической поверхности собранного бака дополнительных сетчатых либо кольцевых элементов конструкции (шпангоутов), замкнутых по диаметру и воспринимающих нагрузку на растяжение. Осевую нагрузку и нагрузку на изгиб воспринимает каркас из силовых продольных элементов на стыках секций, замкнутых на кольцевые шпангоуты в районе верхнего и нижнего днища.
В качестве материалов для изготовления такого топливного бака целесообразно максимально использовать композитные материалы, например на основе термопластичных связующих.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Форма секции цилиндрического бака показана на фиг. 1, где 1 -прилегающие друг к другу плоские поверхности соседних секций, 2 -внешние поверхности секций.
На фиг. 2 изображен топливный бак, где 3 - секция цилиндрического бака, 4 -верхняя ферма, 5 - нижняя ферма, 6 - коллектор заправки и наддува бака, 7 -коллектор подачи компонентов топлива к двигательной установке.
На фиг. 3 показан силовой каркас топливного бака, где 8-силовой продольный элемент, 9-дополнительный кольцевой элемент конструкции (шпангоут).
На фиг. 4 показан дополнительный сетчатый элемент конструкции-позиция 10.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Научно-технические разработки КБ /»Салют» 2012-2013 гг. выпуск 4, «Машиностроение», 2014 г.;
2. Патент RU 2293665 «Топливный бак», 08.06.2005, правообладатель -ФГУП «ГКНПЦ им. М.В. Хруничева», автор - Владимиров А.В.