Устройство отбора топлива из баков космических аппаратов в условиях невесомости
DEVICE FOR SELECTION OF FUEL FROM SPACECRAFT TANKS IN ZERO-GRAVITY CONDITIONS

Изобретение относится к космической технике, в частности к системам подачи топлива в космических аппаратах (КА), снабженных системой стабилизации, ориентации и коррекции и работающих в условиях невесомости, при переходе от невесомости к перегрузкам, и предназначено для опорожнения топливных баков.
Известно устройство отбора топлива из баков КА, в котором используется механическое разделение фаз топлива и вытеснительного газа с помощью эластичной непроницаемой промежуточной перегородки [«Пневмогидравлические системы двигательных установок с жидкостными реактивными двигателями», под ред. В.Н. Челомея, Москва, М., 1978 г., стр. 21, рис. 2.1]. Так как топливо и вытеснительный газ отделены друг от друга элементом, изготовленным из сплошного материала, то в этом случае не происходит растворение вытеснительного газа в компонентах топлива КА. К недостаткам такого устройства относится низкая химическая и механическая стойкость материала фазоразделителя, что уменьшает надежность и снижает продолжительность эксплуатации.
Известен ряд устройств отбора топлива из баков КА, использующих инерционное осаждение жидкости в баках жидкостной реактивной двигательной установки (ЖРДУ) [«Пневмогидравлические системы двигательных установок с жидкостными реактивными двигателями», под ред. В.Н. Челомея, Москва, М., 1978 г., стр. 23, рис. 2.3]. В этих устройствах не используется ненадежный элемент механического разделения фаз. Основными недостатками таких устройств является необходимость больших затрат энергии на разделение топлива и газа наддува.
Широко применяемым в настоящее время в ЖРДУ КА является устройство отбора топлива из баков на основе капиллярного эффекта. Наилучшими характеристиками обладают ДУ на основе тотальной капиллярной системы отбора жидкого топлива (ТКСОЖ). Однако заборное устройство при этом имеет сложную конструкцию и высокую стоимость.
За прототип принято устройство отбора топлива из баков для ЖРДУ КА, содержащее маршевые ЖРД и вспомогательную ЖРДУ. Включение вспомогательной ЖРДУ, функции которой может выполнять система орбитального маневрирования (СОМ), в условиях невесомости создает необходимое ускорение для прилива топлива в топливных баках ДУ [«Капиллярные системы отбора жидкости из баков космических летательных аппаратов», под ред. В.М. Поляева, Москва, УНПЦ «Энергомаш», 1997 г., стр. 45]. Забор топлива из баков осуществляется с помощью локальной капиллярной системы отбора жидкого топлива (ЛКСОЖ) [«Капиллярные системы отбора жидкости из баков космических летательных аппаратов», под ред. В.М. Поляева, Москва, УНПЦ «Энергомаш», 1997 г., стр. 92-95, рис. 4.15-4.17].
В условиях невесомости и незначительных знакопеременных ускорений произвольного направления устройство отбора топлива должно обеспечить возможность запуска двигателей ДУ СОМ и их работу в течение нескольких секунд. За это время основная масса топливной жидкости приливает к заборным устройствам баков. Дальнейший отбор топлива возможен с помощью обычных заборных устройств в баках ДУ. Направление создаваемого ускорения выбирают совпадающим с направлением от центра топливного бака к локальному капиллярному заборному устройству (КЗУ). Емкость КЗУ выбирают из расчета обеспечения функционирования двигателей СОМ в период прилива топлива в баках.
Однако в прототипе присутствуют свои недостатки, а именно:
- низкий удельный импульс вспомогательной ЖРДУ с ростом числа запусков увеличивает удельную массу топлива ЖРДУ КА, что ухудшает его технико-экономические показатели и снижает область применения;
- направление приливного ускорения в топливных баках в момент запуска ЖРДУ обязательно должно быть направлено в сторону КЗУ, это ограничивает применение способа только, например, для системы коррекции и маршевых двигателей, а отбор топлива для двигателей, которые давали бы тягу в противоположном направлении, не возможен потому, что КЗУ не сможет заполняться топливом. Это ограничивает функциональное применение устройства;
- по мере увеличения степени выработки топлива в баках снижается вероятность заполнения КЗУ, что требует увеличения времени создания приливного ускорения и уменьшает надежность безотказного отбора топлива из баков и запуска двигателей СОМ;
- в момент запуска двигателей СОМ положение центра масс топлива в баке может быть произвольным, не совпадающим с осью бака, поэтому от тяги двигателей СОМ будут возникать дополнительные возмущающие моменты, которые нужно впоследствии компенсировать расходом топлива;
- в момент времени до запуска ЖРДУ может возникнуть нештатная ситуация - под действием ускорения от непредвиденных причин, например попадания в КА микрометеорита, гравитационного взаимодействия, стыковки-расстыковки различных модулей и т.п., топливо покинет КЗУ и оно заполнится газом наддува, это приведет в условиях невесомости к отказу, т.е. невозможности запуска ДУ.
Технический результат изобретения состоит в улучшении технико-экономических показателей, расширении области применения и функциональности, а также в увеличении надежности и безотказной работы устройства отбора топлива из баков.
Сущность предлагаемого устройства отбора топлива из баков ЖРДУ КА состоит в том, что внутри бака установлен шнек с возможностью вращения вокруг оси бака, выполненного в форме тела вращения. За счет своего вращения шнек сообщает остаткам компонентов топлива, находящимся вне КЗУ, механический импульс по направлению к КЗУ и обеспечивают заполнение его топливом еще до момента времени запуска двигателей ДУ. Время опережения должно быть не меньше, чем
где L - характерный размер внутреннего объема топливного бака до КЗУ, (м);
η - коэффициент передачи механической энергии от шнека к компонентам топлива;
N - мощность привода шнека, (Вт);
t - время быстродействия элементов управления приводом шнека, (с);
М - масса остатков компонента топлива в баке, (кг).
В качестве источника энергии для привода, который может быть расположен внутри бака, возможно использование различных источников, например энергии сжатого газа наддува. Однако выгоднее всего использовать возобновляемый бортовой источник электрической энергии на борту КА.
Физическим смыслом уравнения [1] является то, что энергия N дополнительного источника энергии с кпд, равным η, преобразуется в кинетическую энергию остатков компонента топлива, которые пролетают от наиболее удаленной стенки бака до КЗУ (характерный размер L) за время Т.
Причем мощность привода шнека должна быть
где
- массовый расход остатков компонента топлива внутри КЗУ, необходимый для запуска и работы двигателей ЖРДУ, (кг/с);
2
Р - давление компонента топлива на внешней границе поверхности КЗУ бака, (Н/м);
3
ρ - плотность компонента топлива, (кг/м);
Н - величина шага винтовой плоскости, (м);
n - число заходов винтовой плоскости;
D - средний диаметр бака, (м).
Физическим смыслом уравнения [2] является постоянство расхода компонента топлива из КЗУ к двигателям ДУ и притока остатков компонента топлива к КЗУ из объема бака. Выполнение уравнения [2] обеспечивается тем, что элементы управления приводом шнека соединены с системой управления.
Предлагаемое устройство отбора топлива из баков ЖРДУ КА иллюстрируется рисунком - схема с ускорением топлива в направлении к КЗУ при помощи вращения шнека.
Функционирование устройства отбора топлива из баков ЖРДУ КА поясняется на основе работы варианта с вращением шнека от энергии бортового источника электропитания КА.
Устройство отбора топлива из баков ЖРДУ КА работает следующим образом.
Перед включением ЖРДУ КА находится в невесомости в состоянии пассивного полета КА по траектории. Топливо 1 в баках 2 в зависимости от этапа полета, а также предварительных внешних воздействий на КА, может занимать различные области бака. Различают три области:
1 - объем КЗУ 3, который топливо может заполнять частично или полностью;
2 - центральный объем, где возможно образование многочисленных отдельных частей;
3 - пристеночная область, удаленная от КЗУ 3, где топливо удерживается за счет сил поверхностного натяжения.
При этом электропневмоклапан системы наддува 4 находится в открытом состоянии и газ наддува 5 из шаробаллона 6 обеспечивает в топливном баке 2 необходимую величину давления наддува компонента топлива.
3
3
Перед командой на запуск ЖРДУ с опережением Т от системы управления и телеметрии 7 передается сигнал на элементы управления 8 вращением шнека 9, выполненного в виде винтовой поверхности. Вращение шнека 9 осуществляется от электропривода 10, расположенного внутри бака 2 (или в полости, сообщающейся с внутренним объемом бака 2). При этом ось вращения шнека 9 OX совпадает с центром 11 (точка O) бака 2, а вектор направления вращения ω совпадает с вектором винтового шага шнека 9, причем внешний край шнека 9 прилегает с небольшим зазором к внутренним стенкам бака 2 и к КЗУ 3. Электрическая энергия от бортового источника энергии КА 12 преобразуется приводом 10 шнека 9 в энергию ее вращения. При вращении поверхность шнека 9, обращенная к КЗУ 3, будет взаимодействовать со всеми остатками топлива 1, находящимися вне КЗУ 3 в центральной и в пристеночной, удаленной от КЗУ 3, области, передавая им механическую энергию частично на вращение вокруг оси ОХ, а частично в поступательное движение в направлении оси ОХ к КЗУ 3.
По истечении времени Т компоненты топлива из объема бака 2 достигнут поверхности КЗУ 3 и благодаря тому, что баки КА имеют форму тел вращения, а КЗУ 3 находится на его оси, автоматически произойдет фиксация положения центра масс остатков компонентов топлива во всех баках у поверхности КЗУ 3, вытеснив газ наддува 5 в противоположную сторону, для последующего запуска двигателей. При этом система управления и телеметрии 7 путем подачи управляющих сигналов на элементы регулирования 8 обеспечивает подвод к электроприводу 10 уровня электрической мощности, достаточного для поддержания на внешней поверхности КЗУ 3 давления, соответствующего заданному расходу компонента топлива ЖРДУ.
Только после этого момента времени система управления и телеметрии 7 может подать управляющие команды на элементы управления двигателями 13 (электрогидроклапаны). Причем возможно независимое включение как двигателей маршевой ДУ 14, так и двигателей СОМ 15. После выхода двигателей маршевой ДУ 14 или двигателей СОМ 15 на номинальный уровень тяги по команде системы управления и телеметрии 7 вращение шнека 9 прекращается.
Как правило, на выходе КЗУ 3 перед входом в магистральный трубопровод компонента топлива на КА устанавливают датчик сплошности компонента топлива 16 (датчик пузырей газа наддува), по сигналу которого система управления и телеметрии 7 перекрывает подачу компонента топлива 1 в двигатели маршевой ДУ 14 и СОМ 15 для их защиты в случае прорыва недопустимого количества (пузыря) газа наддува 5 на выходе КЗУ 3. При этом в работе ЖРДУ КА возникает отказ. Такая ситуация может возникнуть при появлении значительных отрицательных ускорений на КА (против оси ОХ), например при включении двигателей СОМ 15 с отрицательным значением тяги (против направления оси ОХ), стыковке или расстыковки различных модулей КА, ударов микрометеоритов и т.п., в результате чего компоненты топлива 1 частично или полностью могут покинуть объем КЗУ 3.
В такой ситуации после расчета системой управления и телеметрии 7 массы остатков компонента топлива 1 в баке 2 в предлагаемом устройстве выдаются команды на ликвидацию аварийной ситуации путем запуска программы на серию новых запусков с учетом увеличения давления в на входе в КЗУ 3 на заранее установленный уровень и последующего отключения вращения шнека 9 до тех пор, пока газ наддува 5 не покинет объем КЗУ 3. Заполнение КЗУ 3 компонентом топлива 1 достигается тем, что в тот момент времени, когда остатки компонента топлива 1 достигают поверхности КЗУ 3, внутри него возникает гидроудар. После выключения электропривода 10 шнека 9 давление на входе КЗУ 3 также резко спадает, что вызывает положительный градиент давления внутри КЗУ 3 вдоль оси ОХ. Это вызовет перемещение пузырей газа наддува 5 против оси ОХ не только за счет действия капиллярных сил, а и градиента давления, в сторону меньшего давления к выходу из КЗУ 3 в объем бака 2. По заполнению датчика сплошности компонента топлива 16 программа ликвидации аварийной ситуации прекращается.
Кроме того, если отрицательные перегрузки на КА заранее известны, то в предлагаемом устройстве эти небольшие отрицательные ускорения, например от работы двигателей СОМ 15, могут быть скомпенсированы путем сообщения остаткам компонентов топлива 1 в баках 2 равного по величине и противоположного по направлению (вдоль оси ОХ) дополнительного ускорения постоянной величины на время совершения маневра.