КОРПУС БЕСШОВНОГО ТОПЛИВНОГО БАКА

Полезная модель относится к корпусам топливных баков ракетных и космических аппаратов, в частности, к устройствам, содержащим пневмогидравлическую емкость с эластичной разделительной мембраной для хранения жидкости с возможностью ее вытеснения. Полезная модель может быть использована для приема горючего, слива, хранения, а также для вытеснения горючего при запуске жидкостного ракетного двигателя.
Известен корпус топливного бака для изделий космической и ракетной техники, которая работает в условиях невесомости и при переходе от невесомости к перегрузкам. В топливном баке корпус имеет сферическую конфигурацию и разделен конической вставкой для создания двух объемов, имеется топливный выход, расположенный напротив входного отверстия газа движения. Меньший конец конуса вставки размещен перед топливным выходом. В корпусе бака содержится топливо и газ наддува. Перегородка может быть решетчатой. Топливо в выход резервуара из полости бака поступает при подаче газа. Способ изготовления описанного корпуса заключается в том, что при изготовлении корпуса топливного бака в корпусе размещают перегородку с отверстиями, после чего перегородку размещают в районе топливного выхода, а топливный бак герметизируют (патент US №4489745, кл. B64D 37/08, от 25.12.1984 г.).
Известно выполнение в ракетной технике корпуса топливного бака для хранения и транспортировки жидких или газообразных рабочих сред, имеющего сварные соединения сопрягаемых элементов бака. При этом сварные соединения имеют прочность в месте сварки, соответствующую прочности основного металла (патент РФ №2170193, кл. B64D 37/06, от 18.11.1999 г.).
Наиболее близким аналогом (прототипом) является корпус силовой оболочки бака для хранения и вытеснения жидкости под давлением газа пускового горючего при запуске жидкостного ракетного двигателя. Корпус включает в себя силовую оболочку, на центральной продольной оси которой расположены верхняя часть, выполненная в форме полусферы, трубчатая часть и полое сферическое днище. Внутри силовой оболочки размещена эластичная диафрагма, а снаружи размещены штуцер для подвода управляющего газа и штуцер для жидкостного горючего, при этом штуцер для подвода управляющего газа, установлен в днище, а штуцер для жидкостного горючего расположен в верхней части и предназначен для заправки и выдачи жидкостного горючего. Данное техническое решение позволяет обеспечить герметичность конструкции при многократном использовании космического аппарата, а также высокую надежность при значительном увеличении давления (патент РФ №2158699, кл. B64D 37/10, 23.02.1999 г.).
К недостаткам аналогов следует отнести то, что указанные технические решения обладают недостаточно высокой прочностью, поскольку наличие сварных швов не может обеспечить равномерного распределения воздействия на топливный бак рабочего давления и действия давления в условиях невесомости. Кроме того, невозможно получить внутреннюю поверхность корпуса бака высокой чистоты после сварки, а неровности недопустимы, поскольку могут привести к повреждениям эластичного вытеснительного устройства. А для обеспечения сварного соединения необходимо выполнять элементы бака с толщиной, обеспечивающий надежный процесс сварки. При этом в аналогах не решен вопрос уменьшения массы топливного бака, не решен вопрос уменьшения толщины стенок оболочки корпуса топливного бака. Также следует отметить сложность конструкции оболочки топливного бака в указанных аналогах, а также высокую трудоемкость ее изготовления из-за сложной геометрической формы.
Задачей, на решение которой направлена предлагаемая полезная модель, является создание корпуса топливного бака со сниженными массовыми характеристиками для ракетной и космической техники, который многократно должен обеспечить прием горючего, хранение, слив и вытеснение горючего при запуске жидкостного ракетного двигателя. Также необходимо обеспечить высокую надежность силовой оболочки при эксплуатации как на земле, так и в условиях невесомости, а также в условиях перегрузок, высокую надежность средств выведения горючего, исключения возможной деформации за счет ликвидации критических мест, неоднозначно реагирующих на нагрузки при изменении давления. Кроме того, задачей является снижение трудоемкости изготовления деталей сложной формы, повышение прочности и надежности топливной системы, а также увеличение арсенала технических средств.
Техническим результатом при реализации предлагаемой полезной модели является обеспечение возможности уменьшения массы оболочки корпуса топливного бака путем уменьшения ее толщины за счет особенностей выполнения конструкции и использования при его изготовлении необходимого в данной совокупности выполнения поставленных задач материала с требуемыми свойствами. Повышение прочности топливной системы осуществляется за счет выполнения толщины корпуса одинаковым по всему заполняемому горючим объему бака, изготовлении его из прочного материала, причем форма выполнения корпуса бака предусматривает исключение острых углов. Высокую надежность средств выведения горючего обеспечивают за счет отсутствия сварных швов, что исключает возможность повреждений эластичной диафрагмы. Также за счет исключения сварных швов отсутствуют критические места возможного уменьшения прочности и места возможного излома и деформации при транспортировке, которые в условиях невесомости и перехода к перегрузкам могут приводить к смещению центра масс корпуса топливного бака относительного места расположения его в изделии ракетной и космической техники, что, в свою очередь, ведет к возможному изменению траектории движения самого изделия. За счет выполнения толщины корпуса одинаковым по всему заполняемому горючим объему увеличиваются показатели рабочего давления в условиях невесомости и в условиях перехода к перегрузкам. Изготовление его из подобранного опытным путем высокопрочного материала усиливает технический результат уменьшения толщины корпуса, обеспечивает увеличение показателей рабочего давления как в условиях невесомости, так и в условиях перегрузок, связанных с переходом в условия невесомости. При этом обеспечивается повышение надежности и уменьшение массовых характеристик.
На достижение указанного технического результата оказывают влияние следующие существенные признаки. В корпусе бесшовного топливного бака, включающего в себя силовую оболочку, на центральной продольной оси которой расположены верхняя часть, выполненная в форме полусферы, цилиндрическая часть и днище, при этом внутри силовой оболочки размещена эластичная диафрагма, а снаружи силовой оболочки размещены штуцер для подвода управляющего газа и штуцер для топлива, днище выполнено в форме полусферы, на продольной оси которой размещен штуцер для топлива, верхняя часть силовой оболочки имеет кольцевой расширенный участок для размещения ее корпусе, при этом диаметр цилиндрической части и диаметр полусферы днища соответствует диаметру полусферы верхней части, их толщина равномерна и одинакова, причем одним торцом цилиндрическая часть сопряжена без швов с полусферой верхней части, а другим торцом цилиндрическая часть сопряжена без швов с полусферой днища, при этом силовая оболочка корпуса топливного бака снабжена дополнительным штуцером для подвода управляющего газа, причем основной и дополнительный штуцеры для подвода управляющего газа размещены на полусфере верхней части и расположены под углом к центральной продольной оси оболочки, а их оси сходятся в точке ее пересечения с плоскостью полусферы верхней части; и шпангоутом, расположенным между линией сопряжения полусферы днища с цилиндрической частью и местом размещения штуцеров для подвода управляющего газа, при этом оболочка корпуса топливного бака выполнена единым бесшовным образованием из гранул высокопрочного титанового сплава верхней части со штуцерами для подвода управляющего газа, шпангоута, цилиндрической части и днища со штуцером для топлива. Оси штуцеров для подвода управляющего газа расположены под углом 40-50° центральной продольной оси корпуса в точке ее пересечения с плоскостью полусферы верхней части. Шпангоут может быть расположен между линией сопряжения полусферы днища с цилиндрической частью и линией сопряжения полусферы верхней части с цилиндрической частью. Также шпангоут может быть расположен на линии сопряжения полусферы верхней части с цилиндрической частью. Кроме того, шпангоут может быть расположен между линией сопряжения полусферы верхней части с цилиндрической частью и местом размещения штуцеров для подвода управляющего газа.
Новым является то, что в корпусе топливного бака для изделий ракетной и космической техники все элементы оболочки корпуса выполнены как единое целое без сварных швов, при этом днище выполнено в форме полусферы, на продольной оси которой размещен штуцер для топлива, верхняя часть силовой оболочки имеет кольцевой расширенный участок для размещения ее корпусе, при этом диаметр цилиндрической части и диаметр полусферы днища соответствует диаметру полусферы верхней части, их толщина равномерна и одинакова, причем одним торцом цилиндрическая часть сопряжена без швов с полусферой верхней части, а другим торцом цилиндрическая часть сопряжена без швов с полусферой днища, при этом силовая оболочка корпуса топливного бака снабжена дополнительным штуцером для подвода управляющего газа, причем основной и дополнительный штуцеры для подвода управляющего газа размещены на полусфере верхней части и расположены под углом к центральной продольной оси оболочки, а их оси сходятся в точке ее пересечения с плоскостью полусферы верхней части; и шпангоутом, расположенным между линией сопряжения полусферы днища с цилиндрической частью и местом размещения штуцеров для подвода управляющего газа, при этом оболочка корпуса топливного бака выполнена единым бесшовным образованием из гранул высокопрочного титанового сплава верхней части со штуцерами для подвода управляющего газа, шпангоута, цилиндрической части и днища со штуцером для топлива. Оси штуцеров для подвода управляющего газа расположены под углом 40-50° центральной продольной оси корпуса в точке ее пересечения с плоскостью полусферы верхней части. Шпангоут может быть расположен между линией сопряжения полусферы днища с цилиндрической частью и линией сопряжения полусферы верхней части с цилиндрической частью. Также шпангоут может быть расположен на линии сопряжения полусферы верхней части с цилиндрической частью. Кроме того, шпангоут может быть расположен между линией сопряжения полусферы верхней части с цилиндрической частью и местом размещения штуцеров для подвода управляющего газа.
За счет выполнения корпуса топливного бака из высокопрочного титанового сплава появляется возможность уменьшить толщину корпуса, также это обеспечивает возможность уменьшения массы выводимой на орбиту техники. Повышение прочности топливного бака осуществляется за счет выполнения толщины корпуса одинаковым по всему заполняемому горючим объему бака, равномерным, что в совокупности с изготовлением его из прочного материала, а также особенностей формы выполнения, предусматривающей исключение острых углов, позволяет создать для ракетной и космической техники корпус топливного бака со сниженными массовыми характеристиками. Корпус топливного бака при этом сможет обеспечить многократное выведение горючего при запуске жидкостного ракетного двигателя, его прием, хранение, слив а также вытеснение горючего как на земле так и в условиях невесомости. Высокую надежность средств выведения горючего обеспечивают за счет исключения сварных швов, то есть выполнения без швов сопряжения торцов цилиндрической части с частями, выполненными в виде полусфер. Это исключает возможность повреждений эластичного устройства, а кроме этого создается эффект отсутствия критических мест возможного уменьшения прочности и мест возможного излома, которые могут приводить к смещению центра масс топливного бака с продольной оси космического аппарата в условиях невесомости и в условиях перехода, что ведет к возможному изменению траектории движения самого аппарата. Кроме того, за счет выполнения толщины корпуса одинаковым по всему заполняемому горючим объему увеличиваются показатели рабочего давления в условиях невесомости и в условиях перехода к перегрузкам. Дополнительно можно отметить, что изготовление топливного бака из высокопрочного материала усиливает технический результат уменьшения толщины корпуса, увеличивает показатели рабочего давления в условиях невесомости и в условиях перехода к перегрузкам, повышается надежность, а также уменьшаются массовые характеристики. Указанное конструктивное выполнение месторасположения штуцеров для подвода управляющего газа, возможные варианты размещения шпангоута и штуцера для подачи топлива в днище обеспечивает требования выполнения задач с учетом исключения возможных ситуаций, которые могут приводить к смещению центра масс корпуса топливного бака с продольной оси космического аппарата, что, в свою очередь, может в условиях невесомости и в условиях перехода к невесомости привести к изменению траектории движения самого аппарата.
Сущность полезной модели поясняется графическим материалом.
На фиг.1 представлен корпус бесшовного топливного бака, представляющий собой силовую оболочку, которая включает в себя верхнюю часть 1, выполненную в форме полусферы, цилиндрическую часть 2 и днище 3, расположенные на центральной продольной оси 4. Цилиндрическая часть 2 выполнена как трубчатая и представляет собой цилиндрическую вставку между полусферой верхней части 1 и днищем 3, которое в предложенном техническом решении выполнено в форме полусферы. Одним торцом цилиндрическая часть 2 сопряжена без швов с полусферой верхней части 1, другим торцом с полусферой днища 3. Необходимо отметить, что диаметр цилиндрической части 2 и диаметр полусферы днища 3 соответствуют диаметру полусферы верхней части 1. Штуцер 5 для топлива размешен в днище 3 снаружи корпуса топливного бака на центральной продольной оси 4 корпуса топливного бака. На верхней части 1 имеется кольцевой расширенный участок 6 корпуса для эластичной диафрагмы (на чертеже не представлена). Диаметр цилиндрической части 2 и диаметр полусферы днища 3 соответствует диаметру полусферы верхней части 1, их толщина равномерна и одинакова. Одним торцом цилиндрической часть 2 сопряжена без швов с полусферой верхней части 1, а другим торцом цилиндрическая часть 2 сопряжена без швов с полусферой днища 3. Корпус топливного бака в верхней части 1 имеет штуцер 7 для подвода управляющего газа. Также корпус снабжен дополнительным штуцером 8 для подвода управляющего газа и шпангоутом 9. Верхняя часть 1 сопрягается с цилиндрической частью 2 по линии сопряжения полусферы верхней части 1 с цилиндрической частью 2, образуя линию сопряжения 10 полусферы верхней части 1 с цилиндрической частью 2. Цилиндрическая часть 2 сопрягается с полусферой днища 3, образуя линию сопряжения 11 полусферы днища 3 с цилиндрической частью 2. По линии сопряжения 10 полусферы верхней части 1 с цилиндрической частью 2 располагается плоскость полусферы верхней части 1, а по линии сопряжения 11 полусферы днища 3 с цилиндрической частью 2 располагается плоскость полусферы нижней части - днища 3. Упомянутые линии сопряжения носят условный характер, поскольку части расположены на одной центральной продольной оси 4, при этом диаметр цилиндрической части 2 и расположенный по линии сопряжения 11 диаметр полусферы днища 3 соответствует диаметру полусферы верхней части 1, расположенный по линии сопряжения 10. Диаметр полусферы днища 3, расположенный по линии сопряжения 11 равен диаметру цилиндрической части 2 по линии сопряжения 10. Следует отметить, что толщина корпуса в местах полусферы верхней части 1, цилиндрической части 2 и полусферы днища 3 равномерна и одинакова и по упомянутым линиям. При этом корпус условно разграничен плоскостью полусферы нижней части и плоскостью полусферы верхней части. Плавные переходы полусферы верхней части 1 по линии сопряжения 10 с цилиндрической частью 2 и по линии сопряжения 11 цилиндрической частью 2 с полусферой днища 3 образуют гладкую емкость, в которой отсутствуют критические места возможного уменьшения прочности и места возможного излома и деформации. Все части корпуса топливного бака выполнены из высокопрочного титанового сплава. При этом основной и дополнительный штуцеры 7 и 8 для подвода управляющего газа расположены на полусфере верхней части 1 под углом к центральной продольной оси 4 корпуса, а их оси сходятся в точке ее пересечения с плоскостью полусферы верхней части. Шпангоут 9 расположен между линией сопряжения 11 полусферы нижней части с цилиндрической частью 2 и местом размещения штуцеров 7 и 8 для подвода управляющего газа. Он может быть расположен и на верхней части 1, и на цилиндрической части 2, и на линии сопряжения 10 верхней части 1 с цилиндрической частью 2. Верхняя часть 1 со штуцерами 7 и 8 для подвода управляющего газа, цилиндрическая часть 2, днище 3 со штуцером 5 для топлива и шпангоут 9 выполнены как единое целое из высокопрочного гранулированного титанового сплава.
2
В примере исполнения силовую оболочку корпуса бесшовного топливного бака изготавливают из гранул высокопрочного титанового сплава ВТ23. Толщина стенки бака должна выполняться равной по всему периметру и при изготовлении может быть равна от 2,0 мм до 4,0 мм. Для высокой чистоты внутренней поверхности, то есть без неровностей и шероховатостей, которые обычно имеет место при соединении частей бака посредством сварки, корпус топливного бака изготавливают методом гранульной металлургии (например, см. Г.Г.Демченков, В.Т.Мусиенко, «Металлургия гранул титановых сплавов: перспективы и пути развития» в журнале «Технология легких сплавов», за 2001 г., №5-6, с.132-137.) с использованием горячего изостатического прессования (например, см. сборник статей ВИЛС «Металлургия гранул», раздел «Металлургия гранул титановых сплавов», 1984, с.159-200). При этом гранулы фракционного состава размером 50…280 мкм высокопрочного титанового сплава получают методом центробежного распыления вращающегося слитка-электрода, при котором частицы сплава распыляются за счет ионно-плазменного распыления (патент РФ №1332866, кл. С23С 14/36, 1985 г.). Затем полученные гранулы засыпают в металлическую капсулу требуемой формы, производят дегазацию, герметизацию и обрабатывают по технологии горячего изостатического прессования с последующей термообработкой (см. патент РФ №2261288, кл. С23С 14/34, 2005 г.). В результате бесшовный корпус топливного бака имеет предел прочности не менее 1078 МПа, относительное удлинение не менее 5%, относительное сужение не менее 10%, ударную вязкость не менее 0,19 МДж/м. В примере исполнения штуцеры 7 и 8 для подвода управляющего газа размещены на верхней части 1 таким образом, что их оси расположены под углом 40-50° к центральной продольной оси 4 и сходятся в точке ее пересечения с плоскостью полусферы верхней части. Шпангоут 9 расположен между линией 10 сопряжения полусферы верхней части 1 с трубчатой частью 2 и местом размещения штуцеров 7 и 8 для подвода управляющего газа и более приближен к линии 10 исходя из технологии размещения корпуса топливного бака в топливной системе.
При работе жидкостного ракетного двигателя в топливной системе происходит вытеснение горючего из силовой оболочки корпуса топливного бака. Этот процесс осуществляется следующим образом. Горючее в оболочку корпуса топливного бака нагнетается через штуцер 5. В период подготовки к запуску двигателя в корпус топливного бака через штуцеры 7 и 8 подается управляющий газ в полость верхней части 1 к эластичной диафрагме для образования рабочего объема корпуса топливного бака. При этом при подаче газа через штуцер 7 для подвода управляющего газа происходит наддув бака. При этом при подаче газа через штуцер 8 для подвода управляющего газа происходит проверка герметичности и технологическое поступление управляющего газа. Происходит воздействие на эластичную диафрагму и осуществляется подача горючего вытеснением его из корпуса через штуцер 5 для топлива.
Таким образом, предложенный корпус топливного бака позволяет повысить прочность топливной системы за счет выполнения оболочки с одинаковой толщиной стенок по всему периметру, то есть по всему объему бака, заполняемому горючим, а также за счет изготовления его из прочного материала. При этом форма бака выполнена таким образом, что исключаются острые углы в емкости. В предложенной конструкции топливного бака высокая надежность средств выведения горючего обеспечивается за счет плавных переходов частей емкости в местах сопряжения, что исключает возможность повреждений эластичной диафрагмы. Также за счет выполнения поверхности гладкой, одинаковой толщины отсутствуют критические места возможного уменьшения прочности и места возможного излома при деформации, которые могут приводить к смещению центра масс корпуса топливного бака. Возможные варианты размещения шпангоута обеспечивают в зависимости от взаимного расположения прилегающих к корпусу бака элементов изделия техники надежное размещение бака в изделии, а также обеспечивает требования выполнения задач с учетом исключения ситуаций возможной дестабилизации корпуса бака в процессе работы двигателя и при наличии перегрузок. Кроме того, за счет выполнения корпуса из описанного выше высокопрочного одинакового по своей структуре гранулированного материала и выполнения одинаковой толщины стенок оболочки по всему заполняемому горючим объему увеличиваются показатели рабочего давления, а также усиливается технический результат уменьшения толщины корпуса, повышается надежность и уменьшаются массовые характеристики.