ДВИГАТЕЛЬНЫЙ МОДУЛЬ КОСМИЧЕСКОГО ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА
SPACESHIP ENGINE MODULE

Изобретение относится к ракетно-космической технике, а именно к конструкции двигательных установок космического назначения, а также к конструкции разгонных блоков, предназначенных для выведения полезной нагрузки на расчетную орбиту и коррекции этой орбиты.
Известен ракетный разгонный блок, содержащий бак окислителя, со стержневой фермой подвески, тороидальный бак горючего с опорной стержневой фермой для сопряжения с ракетой-носителем. Баки соединены между собой силовой конструкцией, представляющей собой верхний шпангоут с баком окислителя и нижний шпангоут с баком горючего. Оба шпангоута связаны между собой стрингерами. Причем стержневые фермы подвески бака окислителя и полезной нагрузки опираются на верхний шпангоут, а нижний шпангоут взаимодействует с кронштейнами бака горючего и опорной стержневой фермой (патент РФ №21653779, МПК B64G 1/00, 1/16, 1/40, опубл. 20.04.2001, бюл. №11).
Недостатком известной конструкции является то, что рама двигательной установки (ДУ) несет силовую нагрузку от полной массы всех элементов ДУ при воздействии линейных ускорений до 10 g и более и ударных до 1000 g. Следовательно, рама должна обеспечивать целостность и работоспособность всей конструкции с учетом полных нагрузок, при этом она будет иметь большую массу и большое количество силовых элементов: шпангоутов, стрингеров, ребер жесткости.
Известен двигательный модуль "Марк-II" (Journal of Spacecraft and Rockets, 1982, V.19, №5 р.423-429), состоящий из рамы, выполненной из шпангоутов, связанных стрингерами с ребрами жесткости. На раме между концевыми элементами шпангоутов установлены баки, связанные стержневыми элементами с рамой. Агрегаты автоматики и управления закреплены на нижнем шпангоуте рамы. Четыре блока управляющих двигателей и двигателей коррекции установлены на выносных элементах, прикрепленных к нижнему шпангоуту.
Эта конструкция по существу является прототипом предлагаемого решения, но имеет те же недостатки, что и аналог, а именно, рама несет полную силовую нагрузку от всех элементов ДУ. При этом для обеспечения прочности конструкции приходится задавать сечения силовых элементов рамы, с учетом предельно возможной нагрузки двигательного модуля, включая его основные узлы (баки, двигатели, баллоны и т.д.) с учетом коэффициента запаса прочности около 1,5.
Задачей предлагаемого изобретения является снижение массы за счет исключения рамы из состава ДУ и, дополнительно, улучшение компоновки.
Предлагаемый двигательный модуль космического летательного аппарата состоит как минимум из двух шпангоутов, баков с полюсными элементами для компонентов топлива, баллонов высокого давления, ракетных двигателей, агрегатов автоматики и управления. Согласно изобретению предлагается верхние полюсные элементы баков жестко соединить с верхним шпангоутом, при этом нижние полюсные элементы являются опорами всего двигательного модуля, взаимодействующими с соответствующими опорами, например, ракеты-носителя, разгонного блока или космического аппарата.
В предпочтительном варианте конструкции модуля оси баков расположены наклонно к продольной оси модуля, а верхний шпангоут служит опорой для полезной нагрузки.
Прочность и устойчивость всей конструкции можно повысить, организовав связь баков между собой через кронштейны либо демпфирующие элементы, например, шайбы из резины либо другого материала.
Дополнительные агрегаты модуля, например баллоны высокого давления, могут быть установлены в периферийной зоне между баками с компонентами топлива и связаны со шпангоутами и баками через промежуточные элементы крепления, например кронштейны или стяжки.
Агрегаты автоматики и управления могут располагаться в зоне между баками и шпангоутами, т.е. внутри модуля.
Ракетные двигатели для управления движением космического летательного аппарата могут быть расположены на любых элементах крепления, либо агрегатах ДУ, например на опорах двигательного модуля.
Предлагаемая ДУ изображена на приведенных чертежах. На фиг.1 показан разрез ДУ с четырьмя баками для компонентов топлива по плоскости симметрии. На фиг.2 - вид этой ДУ сверху. На фиг.3 приведен разрез ДУ со стрингерами, связывающими нижний и верхний шпангоуты. На фиг.4 приведен разрез ДУ несимметричной схемы с тремя баками для компонентов топлива. На фиг.5 - вид этой ДУ сверху.
Предлагаемая ДУ (фиг.1, фиг.2 и фиг.3) состоит минимум из трех баков 1 для хранения компонентов топлива. Баки равномерно расположены по окружности вокруг продольной оси ДУ и закреплены за верхние полюсные элементы 2, например горловины, на верхнем шпангоуте 3, являющемся силовой опорой, например для полезной нагрузки (не показана), и жестко соединяющем верхние полюсные элементы баков между собой, нижнего шпангоута 4, расположенного соосно с верхним шпангоутом в экваториальной зоне емкостей либо ниже ее и жестко соединенного с баками через кронштейн 5 (фиг.1) или стрингерами 6 (фиг.3) с верхним шпангоутом, нижних опор 7 всего двигательного модуля, жестко соединенных с нижними полюсными элементами 8 емкостей, например, с горловинами, с одной стороны, и с соответствующими опорами (не показаны) космического аппарата с другой, баллонов высокого давления 9, расположенных в периферийной зоне баков и связанных соединительными 10, 11 и демпфирующими 12 элементами с баками и (или) опорами ДУ, агрегатов автоматики и узлов ДУ 13, расположенных в зоне между шпангоутами и баками, корректирующих (не менее одного) двигателей 14, установленных на нижнем шпангоуте в зоне продольной оси ДУ, и двигателей ориентации и стабилизации 15, расположенных на элементах крепления, например, нижних опорах 7 двигательного модуля. Для надежной фиксации баллонов высокого давления, баков и дополнительных агрегатов могут быть использованы соединительные элементы 11, демпфирующие прокладки 12, соединительные элементы (стяжные ленты) 10 и т.п.
Основным отличием предлагаемого двигательного модуля является то, что в нем нет силовой рамы, т.к. силовая нагрузка при воздействии механических нагрузок в процессе выведения на орбиту и других воздействиях на конструкцию ДУ распределяется между баками, верхним шпангоутом 3, жестко фиксирующим верхние зоны баков через их полюсные элементы 2, и корпусными элементами КА, фиксирующими нижние зоны емкостей через опоры двигательного модуля.
В предлагаемом изобретении происходит перераспределение внешних силовых нагрузок между узлами конструкции, выполняющими роль рамы (оболочки баков 1, шпангоут 3 и 4), что в значительной степени снижает массу ДУ.
Верхний шпангоут 3 используется для дополнительных целей, а именно в качестве силовой опоры полезной нагрузки, а нижний шпангоут 4 - для установки как минимум одного двигателя коррекции.
Для повышения силовой устойчивости и прочности конструкции ДУ в целом оси баков следует располагать наклонно к продольной оси ДУ, а между баками устанавливать соединительные 11 и демпфирующие 12 элементы, например, кронштейны и резиновые шайбы соответственно, с одной стороны объединяющие баки в единый силовой блок, а с другой - демпфирующие силовые нагрузки между баками.
Так при работе двигательного модуля в условиях минимального силового воздействия внешних нагрузок, например, при автономном полете двигательного модуля с полезной нагрузкой в условиях невесомости космического пространства, жесткость всей конструкции обеспечивается верхним и нижним шпангоутами. В этом случае между баками достаточно установить демпфирующие элементы, например резиновые шайбы.
С другой стороны при работе двигательного модуля в условиях воздействия больших силовых нагрузок, например, для обеспечения работоспособности конструкции при спуске аппарата с орбиты в атмосфере планеты для увеличения жесткости всей конструкции баки могут быть соединены между собой дополнительно кронштейнами, расположенными на поверхности баков.
Зона между баками и шпангоутами используется для размещения практически всех узлов и агрегатов ДУ, что обеспечивает монтаж всех узлов ДУ на шпангоуте до установки баков и таким путем в значительной степени повышает технологичность сборки ДУ в целом.
Баллоны высокого давления 9 располагаются в периферийной зоне баков. При этом их крепление осуществляется через соединительные и промежуточные, например, стяжки 10, элементы крепления с баками либо шпангоутами или опорами. Кроме того, двигатели ориентации и стабилизации легко могут быть размещены в любой зоне ДУ, например, на опорах 7.
Конструкция модуля ДУ позволяет производить многократную переборку, например, при замене одного из агрегатов, либо многократное использование ДУ с заменой узлов однократного использования.
Настройка требуемых координат центра масс ДУ производится простым перемещением баков и изменением их угла наклона в узле крепления с верхним шпангоутом в процессе сборки модуля, что исключает использование паразитных масс при центровке и юстировке ДУ и ее элементов.
По существу модуль ДУ является многомодульным и позволяет вести многобаковую, многобаллонную сборку для использования ДУ в КА с различными запасами топлива за счет установки необходимого количества баков и баллонов при неизменной технологии сборки и без изменения пневмогидравлической схемы остальных агрегатов и систем, расположенных между баками и шпангоутами. Это обеспечивает высокий уровень унификации и живучести, что в значительной степени сокращает номенклатуру применяемых узлов и оптимизирует производство ДУ для КА различного назначения.