Блок баков

 

Изобретение относится к ракетно-космической технике. Сущность: блок баков содержит равномерно расположенные по окружности емкости, соединенные с продольным силовым элементом, узлы крепления со смежной ступенью носителя и полезной нагрузкой. Емкости выполнены в виде сферических оболочек, каждая из которых усечена двумя плоскостями. Указанные плоскости расположены на одинаковом расстоянии от центров сфер и проходят через продольную ось блока баков. Усеченные таким образом сферические оболочки соединены друг с другом по контурам усечения, а внутренние полости емкостей отделены друг от друга непроницаемыми перегородками. Продольный силовой элемент выполнен в виде стержней, пронизывающих оболочки емкостей и скрепленных с ними, на концах которых расположены узлы крепления блока со смежной ступенью носителя и полезной нагрузкой. 3 ил.

Изобретение относится к ракетно-космической технике, а именно к устройству блоков баков двигательных установок разгонных блоков и космических аппаратов (КА).

Известная конструкция блока баков разгонного блока "Центавр" (Ракетная и космическая техника. Изд. ГОНТИ-2, N 24, 1984, с. 9-14), включающая расположенные последовательно вдоль продольной оси емкости горючего и окислителя и продольный силовой элемент, выполненный в виде двух переходников, расположенных сверху и снизу баков с топливом, с установленными на их концах узлами крепления блока к смежной ступени носителя и полезной нагрузке. Продольная компоновка блока "Центавр", включающая последовательное расположение основных емкостей блока, является удобной и обоснованной для блоков баков, рассчитанных на запас рабочего тела более 12-15 т. Однако использование такого устройства для блоков баков, рассчитанных на запас рабочего тела 2,5.8 т, приводит к нерациональному использованию зоны полезного груза обтекателей современных одноразовых ракетоносителей с характерным поперечным размером 3,5. 4,5 м: оптимальные по массе конструкции блоки баков имеют поперечные габаритные размеры значительно меньшие, чем допускаемые обтекателями современных ракетоносителей.

Известен блок баков разгонного блока ракеты-носителя "Ариан" (Астронавтика и ракетодинамика. N 11, 1984, с. 4, рис.4, изд. ВИНИТИ), выбранный в качестве прототипа. Этот блок баков включает равномерно расположенные по окружности емкости, соединенные с продольным силовым элементом. Продольный силовой элемент снабжен узлами крепления блока к смежным ступеням носителя.

При работе двигательных установок продольная и поперечная инерционные нагрузки от узлов крепления последующей ступени по продольному силовому элементу передается к узлам крепления предыдущей ступени. За счет размещения емкостей по периферии эффективно используется полезный объем головных блоков: блок баков имеет в 2-3 раза меньший габаритный размер в длину, чем в диаметре, в центральном проеме блока баков может быть установлен ЖРД.

Недостатком этого блока баков является значительная масса конструкции блока. Использование блока баков такого типа в силовых схемах космических систем предполагает размещение ответных узлов крепления последующей ступени космической системы или полезной нагрузки ракеты по диаметру силового элемента блока баков. Однако, как правило, геометрические размеры космических аппаратов, используемых в качестве полезных нагрузок, на 20-40% меньше внешнего диаметра последней ступени носителя. В связи с этим использование такой конструкции блока баков в качестве последней ступени переходного элемента типа фермы к полезной нагрузке, соединяющего узлы крепления, располагаемые на восьмиграннике силового продольного элемента и узлы крепления полезной нагрузки. При этом возрастает масса блока баков. Кроме того, обеспечение приемлемых динамических характеристик блока (частота собственных колебаний 15 Гц и выше) также требует усиления конструкции блока, а применение в качестве баков изолированных сфер приводит к нерациональному использованию объема.

Технической задачей, решаемой предлагаемым изобретением, является разработка блока баков, сочетающего высокое массовое совершенство и минимальную длину блока, и обладающего высокими динамическими характеристиками.

Это достигается следующим образом. В известном блоке баков, содержащем равномерно расположенные по окружности емкости, соединенные с продольным силовым элементом, узлы крепления со смежной ступенью носителя и полезной нагрузкой, новым является то, что емкости выполнены в виде сферических оболочек, каждая из которых усечена двумя плоскостями. Указанные плоскости расположены на одинаковом расстоянии от центра сфер и проходят через продольную ось блока баков. Усеченные таким образом сферические оболочки соединены друг с другом по контурам усечения, а внутренние полости емкостей отделены друг от друга непроницаемыми перегородками. Продольный силовой элемент выполнен в виде стержней, пронизывающих оболочки емкостей и скрепленных с ними, на концах которых расположены узлы крепления блока со смежной ступенью носителя и полезной нагрузкой.

Соединение узлов крепления блока баков с полезной нагрузкой и со смежной ступенью носителя с помощью стержня по прямому кратчайшему пути обеспечивает минимальную затрату массы конструкции на восприятие продольной инерционной нагрузки. Скрепление стержня с оболочкой емкости, не нарушающее его герметичности, дополнительно включает восприятие поперечных нагрузок емкости, находящиеся под избыточным давлением. Выполнение емкостей блока баков в виде сферических поверхностей, каждая из которых усечена двумя плоскостями, проходящими под острым углом друг к другу, и соединенных друг с другом по контурам усечения, обеспечивает высокую поперечную жесткость. Это в сочетании с высокой продольной жесткостью конструкции, обеспечиваемой наличием стержневой системы, обеспечивает высокие динамические характеристики конструкции блока. Наличие непроницаемых перегородок между внутренними полостями емкостей не только дает возможность использования смежных емкостей для хранения разнородных сред, но и служит дополнительным силовым элементом конструкции блока, замыкая силовой контур и увеличивая тем самым жесткость конструкции. Замкнутая связка емкостей, равномерно расположенных по окружности, обеспечивает минимизацию длины блока.

На фиг. 1 приведен вид на блок баков сверху; на фиг.2 вид на блок баков спереди (разрез продольный); на фиг.3 сечение стержня в месте соединения с оболочкой.

Предлагаемый блок баков устроен следующим образом. Блок баков состоит из емкостей 1-6. Емкости расположены равномерно по окружности. Емкости выполнены в виде сферических поверхностей, каждая из которых усечена двумя плоскостями, расположенными на одинаковом расстоянии от центров сфер и проходящими через продольную ось блока баков. Смежные емкости соединены друг с другом по контуру усечения с использованием вспомогательных шпангоутов 7. Внутренние полости емкостей отделены друг от друга непроницаемыми перегородками 8. В качестве материала для изготовления емкостей может быть использован алюминиевый сплав типа АМг-6. В целом блок баков представляет собой цельносварную конструкцию. Емкости могут быть снабжены демпфирующими перегородками, воронкогасителями, заборниками, штуцерами для забора жидкости, заправки, дренажа и другой необходимой арматурой, не показанной на фиг.

Во внутреннем проеме блока баков возможна установка ЖРД. Оболочки емкостей пронизаны стержнями 9, на концах которых установлены узлы крепления 10 блока к полезной нагрузке и узлы крепления 11 блока к смежной ступени носителя. Центральная часть стержней выполнена в форме трубы, на концах которой выполнены два фитинга с отбортовками, скрепленными с оболочками емкостей сваркой. Фитинги заканчиваются узлами крепления емкостей к смежной ступени носителя и полезной нагрузки, выполненных в форме кронштейнов. В качестве материала для изготовления стержней может использоваться алюминиевый сплав.

На фиг.1-2 представлен вариант блока баков, который включает шесть сферических емкостей одинакового диаметра. Представленный вариант предусматривает также усечение каждой сферы двумя плоскостями, острый угол между которыми одинаков для всех емкостей, а стержни установлены на одинаковом угловом расстоянии друг от друга. Возможны и другие варианты конкретного выполнения блока баков, отличающихся друг от друга числом емкостей, геометрией их соединения и расположения стержней относительно друг друга.

При подготовке блока баков на технической позиции его емкости заполняются необходимыми компонентами под избыточным давлением 2-8 атм. Наряду с жидкими компонентами топлива, некоторые емкости могут заполняться газовыми средами с составом, необходимым для хранения специальных приборов и аппаратуры. На этапе выведения при работе двигательных установок продольные и поперечные нагрузки от полезной нагрузки воспринимаются и передаются конструкцией блока баков: продольную нагрузку в основном воспринимают стержни, поперечную жесткость обеспечивает связка емкостей. При заборе жидкого топлива из блока баков для отделения жидкой фазы от газообразной могут использоваться заборники капиллярного типа, либо с использованием предварительного ускорения.

Проектно-конструкторские оценки показывают возможность создания блока баков предлагаемого типа с массой заправляемого топлива 5,5-6 т при длине блока порядка 1,5 м. Максимальный диаметр блока при этом составляет 3,3-3,5 м. Масса блока баков лежит при этом в пределах 275-320 кг, что на 25-30% ниже известных аналогов.

Особенно эффективно использование заявляемой конструкции блока баков в составе разгонных блоков, двигательных установок спускаемых аппаратов и других объектов, для которых характерно сочетание высоких нагрузок и высоких требований к объемно-массовым характеристикам.

Формула изобретения

БЛОК БАКОВ, содержащий равномерно расположенные по окружности емкости, соединенные с продольным силовым элементом, и узлы крепления, отличающийся тем, что емкости выполнены в виде тонкостенных сферических оболочек, каждая из которых усечена двумя плоскостями, расположенными на одинаковом расстоянии от центров сфер и проходящими через продольную ось блока баков, соединенных друг с другом по контурам усечения, внутренние полости отделены друг от друга непроницаемыми перегородками, а продольный силовой элемент выполнен в виде пронизывающих оболочки емкостей и скрепленных с ними стержней, на концах которых расположены узлы крепления.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3