Способ термостатирования объектов ракетного блока и бортовая система для его реализации
Владельцы патента RU 2280596:
Открытое акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" им. С.П. Королева" (RU)
Изобретения относятся к способам и средствам термостатирования приборного отсека, блоков автоматики системы управления и других объектов ракетного блока. Согласно предлагаемому способу вдув термостатирующей среды в ракетный блок осуществляют со стороны его боковой поверхности симметрично и под углом к вертикальной плоскости, проходящей через плоскость симметрии расположения объектов ракетного блока, в тангенциальном к огибающей боковых поверхностей объектов направлении. Предлагаемая система содержит отверстия вдува и истечения термостатирующей среды с клапанами одностороннего действия и устройство вдува термостатирующей среды. Отверстия вдува и истечения термостатирующей среды выполнены в оболочке ракетного блока. Клапаны одностороннего действия упомянутых отверстий шарнирно установлены в оболочке ракетного блока. Устройство вдува термостатирующей среды в ракетный блок выполнено в виде дозвукового диффузора с, по крайней мере, двумя изогнутыми патрубками. Входное сечение диффузора сообщено с отверстием вдува. Выходные сечения патрубков диффузора расположены в зазоре между объектами и оболочкой ракетного блока симметрично плоскости симметрии ракетного блока, проходящей через отверстие вдува термостатирующей среды. Касательная к оси каждого патрубка диффузора в его выходном сечении направлена по касательной к огибающей боковых поверхностей объектов. Техническим результатом изобретений является улучшение теплообмена на поверхности объектов в период предстартовой подготовки ракетного блока и уменьшение веса конструкции бортовой системы термостатирования. 2 н.п. ф-лы, 5 ил.
Изобретение относится к ракетно-космической технике, а именно к воздушной бортовой системе термостатирования (БСТ) объектов ракетного блока (РБ), например приборного отсека (ПО), блоков автоматики системы управления (СУ) и др. объектов, и предназначено для термостатирования объектов РБ в период предстартовой подготовки РБ.
Известен способ термостатирования объектов, например приборов системы управления, размещаемых в отсеке головного блока (ГБ) ракеты-носителя (РН), включающий вдув термостатирующей среды (ТС) в ГБ, ее перетекание по длине ГБ с последующим истечением из него, при котором обеспечивают допустимую эксплуатационную температуру объектов в период предстартовой подготовки [1].
Недостаток этого технического решения - не обеспечивают упорядоченное течение ТС в отсеке ГБ. Кроме того, вдув ТС в ГБ осуществляют с температурой и расходом ТС на входе в отсек, соответствующими температуре в наиболее теплонапряженных точках объекта термостатирования (ОТ) [2], что приводит к неоптимальным эксплуатационным температурам нагрева объектов.
Известен способ термостатирования ПО РБ космической головной части (КГЧ) РН, включающий вдув ТС в РБ, перетекание ТС по его длине с последующим истечением из РБ [3].
При этом вдув ТС в РБ осуществляют в осевом направлении. Причем вдув ТС в РБ осуществляют с расходом и температурой, также как и в аналоге, соответствующими температуре в наиболее теплонапряженных точках ПО [2], что приводит к неоптимальным эксплуатационным температурам нагрева ПО и является недостатком этого технического решения.
Приведенное техническое решение разработано по теме "Морской старт" и обеспечивает эксплуатационные тепловые режимы ПО в период предстартовой подготовки КГЧ.
Техническое решение [3] принято авторами за прототип способа.
Известно устройство для термостатирования объектов, размещенных в отсеке ГБ, содержащее отверстие вдува ТС, выполненное в оболочке ГБ и сообщенное магистралью питания ТС с воздушной системой обеспечения теплового режима (ВСОТР) объектов, обеспечивающей заданные параметры вдува на входе в отсек ГБ, а так же отверстия истечения ТС, выполненные в оболочке отсека ГБ [4].
Недостатком этого технического решения является несовершенство конструкции устройства, обусловленное отсутствием устройства вдува (УВ), что приводит к неупорядоченному перетеканию ТС в отсеке ГБ и, как следствие, к низкой эффективности охлаждения объектов.
Наиболее близким аналогом является воздушная БСТ ПО РБ, в которой ПО выполнен тороидальной формы [3].
Согласно этому техническому решению БСТ содержит отверстие вдува ТС с клапаном, выполненное в оболочке РБ, отверстия истечения ТС с клапанами, выполненные в оболочке РБ.
Клапаны отверстий - одностороннего действия и выполнены в виде подпружиненных крышек. БСТ содержит также УВ ТС, размещенное в РБ, выполненное в виде раздаточного коллектора. Коллектор соединен магистралью подвода ТС с отверстием вдува ТС в РБ, и в нем выполнены отверстия истечения ТС, обеспечивающие обтекание ПО в осевом направлении [3].
Приведенное техническое решение разработано по теме «Морской старт» и по сравнению с аналогом обеспечивает эксплуатационные тепловые режимы ПО в период предстартовой подготовки РБ.
Техническое решение [3] принято авторами за прототип устройства.
Недостаток этого технического решения - существенный вес конструкции УВ за счет распылителя, раздаточного коллектора и магистралей подвода ТС к распылителю и коллектору, предназначенных для охлаждения ПО, размещенных в РБ, что приводит к потере в массе полезного груза (ПГ), выводимого РН на орбиту искусственного спутника Земли (ОИСЗ).
Задачей изобретения является создание БСТ для РБ с улучшенными эксплуатационными характеристиками для охлаждения объектов, размещенных в РБ, при нагреве объектов от внутреннего (работа приборов объекта) источника нагрева.
Данная задача решается за счет того, что в способе термостатирования объектов РБ, включающем вдув ТС в РБ, перетекание ТС по его длине с последующим истечением из РБ, согласно изобретению вдув ТС в РБ осуществляют со стороны его боковой поверхности симметрично и под углом вектора скорости вдуваемой ТС к вертикальной плоскости, проходящей через плоскость симметрии расположения объектов, совмещенную с плоскостью симметрии РБ, в тангенциальном к огибающей боковых поверхностей объектов направлении, причем при вдуве термостатирующей среды с объектов снимают количество тепла, большее или равное количеству тепла, выделяемого в процессе эксплуатации объектов в период предстартовой подготовки РБ.
Данная задача решается также за счет того, что в бортовой системе термостатирования объектов РБ, содержащей отверстие вдува ТС, выполненное в оболочке РБ, устройство вдува ТС в РБ, отверстия истечения ТС из РБ, выполненные в оболочке РБ, клапаны одностороннего действия отверстий, шарнирно установленные в оболочке РБ, согласно изобретению устройство вдува ТС в РБ выполнено в виде дозвукового диффузора с изогнутыми патрубками, по крайней мере двумя, входное сечение которого сообщено с отверстием вдува, а выходные сечения патрубков диффузора расположены в зазоре между объектами и оболочкой РБ симметрично плоскости симметрии РБ, проходящей через отверстие вдува ТС таким образом, что касательная к оси каждого патрубка диффузора в его выходном сечении направлена по касательной к огибающей боковых поверхностей объектов.
Техническим результатом изобретения является уменьшение веса конструкции БСТ за счет минимизации габаритно-весовых характеристик УВ и исключения магистрали подвода ТС к УВ при улучшении теплообмена на поверхности объектов в период предстартовой подготовки РБ.
Задача решается на примере термостатирования ПО тороидальной формы, размещенного в РБ, с использованием разработанной для термостатирования БСТ.
На фиг.1 приведены основные элементы БСТ ПО РБ. БСТ приведена с открытыми клапанами и присоединенной магистралью питания ТС ВСОТР.
На фиг.2 приведен фрагмент ПО РБ с размещенными в нем приборами СУ, а на фиг.3 приведен общий вид диффузора в изометрии.
На фиг.4 показана схема ориентации касательной к оси патрубка диффузора в одном из его выходных сечений относительно ПО.
На фиг.5 по сравнению с исходным вариантом (прототипом) приведены зависимости относительного количества тепла (далее - количества тепла) q, снимаемого с поверхности ПО от температуры Тпо поверхности ПО при воздействии ТС.
На этих фигурах:
1 - ракетный блок (РБ);
2 - оболочка РБ;
3 - приборный отсек (ПО);
4 - отверстие вдува;
5 - клапан отверстия вдува;
6 - устройство вдува (УВ);
7 - отверстия истечения;
8 - клапаны отверстий истечения;
9 - входное сечение диффузора;
10 - выходные сечения патрубков диффузора;
11 - магистраль питания ТС;
12 - агрегаты двигательной установки;
13 - ось симметрии;
14, 15 - вертикальная и горизонтальная плоскости;
16 - касательная к оси патрубка в его выходном сечении;
17 - проекция касательной к оси патрубка в его выходном сечении на вертикальную плоскость;
18 - проекция касательной к оси патрубка в его выходном сечении на горизонтальную плоскость;
19 - оболочка ПО;
20 - приборы;
21 - блок автоматики СУ.
БСТ (фиг.1), ПО 3 РБ 1 содержит отверстие вдува 4 ТС и отверстия истечения 7 ТС, выполненные в оболочке РБ 2. Отверстие вдува 4 снабжено клапаном отверстия вдува 5, отверстия истечения 7 - клапанами отверстий истечения 8. Клапан отверстия вдува 5 и клапаны отверстий истечения 8 - одностороннего действия и выполнены в виде подпружиненных крышек, шарнирно соединенных с оболочкой РБ 2.
БСТ содержит также УВ 6 в РБ 2.
УВ 6 в РБ 1 выполнено в виде дозвукового диффузора с изогнутыми патрубками. Входное сечение диффузора 9 сообщено с отверстием вдува 4 оболочки РБ 2. Выходные сечения патрубков диффузора 10 установлены в зазоре между оболочкой РБ 2 симметрично относительно вертикальной плоскости, проходящей через ось симметрии ПО 3 и ось симметрии отверстия вдува 4 ТС (фиг.1 и 2, узел I).
Выбор формы УВ 6 в виде дозвукового диффузора с расширяющимся каналом обусловлен необходимостью уменьшения скоростей ТС в выходных сечениях патрубков диффузора 10 до величин, при которых нагрузки на элементы теплозащиты 19 ПО 3 не превышают полетных.
Выполнение диффузора с криволинейными патрубками и его размещение в зазоре между ПО 3 и оболочкой РБ 2 в окрестности отверстия вдува 4 ТС (фиг.3) минимизирует размеры диффузора и предопределяет возможность обтекания ПО 3 ТС преимущественно в поперечном к оси симметрии КГЧ направлении.
Касательные к осям патрубков в его выходных сечениях 16 направлены по касательным к торовой поверхности ПО 3 и под заданным углом к вертикальной плоскости 14, проходящей через ось симметрии 13 ПО 3 и ось симметрии отверстия вдува 4 ТС, и совпадают с вектором скорости ТС в выходных сечениях патрубков диффузора 10. При этом проекция касательной на эту плоскость образует с осью симметрии 13 угол α, а ее проекция на горизонтальную плоскость 15 - угол γ (фиг.4).
Таким образом за счет исключения раздаточного коллектора и магистрали подвода ТС к коллектору (прототип) в РБ 2 уменьшают вес конструкции БСТ.
Термостатирование ПО 3 осуществляют следующим образом.
В течение времени предстартовой подготовки РБ 1, при котором осуществляют проверку работы аппаратуры ПО 3 РБ 1, происходит нагрев ПО 3. Для обеспечения допустимого нагрева ПО 3 и, следовательно, штатной эксплуатации приборов 20, размещенных в ПО 3, реализуют вдув ТС с эксплуатационными расходами через отверстие вдува 4 ТС РБ 1. При этом предварительно открывают подпружиненный клапан отверстия вдува 5 и сообщают отверстие вдува 4 с магистралью питания ТС 11.
Для реализации поставленной задачи вдув ТС в РБ 1 осуществляют со стороны его боковой поверхности в тангенциальном к поверхности ПО 3 направлении с растеканием ТС по ней (в отличие от осевого направления течения ТС в прототипе).
Такое направление касательной обусловлено необходимостью максимально равномерного (с необходимой точностью с учетом флуктуации ТС) обтекания ПО 3 с требуемой скоростью V и температурой Т вблизи его поверхности, обеспечивающих охлаждение поверхности ПО 3, при минимальном весе элементов конструкции БСТ.
Далее через зазор между оболочкой РБ 2 и ПО 3 и агрегатами двигательной установки 12 ТС перетекает к отверстиям истечения 7 в оболочке РБ 2, выполненным вблизи основания РБ 1, через которые стравливается в атмосферу, преодолевая сопротивление подпружиненных клапанов отверстий истечения 8.
Проведенный математический анализ показал, что основная масса ТС, вдуваемая диффузором и охлаждающая ПО 3, обтекает преимущественно верхнюю и внутреннюю часть торовой поверхности ПО 3. Другая часть вдуваемой диффузором ТС, обтекая боковую и нижнюю торовую поверхность ПО 3, также перетекает через зазоры к основанию РБ 1. Здесь ТС перемешивается с основной ее массой и истекает наружу через отверстия истечения 7.
Перед стартом РН термостатирование ПО 3 прекращают. Магистраль питания ТС 11 отводят. Подпружиненный клапан отверстия вдува 5 и клапаны отверстий истечения 8 перекрывают отверстие вдува 4 и отверстия истечения 7.
Критерием эффективности термостатирования ПО 3 является количество тепла q, снимаемого с поверхности оболочки ПО 3, от температуры его поверхности Тпо по сравнению с количеством тепла qвн, выделяемого в процессе работы его приборов:
q≥qвн.
Количество тепла q, снимаемого с поверхности оболочки ПО 19, может быть определено по известной методике [5] с точностью до размерного коэффициента [6] и является функцией скорости V и температуры Т на поверхности ПО 3, и может быть определено по результатам анализа V и Т на поверхности ПО 3 по формуле:
q=K·K1·V0,5·(Tот-T)·S,
где q - количество тепла, снимаемого с объектов при обтекании ТС;
V - осредненная скорость ТС вблизи поверхности объекта;
Т - осредненная температура ТС вблизи поверхности объекта;
Тот - температура поверхности объекта;
S - площадь поверхности объекта;
К - размерный коэффициент;
K1 - коэффициент теплового сопротивления теплоизоляции объекта.
Количество тепла, выделяемого в процессе работы приборов объекта qвн, определяют по известному из паспортных данных потреблению электроэнергии приборами 20, размещенными в ПО 3.
Изменение V и Т в сечениях ПО 3 получают по результатам математического моделирования обтекания ПО 3 при ориентации вектора скорости ТС в выходном сечении патрубка, соответствующим различным углам α и γ (фиг.4), обеспечивая достаточно равномерное (с требуемой точностью) изменение скоростей V обтекания поверхности ПО 3, а также достаточно равномерную температуру Т ТС вблизи ее поверхности.
На фиг.5 приведены зависимости количества тепла q, снимаемого с поверхности ПО 3, от температуры поверхности Тпо для заданных параметров ТС на входе в РБ 1 при ориентации вектора скорости ТС в выходном сечении патрубка, соответствующем углам α=30° и γ=45°,
где q1 - для данного технического решения;
q2 - для прототипа (вариант с коллектором).
Из сопоставления этих зависимостей следует, что для данного технического решения при заданном qвн обеспечивается более интенсивное охлаждение поверхности ПО 3 по сравнению с прототипом (Tпо1<Тпо2).
Таким образом, для эксплуатационных режимов вдува ТС на входе в РБ 1, одинаковых с прототипом, улучшают теплообмен на поверхности ПО 3, осуществляя его охлаждение, что приводит, наряду с уменьшением веса конструкции БСТ, к выполнению поставленной задачи.
Математическое моделирование обтекания ПО 3 показало также, что достигнутый результат обеспечивается при изменении углов α, лежащих в диапазоне, по крайней мере, от 30° до 60° при угле γ=45°.
Проведенный анализ термостатирования ПО РБ показал, что при вдуве ТС в РБ со штатными расходами и температурой ТС на входе в РБ обеспечивается эксплуатационная температура нагрева ПО 3 Tпо1<17°С в режиме всего периода (5-10 ч) предстартовой подготовки РБ (фиг.5). При этом за счет исключения магистрали подвода и раздаточного коллектора ТС в РБ обеспечивается увеличение веса ПГ, выводимого РН на ОИСЗ, на ˜15 кг.
Техническое решение может быть применено также для термостатирования объектов другой формы, отличной от торовой, например дискретно расположенных блоков автоматики СУ цилиндрической формы или выполненных в форме параллепипеда (см., например, фиг.4, поз.21). Также может быть использовано для охлаждения ПГ, размещенного в КГЧ. В этом случае вектор скорости на выходе из диффузора ориентируют касательно к огибающей блоков автоматики СУ или ПГ. При этом увеличение веса ПГ может быть достигнуто за счет уменьшения веса конструкции БСТ, предназначенной для охлаждения СУ или ПГ.
В частном случае, когда отсутствует внутренний теплоподвод (qвн=0) к ОТ, техническое решение может быть также применено, например, для термостатирования твердотопливных ракетных блоков, а также двигателей аварийного спасения космических объектов.
В настоящее время техническое предложение проработано для реализации на РБ с различными вариантами объектов.
Литература
1. "Космодром", под ред. проф. А.П.Вольского, ВИ МО СССР, М., 1977, с.210-212.
2. Там же, с.204.
3. Руководство пользователя, SEA LAVNCH, March 26, 1966, Д688-10009-1, с.5-2, 5-3, фиг.5.2.3-1.
4. "Космодром", под ред. проф. А.П.Вольского, ВИ МО СССР, М., 1977, с.211, рис.6.2.
5. "Основы теплопередачи в авиационной и ракетно-космической технике", под ред. проф. В.К.Кошкина, М.: Машиностроение, 1975, стр.28.
6. Там же, с.309.
1. Способ термостатирования объектов ракетного блока, включающий вдув термостатирующей среды в ракетный блок, перетекание термостатирующей среды по его длине с последующим истечением из ракетного блока, отличающийся тем, что вдув термостатирующей среды в ракетный блок осуществляют со стороны его боковой поверхности симметрично и под углом к вертикальной плоскости, проходящей через плоскость симметрии расположения объектов, совмещенную с плоскостью симметрии ракетного блока, в тангенциальном к огибающей боковых поверхностей объектов направлении, причем при вдуве термостатирующей среды с объектов снимают количество тепла, большее или равное количеству тепла, выделяемого в процессе эксплуатации объектов в период предстартовой подготовки ракетного блока.
2. Бортовая система термостатирования объектов ракетного блока, содержащая отверстие вдува термостатирующей среды, выполненное в оболочке ракетного блока, устройство вдува термостатирующей среды в ракетный блок, отверстия истечения термостатирующей среды из ракетного блока, выполненные в оболочке ракетного блока, клапаны одностороннего действия отверстий вдува и истечения термостатирующей среды, шарнирно установленные в оболочке ракетного блока, отличающаяся тем, что устройство вдува термостатирующей среды в ракетный блок выполнено в виде дозвукового диффузора с, по крайней мере, двумя изогнутыми патрубками, входное сечение которого сообщено с отверстием вдува, а выходные сечения патрубков диффузора расположены в зазоре между объектами и оболочкой ракетного блока симметрично плоскости симметрии ракетного блока, проходящей через отверстие вдува термостатирующей среды таким образом, что касательная к оси каждого патрубка диффузора в его выходном сечении направлена по касательной к огибающей боковых поверхностей объектов.
