Способ минимизации зон отчуждения для отделяемых частей ракет-носителей
Владельцы патента RU 2692207:
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Омский государственный технический университет" (RU)
Изобретение относится к конструкции и эксплуатации ракет-носителей (РН) и их отделяемых частей (ОЧ): отработавших ступеней, переходных отсеков, створок головных обтекателей и т.п. Способ включает этап предполетной подготовки РН, на котором рассчитывают параметры движения ОЧ, определяя участки траектории спуска для воздействия на ОЧ. В ОЧ, выполненной из углепластика, размещают пиротехнический состав, дающий при его сжигании нагрев ОЧ до температуры горения ОЧ в набегающем потоке воздуха. На расчетной высоте задействуют данный состав, воспламеняя зажигающий состав, которым поджигают ОЧ. В качестве заполнителя конструкции ОЧ используют самогорящую смесь энергоемкого компонента с синтетическим полимером, дающую максимальную передачу теплоты к ОЧ. Газы, выделяющиеся при горении, направляют в полые каналы заполнителя (выполненного в виде гофрированной или стержневой конструкции). В качестве энергоемкого компонента используют окислитель (напр., перхлорат аммония), а в пиротехническом составе – напр., смесь порошков алюминия с оксидом железа. Технический результат направлен на достижение полноты сжигания ОЧ в атмосфере и исключение проблемы отчуждаемых районов падения ОЧ. 2 з.п. ф-лы, 5 ил.
Изобретение относится к ракетно-космической технике и может быть использовано для сокращения районов падения отделяющихся частей (ОЧ) ступеней ракет-носителей (РН). К ОЧ ступеней РН относятся: отработавшие ступени, межступенные отсеки, створки головных обтекателей.
Одной из основных проблем, связанных со снижением техногенного воздействия пусков РН на окружающую среду, является наличие ОЧ, что приводит к необходимости выделять значительные площади зон отчуждения на территориях и акваториях поверхности Земли для районов падения ОЧ.
Известен «Способ минимизации зон отчуждения для отделяемых частей многоступенчатой ракеты-носителя» (патент РФ №2464526 МПК F42B 15/36), по которому на этапе предполетной подготовки РН производят расчет параметров движения ОЧ до момента падения их на Землю и по результатам расчетов определяют необходимую зону отчуждения, в конструкции ОЧ выделяют элементы, различающиеся по степени их разрушения в плотных слоях атмосферы после отделения от РН, для этих отдельно летящих элементов ОЧ рассчитывают зоны необходимого отчуждения и, после отделения ОЧ от РН в процессе автономного полета этих частей на участке траектории до момента вхождения в плотные слои атмосферы, формируют сигнал на средства членения и осуществляют воздействие на конструкцию ОЧ для их физического разделения на выделенные элементы.
Прототипом предлагаемого технического решения является "Способ минимизации зон отчуждения отделяемых частей ракеты-носителя" (патент РФ №2626797 МПК: F42B 15/00, B64G 1/64) по которому минимизация зон отчуждения для ОЧ, например, створок головных обтекателей, переходных отсеков РН, заключается в том, что на этапе предполетной подготовки РН производят расчет параметров движения ОЧ до момента падения их на землю и по результатам расчетов определяют участки на траектории спуска для воздействия на ОЧ, формирование сигнала в процессе автономного полета ОЧ и осуществляют воздействие на конструкцию ОЧ, на ОЧ размещают пиротехнический состав (ПС), обеспечивающий при его сжигании, нагрев ОЧ до температуры, при которой происходит горение ОЧ в набегающем потоке атмосферного воздуха, по достижению высоты 25-30 км осуществляют зажигание ОЧ, например, с использованием зажигающего состава, сигнал на задействование зажигающего состава формируются от момента отделения ОЧ от РН, при формировании сигнала на задействование ПС учитывается задержка на воспламенение зажигающего состава и сгорание ПС, размещение ПС по поверхности ОЧ осуществляют с учетом температуры поверхности ОЧ на начало задействования ПС, размещение зажигательного состава осуществляют в нескольких местах, исходя из повышения вероятности зажигания, минимизации времени сгорания ПС и ОЧ, в качестве ПС используется составы, например, смеси порошкообразных металлов, например, магния, алюминия, титана или их сплавов (например, смесь порошков алюминия и титана), в качестве зажигательного состава используются составы, например, Fe2O3+Mg (69:31), BaO2+Mg (78:22).
При применении этого способа к сжиганию ОЧ типа современных головных обтекателей (ГО), представляющих собой конструкции из полимерных композиционных материалов типа углепластика и алюминиевого сотового заполнителя между ними, возникает ряд проблем:
- при сгорании ПС, размещенного в конструкции ГО, алюминиевый сотовый заполнитель расплавляется и не вступает в дальнейшую реакцию с кислородом набегающего потока;
- теплоты, получаемой от сгорания массы ПС, размещенной внутри конструкции ГО, недостаточно для нагрева углепластика до температуры горения в набегающем потоке воздуха, в том числе и из-за низкой теплопроводности расслаиваемого при нагреве углепластика, уноса теплоты набегающим потоком воздуха.
Технический результат предлагаемого решения позволит кардинально решить проблему районов падения ГО путем его сжигания на атмосферном участке траектории спуска.
Указанный технический результат достигается за счет того, что в известный способ минимизация зон отчуждения для ОЧ, например, створок головного обтекателя, переходных отсеков РН, заключающийся в том, что на этапе предполетной подготовки РН производят расчет параметров движения ОЧ до момента падения их на землю и по результатам расчетов определяют участки на траектории спуска для воздействия на ОЧ, формирование сигнала в процессе автономного полета ОЧ и осуществляют воздействие на конструкцию ОЧ, в ОЧ размещают пиротехнический состав (ПС), обеспечивающий при его сжигании нагрев ОЧ до температуры, при которой происходит горение ОЧ в набегающем потоке атмосферного воздуха, по достижению расчетной высоты осуществляют зажигание ОЧ, например, с использованием зажигающего состава, сигнал на задействование зажигающего состава формируется от момента отделения ОЧ от РН, при формировании сигнала на задействование ПС учитывается задержка на воспламенение зажигающего состава и сгорание ПС, размещение зажигательного состава осуществляют в нескольких местах, исходя из повышения вероятности зажигания, минимизации времени сгорания ПС и ОЧ,
добавляют следующие действия:
а) в качестве материала заполнителя конструкции ГО используют самогорящий энергетический материал, представляющий смесь энергоемкого компонента (ЭК) с синтетическим полимером (СП);
б) состав и соотношения ЭК, СП выбирают из условия максимальной передачи теплоты, выделяющейся при сгорании заполнителя, к элементу конструкции ГО, выполненного из углепластика;
в) движение газов, выделяющихся при сжигании заполнителя, направляют в полые каналы конструкции заполнителя, а выход газов из конструкции ОЧ осуществляют из условия сохранения максимального прогрева углепластика и целостности конструкции ОЧ на интервале времени сжигания заполнителя;
г) конструкцию заполнителя изготавливают в виде, например, гофры, стержневых конструкций, обеспечивающих заданную прочность и площадь полых каналов для прохода газов.
В состав предлагаемого способа введено обозначение «Энергетический материал» которое расширяет определение «пиротехнический состав», используемое в прототипе, предполагает включение, например, смесевых твердых ракетных топлив.
Реализация способа
Действия способа поясняется приведенным чертежами:
- на фиг. 1 приведена традиционная конструкции элемента трехслойного головного обтекателя с алюминиевым сотовым заполнителем (патент РФ №2581636 F42B 10/46, B64G 1/64), где 1 - алюминиевый сотовый заполнитель, 2, 3 - углепластиковые пластины (УП);
- на фиг. 2, 3 приведены конструкции элемента трехслойного головного обтекателя с вариантами исполнения конструкций заполнителя в виде стержневой конструкции (фиг. 2) и в виде гофры (фиг. 3);
- на фиг. 4 приведена схема движения продуктов сгорания заполнителя, внутри конструкции элемента трехслойного головного обтекателя на примере стержневой конструкции заполнителя, где 4 - направление движения продуктов сгорания.
Обоснование действий способа
а) в качестве материала заполнителя конструкции ГО используют самогорящий энергетический материал, представляющий смесь энергоемкого компонента с синтетическим полимером.
В качестве синтетического полимера (СП) могут быть использованы такие составы как акрилонитрилбутадиенстирол (АБС), полилактид и т.д.;
В состав энергоемкого компонента, могут входить различные смеси, например: ПС, перхлорат аммония (ПХА) и другие составы из смесевых твердотопливных ракетных топлив (СТРТ).
Рассмотрим 2 примера использования различных составов заполнителей для прогрева элемента конструкции трехслойного ГО фиг. 2, 3 (УП + заполнитель + УП) массой 1 кг, при этом масса УП составляет 600 г, масса заполнителя 400 г.
1. В качестве заполнителя принимается смесь: 1 часть АБС и 9 частей ПС (2Al + МоО3). За счет сгорания заполнителя выделится теплота, в результате которой УП будет прогрет до ~ 1550 К и должен сгореть в воздухе до СО2 и H2O.
2. При использовании в качестве заполнителя смеси х частей АБС и у частей ПХА при этом не остается никаких конденсированных продуктов, а температура продуктов горения: АБС:ПХА=40:60, то Т=1020 К, если 30:70, то 1600 К, если 20:80, то 2360 К, если 15:85, то 2515 К.
Термодинамическим расчетом показано, что если для увеличения прочности заполнителя будет повышена в нем доля АБС, то даже при повышении содержания полимера до 25% температура горения останется выше, например, 2000 К
б) состав и соотношения ЭК, СП выбирают из условия максимальной передачи теплоты, выделяющейся при сгорании заполнителя, к элементу конструкции ГО, выполненной из углепластика
Прогрев горячими газами УП более эффективен, чем теплопередача от твердых конденсированных продуктов, т.к. УП многослойный и при разложении связующего в первом слое остаются углеродные волокна, которые уже обладают плохой теплопроводностью в поперечном направлении и теряется тепловой контакт между продуктами сгорания и следующими слоями углеродных волокон. А в случае горячих газов они легко будут проникать к следующим слоям и прогревать их.
в) движение газов, выделяющихся при сжигании заполнителя, направляют в полые каналы конструкции заполнителя, а выход газов из конструкции ОЧ осуществляют из условия максимального прогрева углепластика и целостности конструкции ОЧ на интервале времени сжигания заполнителя
Очевидно, что выделение значительного количества газов в короткий интервал времени при недостаточной площади поперечного сечения полых каналов конструкции заполнителя для прохода этих газов, может привести к разрыву трехслойной конструкции ОЧ на крупные фрагменты и, соответственно, не полному сжиганию ОЧ. Варьирование содержания ЭК в составе заполнителя может привести к тому, что в продуктах сгорания практически не будет газов, например, Al+MoO3, Al+MoO3+KClO4.
С другой стороны, использование составов близких к СТРТ, в продуктах сгорания будет содержатся значительное количество газов.
Рассмотрим пример для двух ЭК:
а) термит 20% (MoO3) как источник тепла + 80% ZrO2 как пример абсолютно инертного вещества, которое будет просто нагреваться;
б) СТРТ 20% (связующее с Al и ПХА) как источник тепла + 80% ZrO2.
Результат:
для случая а) - температура УП достигнет 1700 К, горение термита практически не образует газов;
для случая б) - температура УП достигнет 1900 К, при этом 65%) от массы сгоревшего СТРТ находится в газе.
г) конструкцию заполнителя изготавливают в виде, например, гофры, стержневых конструкций, обеспечивающих заданную прочность и площадь полых каналов для прохода газов.
В качестве возможных конструкторских решений по исполнению предлагаемого заполнителя рассматриваются варианты, обеспечивающие прочность конструкции (УП + заполнитель + УП), а величину поперечного сечения площади каналов, - из условия обеспечивающее проход продуктов сгорания и максимального передачи теплоты (фиг. 4). Масса конструкции заполнителя должна быть не менее массы, определяемой из условия выделения заданного количества теплоты при сжигании.
Близкие задачи решают конструкции теплообменников, например, рубашки охлаждения камеры сгорания жидкостного ракетного двигателя компонентом ракетного топлива, когда параметры рубашки выбирают из условия прочности и отбора теплоты от камеры сгорания при работе жидкостного ракетного двигателя. В рассматриваемом случае при проектировании конструкции заполнителя решаются задачи: а) обеспечения прочности, б) выделение достаточного количества теплоты, в) максимального прогрева УП проходящими газами, г) минимального остатка твердого огарка.
Наиболее подходящий материал предлагаемого заполнителя:
- зажигается при температуре выше 300°С, т.е. на участке выведения ракеты-носителя взрывобезопасен;
- горение возможно при начальном давлении порядка 0.05 атм, т.к. зажигание и горение начинается на высотах ниже 30-40 км;
- конструкция заполнителя должна обеспечивать прочность трехслойной конструкции ГО не хуже, чем заполнитель из алюминиевых сот; -технологичен, хранится длительное время, не взрывоопасен и т.д.;
- высокая теплотворность, нагревающая УП до сгорания в атмосфере набегающего потока воздуха, при этом:
- большая часть тепла при сжигании идет в газе, а образующийся газ проходит через полую конструкцию заполнителя (гофры, стержни и т.д.) не разрывая конструкцию, а максимально отдавая теплоту УП;
- оставшаяся часть теплоты остается в твердом огарке минимальной массы типа порошок, который рассыпается;
Предлагаемый способ практически полностью применим и к межступенным отсекам (МО), изготавливаемых из УП. Отличие будет заключаться в том, что МО не содержит заполнителя и является моноконструкцией, а не трехслойной, поэтому энергетический материал будет закрепляться с внутренней стороны МО. (фиг. 5).
1. Способ минимизации зон отчуждения для отделяемых частей (ОЧ) ступени ракеты-носителя, например, створок головного обтекателя, переходных отсеков ракеты-носителя, заключающийся в том, что на этапе предполетной подготовки ракеты-носителя производят расчет параметров движения ОЧ до момента падения их на землю и по результатам расчетов определяют участки на траектории спуска для воздействия на ОЧ, формируют сигнал в процессе автономного полета ОЧ и осуществляют воздействие на конструкцию ОЧ, причём в ОЧ размещают пиротехнический состав, обеспечивающий при его сжигании нагрев ОЧ до температуры, при которой происходит горение ОЧ в набегающем потоке атмосферного воздуха, по достижении расчетной высоты осуществляют зажигание ОЧ, например, с использованием зажигающего состава, при этом сигнал на задействование зажигающего состава формируется от момента отделения ОЧ от ракеты-носителя, при формировании сигнала на задействование пиротехнического состава учитывают задержку на воспламенение зажигающего состава и скорость сгорания пиротехнического состава, размещение зажигательного состава осуществляют в нескольких местах, исходя из повышения вероятности зажигания, минимизации времени сгорания пиротехнического состава и ОЧ, отличающийся тем, что в качестве материала заполнителя конструкции ОЧ используют самогорящий энергетический материал, представляющий собой смесь энергоемкого компонента с синтетическим полимером, причём состав, а также соотношения энергоемкого компонента и синтетического полимера выбирают из условия максимальной передачи теплоты, выделяющейся при сгорании заполнителя, к элементу конструкции ОЧ, выполненной из углепластика, а движение газов, выделяющихся при сжигании заполнителя, направляют в полые каналы конструкции заполнителя, выход газов из конструкции ОЧ осуществляют из условия максимальной площади прогрева углепластика и целостности конструкции ОЧ на интервале времени сжигания заполнителя, а конструкцию заполнителя изготавливают, например, в виде гофров, стержневых конструкций, обеспечивающих заданную прочность и площадь полых каналов для прохода газов.
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве энергоемкого компонента в материале заполнителя используют окислитель, например, перхлорат аммония.
3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве энергоемкого компонента в материале заполнителя используют пиротехнический состав, например, смесь порошков алюминия с оксидом железа.
