Топливный бак (варианты)

Топливный бак (варианты)

Реферат

 

Использование: в области космической техники для повышения надежности топливного бака путем увеличения вибропрочности эластичного вытеснительного устройства. Сущность изобретения: топливный бак снабжен установленными на штанге в полюсах эластичного вытеснительного устройства и жестко соединенными с прижимами обтекателями в виде соосных штанге усеченных оживальных поверхностей с плоскими боковыми гранями, и расположенных меньшими основаниями к центру бака, на торцевой поверхности штуцеров, взаимодействующей с торцевой поверхностью уплотнительных колец в осевом направлении выполнены выступы, равномерно расположенные по окружности для взаимодействия с соответствующей торцевой поверхностью прижима, высота, которых составляет 0,3-0,5 толщины уплотнительных колец, а коэффициент теплового расширения материала штуцеров в 1,5-2 раза меньше, чем коэффициент теплового расширения материала прижимов, кроме того уплотнительные кольца выполнены со слоем из материала повышенной по сравнению с материалом оболочки эластичного вытеснительного устройства пластичности, расположенными со стороны торцевой поверхности штуцера. 2с. п. ф-лы, 6 ил.

Изобретение относится к области космической техники и предназначено к использованию в двигательных установках космических аппаратов (КА).

Известен топливный бак жидкостной ракеты, содержащий сферический корпус со штуцерами наддува и забора компонентов топлива, в котором установлено эластичное вытеснительное устройство (ЭВУ), закрепленное с помощью прижимных фланцев на штанге, проходящей в баке по его диаметру, и связанных с затяжной гайкой.

В этом баке на основании штанги, обращенном к штуцерам, установлен обтекатель, выполненный в виде усеченного конуса, малое основание которого через фланцы соединено со штангой, а в корпус бака вмонтированы трубки, подводящие компонент топлива к заборному штуцеру. Топливный бак работает следующим образом. Для заправки топлива вначале вакуумируют полость эластичного вытеснительного устройства и топливного бака, поддерживая оболочку эластичного вытеснительного устройства в расправленном по корпусу бака состоянии.

После этого в полость бака подается газосодержащее топливо. В процессе заправки ЭВУ начинает обжиматься от действия на его оболочку заправляемого топлива, что приводит к образованию глубоких неорганизованных закладных окладок. После заправки бака в полость ЭВУ подается газ под давлением, близким к давлению рабочего наддува. Это давление сохраняется до включения рабочего наддува перед первым запуском двигателя КА. При этом на оболочку ЭВУ на всех этапах до вывода на орбиту действует подъемная сила, в результате чего оболочка принимает форму гриба, а действующие на нее виброперегрузки приводят к деформации и перегибам складок материала, трению о корпус бака, вследствие чего не гарантируется сохранение исходной герметичности ЭВУ. При колебаниях топлива в баке перемещение газовой подушки отслеживается оболочкой ЭВУ, что способствует перемещению и перегибам складок материала. Колебания топлива в баке могут привести также к закручиванию оболочки ЭВУ вокруг штанги в зоне нижнего полюса, поскольку обтекатель, установленный на конце штанги, имеет форму тела вращения с гладкой поверхностью и не может удержать надутую оболочку ЭВУ в исходном состоянии. Оболочка ЭВУ не имеет утолщений в местах установки прижимных фланцев, и поэтому возможно нарушение ее целостности в местах деформации на сланцах при их затяжке и потеря герметичности. В процессе сборки ЭВУ и установки прижимных фланцев посредством затяжки возможно также перерезание оболочки ЭВУ в местах ее контакта с фланцами, приводящее к потере герметичности ЭВУ.

Ближайшим аналогом является топливный бак, содержащий корпус со штуцерами и фланцами для подсоединения топливных и газовых магистралей, размещенное внутри корпуса на штанге ЭВУ со штуцерами. Штуцера установлены на диаметрально противоположных полюсах оболочки ЭВУ. По месту установки штуцеров к оболочке прикреплены уплотнительные кольца. Внутри штуцера установлен прижим для взаимодействия с уплотнительными кольцами по соответствующим торцевым поверхностям штуцера и прижима. В этом баке штуцера, установленные на оболочке ЭВУ, используются для крепления ЭВУ к корпусу бака, подачи газа наддува в полость оболочки ЭВУ и замера в ней давления [2] Топливный бак работает следующим образом. Процесс заправки бака предусматривает вакуумирование полости бака и подачу в нее топлива под давлением. После заправки топлива оболочка ЭВУ остается раздутой и заполняет объем газовой полости вплоть до начала рабочего наддува баков.

Известный топливный бак имеет следующие недостатки. В нем не исключена закрутка оболочки ЭВУ в зоне ее полюсов под действием колебательного движения топлива, что может привести к потере исходной герметичности ЭВУ. Уплотнительные кольца, выполненные из такого же материала, как и сама оболочка, при их взаимодействии с фланцами подвержены растрескиванию, что также может привести к нарушению герметичности ЭВУ. Кроме того, оболочка ЭВУ не защищена от перерезывания при ее обжатии фланцами прижима и штуцера в процессе сборки. В зоне полюсов оболочки ЭВУ при ее обжатии топливом образуется излом, который также может привести к преждевременному разрушению оболочки. В дополнении к этому прижим и штуцер, выполненные из одного и того же материала, могут не обеспечить герметичности соединения с оболочкой, поскольку соединение может разрушиться под действием термоциклического нагружения в процессе полета КА. Анализ конструкции известного топливного бака позволяет признать его наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению и выбрать его в качестве прототипа.

Задачей, решаемой настоящим изобретением, является создание топливного бака повышенной надежности путем увеличения вибропрочности эластичного вытеснительного устройства.

Поставленная задача режется за счет того, что топливный бак снабжен установленными на штанге в полюсах ЭВУ и жестко соединенными с прижимами обтекателями в виде соосных штанге усеченных оживальных поверхностей со скошенными плоскими боковыми гранями к расположенными меньшими основаниями к центру бака, на торцевых поверхностях штуцеров, обращенных к торцевым поверхностям уплотнительных колец и прижимов, выполнены в осевом направлении, равномерно расположенные по окружности выступы, высота которых составляет 0,3-0,5 толщины уплотнительных колец, коэффициент теплового расширения материала штуцеров в 1,5-2 раза меньше, чем коэффициент теплового расширения материала прижимов. При этом, уплотнительные кольца выполнены со слоем из материала повышенной по сравнению с материалом оболочки ЭВУ пластичности, расположенным со стороны торцевой поверхности штуцера.

Снабжение бака установленными на штанге в полюсах ЭВУ и жестко соединенными с прижимами обтекателями в виде соосных штанге оживальных поверхностей с плоскими скошенными гранями и расположенными меньшими основаниями к центру бака позволяет обеспечить комфортные условия работы для отвакуумированной и обжатой оболочки ЭВУ. Наличие обтекателей исключает изломы оболочки при ее обжатии, а их оживальная форма и скошенные плоские грани обеспечивают надежное сцепление с обжатой оболочкой ЭВУ, предотвращая ее закручивание у полюсов. Расположение обтекателей меньшими основаниями к центру бака позволяет исключить излом оболочки в зоне перехода от ее полюсов к штанге.

Жесткое соединение обтекателей и прижимов при фиксации прижимов от осевого разворота обеспечивает опору для обжатой оболочки. Все это повышает вибропрочность ЭВУ.

Наличие выступов на торцевой поверхности штуцеров, выполнения в направлении оси штуцеров, которые равномерно расположены по окружности для взаимодействия с соответствующими торцевыми поверхностями прижима позволяет исключить перерезание оболочки ЭВУ при запрессовке прижима в штуцер к обеспечить равномерную запрессовку уплотнительных колец между торцевыми поверхностями прижима и штуцера, что также повышает вибропрочность ЭВУ. Выбор высоты выступов в пределах 0,3-0,5 толщины уплотнительных колец обеспечивает надежное сохранение герметичности уплотнения и повышает вибропрочность ЭВУ за счет вытекания излишнего уплотнительного материала из зоны уплотнения и пластического деформирования оставшегося материала.

Выполнение штуцеров из материала с коэффициентом теплового расширения в 1,5-2 раза меньшим, чем коэффициент теплового расширения материала прижимов, обеспечивает надежную запрессовку штуцеров в прижимах и повышает вибропрочность ЭВУ по месту его уплотнения в штуцерах при работе бака в диапазоне температур эксплуатации.

Выполнение уплотнительных колец со слоями из материала повышенной по сравнению с материалом оболочки ЭВУ пластичности, обращенными к соответствующей торцевой поверхности штуцеров, обеспечивает надежное герметичное уплотнение колец между торцами прижима и штуцера. Кроме этого, слои повышенной пластичности исключают образование на оболочке ЭВУ и уплотнительных кольцах трещин при их пластической деформации в процессе запрессовки.

На фиг. 1 изображен общий вид (разрез) топливного бака; на фиг. 2 - поперечный разрез штуцера и обтекателя; на фиг. 3 крепление слоев повышенной пластичности на уплотнительных кольцах; на фиг. 4 расположение выступов на поверхности штуцера; на фиг. 5, 6 конфигурации обтекателя.

На фиг. 1 изображен топливный бак, содержащий корпус 1 со штуцерами 2 и фланцами 3 для подсоединения топливных и газовых магистралей. Внутри корпуса размещено эластичное вытеснительное устройство 4 со штуцерами 5, на диаметрально противоположных полюсах которого по месту установки штуцеров 5 закреплены уплотнительные кольца 6 (см, фиг. 2). Каждый штуцер 5 выполнен из двух элементов: штуцера 7 и установленного внутри него прижима 8 для взаимодействия с соответствующими уплотнительными кольцами 6 по соответствующим торцевым поверхностям штуцера 7 и прижима 8. На штанге 9 в полюсах ЭВУ установлены и жестко соединены с прижимами 8 обтекатели 11 в виде соосных штанге усеченных оживальных поверхностей с плоскими скошенными боковыми гранями 10 (см. фиг. 5, 6), расположенные меньшими основаниями к центру бака. Места перехода от плоских поверхностей к оживальным выполнены со скруглениями. На торцевой поверхности штуцеров 7, взаимодействующей с соответствующей торцевой поверхностью уплотнительных колец 6, в осевом направлении выполнены выступы 12 (см. фиг. 4), равномерно расположенные по окружности для взаимодействия с соответствующей торцевой поверхностью прижима 8. Высота указанных выступов составляет 0,3-0,5 толщины уплотнительных колец. Коэффициент теплового расширения материала штуцеров 7 в 1,5-2 раза меньше, чем коэффициент теплового расширения материала прижимов 8. Уплотнительные кольца 8 содержат слой 13 материала (см, фиг. 3) с большей по сравнению с материалом оболочки ЭВУ и уплотнительного кольца 6 пластичностью.

Заявленный топливный бак работает следующим образом.

Перед заправкой топливного бака оболочку ЭВУ заневоливают путем ее обжатия внешним давлением вокруг штанги 9. Для этого полость ЭВУ вакуумируется через штуцер 5, а полость топливного бака сообщают с атмосферой через штуцер 3. По достижении заданной глубины вакуума в полости ЭВУ 4 и установившегося атмосферного давления в полости бака осуществляют выдержку ЭВУ для стабилизации формы складок оболочки ЭВУ. Оболочка ЭВУ выполнена с переменной толщиной. На оболочке ЭВУ выполнены местные утолщения материала по меридианам и экватору относительно оси шланги, создающие пространственный каркас с ребрами жесткости. Это позволяет при вакуумировании оболочки ЭВУ получить ее компактную и жесткую конфигурацию и удаленное расположение относительно корпуса бака. Оболочка ЭВУ при этом, складываясь, обжимается вокруг штанги 9 и обтекателей 11 без образования опасных изломов. Приобретенная пространственная конфигурация оболочки ЭВУ обеспечивает устойчивость оболочки к воздействию колебаний топлива в баке и демпфирование колебаний топлива, а также предотвращение контакта обжатой оболочки ЭВУ с корпусом бака. При этом вакуумирование полости топливного бака осуществляют на глубину меньшую, чем глубина вакуумирования оболочки ЭВУ 4, а сохранение оболочки ЭВУ в обжатом состоянии после заправки бака топливом осуществляют воздействием на нее давления насыщенных паров компонента при сохранении вакуума в полости ЭВУ на всех этапах подготовки космического аппарата вплоть до выведения на заданную орбиту до начала рабочего наддува ЭВУ перед первым включением двигателя КА. При этом вследствие различных коэффициентов теплового расширения штуцера и прижима обеспечивается их надежное соединение с уплотнительными кольцами и оболочкой ЭВУ. Далее по получению соответствующей команды осуществляется рабочий наддув полости ЭВУ, открываются клапаны на топливных магистралях и входах в двигатель, и топлива под действием давления наддува подается в камеру сгорания двигателя.

Топливный бак обеспечивает надежность КА на всех этапах его подготовки вплоть до вывода на орбиту включительно.

Конструкцию топливного бака можно изготовить на имеющимся универсальном оборудовании без использования специализированного оборудования. Наличие обтекателей позволяет проводить полный цикл испытаний топливного бака, не опасаясь за судьбу оболочки ЭВУ. Конструкция топливного бака использует меньше материала в оболочке ЭВУ, поскольку благодаря комфортным условиям ее работы не требуется дополнительный запас материала для исключения разрыва оболочки при ее наддуве.

Испытания показали, что топливный бак сохраняет свою работоспособность после воздействия транспортных перегрузок до 5 единиц и длительности импульса 2-10 мс, линейных перегрузок до 4 единиц и длительности воздействия 15 мин. по каждой оси, а также в условиях воздействия циклических и вибрационных нагрузок.

Формула изобретения

1. Топливный бак двигательной установки космического аппарата, содержащий корпус со штуцерами и фланцами для подсоединения газовых и топливных магистралей, размещенное внутри корпуса на штанге эластичное вытеснительное устройство и соосные со штангой усеченные обтекатели, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности путем обеспечения герметичности эластичного вытеснительного устройства и предотвращения закручивания его оболочки вокруг штанги в условиях воздействия перегрузок и вибраций, боковые поверхности обтекателей выполнены оживальной формы с образованными на них наклонными к оси штанги плоскими скошенными гранями, расположенными меньшими основаниями к центру бака.

2. Топливный бак двигательной установки космического аппарата, содержащий корпус со штуцерами и фланцами для подсоединения газовых и топливных магистралей, размещенное внутри корпуса эластичное вытеснительное устройство, закрепленное на диаметрально противоположных полюсах на штуцерах, причем каждый штуцер снабжен установленным в нем прижимом, между торцевыми поверхностями штуцера и прижима размещено уплотнительное кольцо оболочки эластичного вытеснительного устройства, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности путем обеспечения герметичности эластичного вытеснительного устройства в условиях длительной эксплуатации в составе космического аппарата, на торцевых поверхностях штуцеров, обращенных к торцевым поверхностям уплотнительных колец и прижимов, выполнены в осевом направлении равномерно расположенные по окружности выступы, высота которых составляет 0,3 0,5 толщины уплотнительных колец, а коэффициент теплового расширения материалов штуцеров в 1,5 2,0 раза меньше, чем коэффциент теплового расширения прижимов, при этом уплотнительные кольца выполнены со слоем из материала повышенной по сравнению с материалом оболочки эластичного вытеснительного устройства пластичностью, расположенным со стороны торцевой поверхности штуцера.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6