СПОСОБ ТЕРМОСТАТИРОВАНИЯ ПРИБОРНОГО ОТСЕКА РАЗГОННОГО БЛОКА КОСМИЧЕСКОЙ ГОЛОВНОЙ ЧАСТИ РАКЕТЫ-НОСИТЕЛЯ И БОРТОВАЯ СИСТЕМА ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ (ВАРИАНТЫ)

Изобретение относится к ракетно-космической технике, а именно к бортовой системе термостатирования (БСТ) объектов космической головной части (КГЧ) ракеты-носителя (РН), и предназначено для термостатирования приборного отсека (ПО) разгонного блока (РБ) КГЧ, состоящей из последовательно соединенных и газодинамически взаимосвязанных блока полезного груза (БПГ) и разгонного блока (РБ), разделенных перегородкой, с размещенными в них полезным грузом (ПГ) и ПО, в период предстартовой подготовки РН.

Известен способ термостатирования объектов, например приборов системы управления, размещаемых в отсеке головного блока (ГБ) 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 [I].

Недостаток этого технического решения - не обеспечивает 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.

К тому же исключается использование способа для термостатирования ПО КГЧ, состоящей из системы газодинамически взаимосвязанных БПГ и РБ, поскольку не учитывают влияние нагретой в процессе работы приборов ПГ в БПГ ТС на тепловое нагружение ПО в РБ.

Известен способ термостатирования ПО КГЧ РН, состоящей из последовательно соединенных БПГ и РБ, разделенных перегородкой, с размещенными в них соответственно ПГ и ПО тороидальной формы, включающий вдув ТС в БПГ и одновременно в РБ, перетекание ТС по длине БПГ и РБ с последующим истечением из РБ [3].

При этом вдув ТС в БПГ и РБ и перетекание ТС из БПГ в РБ осуществляют в осевом направлении. Причем вдув ТС в БПГ и РБ осуществляют с расходом и температурой, также как и в аналоге, соответствующими температуре в наиболее теплонапряженных точках ПГ и ПО [2].

Приведенное техническое решение разработано по теме "Морской старт" и обеспечивает эксплуатационные тепловые режимы ПГ и ПО в период предстартовой подготовки КГЧ.

Техническое решение [3] принято авторами за прототип способа.

Недостаток этого технического решения заключается в том, что вдув ТС в БПГ и РБ и перетекание ее из БПГ в РБ осуществляют в параллельном оси симметрии КГЧ направлении, что приводит к излишнему тепловому нагружению ПО перетекаемой в РБ из БПГ ТС в процессе работы приборов ПГ в БПГ и также не обеспечивает оптимальные эксплуатационные температуры нагрева объектов вследствие вдува ТС в БПГ и РБ с расходом и температурой, соответствующими температуре в наиболее теплонапряженных точках ПГ и ПО.

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 также 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 КГЧ, состоящей из последовательно соединенных БПГ и РБ, разделенных перегородкой, с размещенными в них ПГ и ПО тороидальной формы [3].

Согласно этому техническому решению, БСТ содержит отверстия вдува ТС с клапанами, выполненные в оболочках БПГ и РБ, отверстия перетекания ТС с клапанами, выполненные в разделительной перегородке, 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 БПГ и выполненное в виде распылителя, и 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].

Техническое решение [3] разработано по теме «Морской старт», по сравнению с аналогом обеспечивает эксплуатационные тепловые режимы ПГ и ПО в период предстартовой подготовки КГЧ, 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 ПГ и ПО, размещенных в БПГ и РБ, что приводит к потере в массе ПГ, выводимого РН на орбиту искусственного спутника Земли (ОИСЗ).

Задачей изобретения является создание БСТ для КГЧ РН, состоящей из последовательно соединенных и газодинамически взаимосвязанных БПГ и РБ, разделенных перегородкой, с размещенными в них ПГ и ПО тороидальной формы, обеспечивающей требуемые для охлаждения ПО эксплуатационные тепловые режимы ПО в период предстартовой подготовки КГЧ, в условиях нагрева ПО от внутреннего (работа приборов ПО) и внешнего (работа приборов ПГ) источников нагрева с улучшенными эксплуатационными характеристиками.

Данная задача решается за счет того, что в способе термостатирования ПО РБ КГЧ РН, состоящей из последовательно соединенных БПГ и РБ, разделенных перегородкой, с размещенными в них ПГ и ПО тороидальной формы, включающем вдув ТС в БПГ и одновременно в РБ, ее перетекание из БПГ в РБ с последующим истечением из, по крайней мере, РБ, согласно изобретению, вдув ТС в РБ осуществляют со стороны его боковой поверхности симметрично и под углом к вертикальной плоскости, проходящей через плоскость симметрии ПО, совмещенную с плоскостью симметрии КГЧ, в тангенциальном к боковой поверхности ПО направлении, а перетекание ТС из БПГ в РБ осуществляют в направлении вдуваемой в РБ ТС, причем при вдуве и перетекании ТС с ПО снимается количество тепла, большее или равное количеству тепла, выделяемого в процессе эксплуатации ПО в период предстартовой подготовки КГЧ.

Данная задача решается (вариант 1) за счет того, что в БСТ ПО РБ КГЧ РН, состоящей из последовательно соединенных БПГ и РБ, разделенных перегородкой, с размещенными в них ПГ и ПО тороидальной формы, содержащей отверстия вдува ТС, выполненные в оболочках БПГ и РБ, отверстия перетекания ТС, выполненные в разделительной перегородке, устройства вдува ТС в БПГ и РБ, отверстия истечения ТС, выполненные, по крайней мере в оболочке РБ, клапаны одностороннего действия отверстий, шарнирно установленные в оболочках БПГ, РБ и перегородке, согласно изобретению, устройство вдува ТС в РБ выполнено в виде дозвукового диффузора с изогнутыми патрубками, по крайней мере двумя, при этом входное сечение диффузора сообщено с отверстием вдува, выполненным в оболочке РБ, а выходные сечения патрубков диффузора расположены в зазоре между ПО и оболочкой РБ симметрично плоскости симметрии КГЧ, проходящей через отверстие вдува ТС таким образом, что касательная к оси каждого патрубка диффузора в его выходном сечении направлена по касательной к поверхности ПО, причем клапаны отверстий перегородки установлены с возможностью открытия симметрично относительно этой же плоскости, а их шарниры закреплены к перегородке со стороны отверстия вдува так, что оси их поворота совпадают с радиальными к оси симметрии КГЧ направлениями.

Данная задача решается также (вариант 2) за счет того, что в БСТ ПО РБ КГЧ РН, состоящей из последовательно соединенных БПГ и РБ, разделенных перегородкой, с размещенными в них ПГ и ПО тороидальной формы, содержащей отверстия вдува ТС, выполненные в оболочках БПГ и РБ, устройства вдува ТС в БПГ и РБ, отверстия истечения ТС, выполненные, по крайней мере в оболочке РБ, клапаны одностороннего действия отверстий, шарнирно установленные в оболочках БПГ и РБ, согласно изобретению, устройство вдува ТС в РБ выполнено в виде дозвукового диффузора с изогнутыми патрубками, по крайней мере двумя, при этом входное сечение диффузора сообщено с отверстием вдува, выполненным в оболочке РБ, а выходные сечения патрубков диффузора расположены в зазоре между ПО и оболочкой РБ симметрично плоскости симметрии КГЧ, проходящей через отверстие вдува ТС таким образом, что касательная к оси каждого патрубка диффузора в его выходном сечении направлена по касательной к поверхности ПО, причем часть разделительной перегородки, по крайней мере ее центральная часть, выполнена из облегченного проницаемого материала.

Техническим результатом изобретения является уменьшение веса конструкции БСТ КГЧ РН за счет исключения в РБ раздаточного коллектора и магистрали подвода ТС к нему при улучшении теплообмена на поверхности ПО РБ в период предстартовой подготовки КГЧ.

Сущность изобретения иллюстрируется схемами и графиками, поясняющими работу БСТ КГЧ РН.

На фиг.1 и 2 приведены основные элементы БСТ КГЧ, выполненной соответственно в вариантах 1 и 2, с размещенными в КГЧ ПГ (условно показан в габаритах) и ПО тороидальной формы. БСТ показана с открытыми клапанами и присоединенными магистралями питания ТС ВСОТР.

На фиг.3 приведен фрагмент ПО РБ с диффузором, на фиг.4 приведен общий вид диффузора в изометрии.

На фиг.5 показана схема ориентации касательной к оси патрубка диффузора в одном из его выходных сечений относительно ПО.

На фиг.6 приведена схема сечений ПО РБ и дана их координатная привязка, а на фиг.7 и 8 приведены зависимости скорости V и температуры Т вблизи поверхности ПО от координаты ϕ в его сечениях.

На фиг.9 для вариантов 1 и 2 по сравнению с исходным вариантом (прототипом) приведены зависимости относительного количества тепла (далее - количества тепла) q, снимаемого с поверхности ПО, от температуры Т_по поверхности ПО при воздействии ТС.

На этих фигурах:

1 - блок полезного груза (БПГ);

2 - разгонный блок (РБ);

3 - перегородка;

4 - оболочка БПГ;

5 - оболочка РБ;

6 - полезный груз (ПГ);

7 - приборный отсек (ПО);

8, 9 - отверстия вдува;

10, 11 - клапаны отверстий вдува;

12 - отверстия перетекания;

13 - клапаны отверстий перетекания;

14, 15 - устройства вдува (УВ);

16 - отверстия истечения;

17 - клапаны отверстий истечения;

18 - входное сечение диффузора;

19 - выходные сечения патрубков диффузора;

20 - элемент разделительной перегородки;

21, 22 - магистрали питания ТС;

23 - агрегаты двигательной установки.

24 - ось симметрии;

25 - вертикальная плоскость;

26 - горизонтальная плоскость;

27 - касательная к оси патрубка в его выходном сечении;

28 - проекция касательной к оси патрубка в его выходном сечении на вертикальную плоскость;

29 - проекция касательной к оси патрубка в его выходном сечении на горизонтальную плоскость;

30 - оболочка ПО;

31 - приборы;

32 - шарниры клапанов.

БСТ, выполненная в вариантах 1 и 2 (фиг.1 и 2), КГЧ, состоящей из последовательно соединенных БПГ 1 и РБ 2, разделенных перегородкой 3 и размещенных в них соответственно ПГ 6 и ПО 7 тороидальной формы, содержит отверстия вдува 8, 9 ТС, выполненные в оболочке БПГ 4 и оболочке РБ 5, отверстия истечения 16 ТС, выполненные в оболочке РБ 5. Отверстия вдува 8, 9 снабжены клапанами отверстий вдува 10, 11, отверстия истечения 16 - клапанами отверстий истечения 17. Клапаны отверстий вдува 10, 11 и клапаны отверстий истечения 17 - одностороннего действия и выполнены в виде подпружиненных крышек, шарнирно соединенных соответственно с оболочкой БПГ 4 и оболочкой РБ 5.

БСТ содержит также УВ 14 в БПГ 1 и УВ 15 в РБ 2.

УВ 15 в РБ 2 выполнено в виде дозвукового диффузора с изогнутыми патрубками. Входное сечение диффузора 18 сообщено с отверстием вдува 9 оболочки РБ 5. Выходные сечения патрубков диффузора 19 установлены в зазоре между ПО 7 и оболочкой РБ 5 симметрично относительно вертикальной плоскости, проходящей через ось симметрии ПО 7 и ось симметрии отверстия вдува 9 ТС (фиг.1 и 2, узел I).

Выбор формы УВ 15 в виде дозвукового диффузора с расширяющимся каналом обусловлен необходимостью уменьшения скоростей ТС в выходных сечениях патрубков диффузора 19 до величин, при которых нагрузки на элементы теплозащиты 30 ПО 7 не превышают полетных.

Выполнение диффузора с криволинейными патрубками и его размещение в зазоре между ПО 7 и оболочкой РБ 5 в окрестности отверстия вдува 9 ТС (фиг.3) минимизирует размеры диффузора и предопределяет возможность обтекания ПО 7 ТС преимущественно в поперечном к оси симметрии КГЧ направлении.

Касательные к осям патрубков в его выходных сечениях 27 направлены по касательным к торовой поверхности ПО 7 и под заданным углом к вертикальной плоскости 25, проходящей через ось симметрии 24 ПО 7 и ось симметрии отверстия вдува 9 ТС, и совпадают с вектором скорости ТС в выходных сечениях патрубков диффузора 19. При этом проекция касательной на эту плоскость образует с осью симметрии 24 угол α, а ее проекция на горизонтальную плоскость 26 - угол γ (фиг.5).

БСТ, выполненная в варианте 1 (фиг.1), кроме того, содержит отверстия перетекания 12, выполненные в разделительной перегородке 3, снабженные клапанами отверстий перетекания 13. Клапаны отверстий перетекания 13 - одностороннего действия, выполнены в виде подпружиненных крышек и установлены симметрично относительно вертикальной плоскости, проходящей через ось симметрии ОТ и ось симметрии отверстия вдува 9 ТС, а их шарниры 32 закреплены к перегородке со стороны отверстия вдува так, что оси их поворота совпадают с радиальными к оси симметрии направлениями с возможностью открытия их симметрично относительно вертикальной плоскости, проходящей через ось симметрии ОТ и ось симметрии отверстия вдува 9 ТС (вид по стрелке А).

Тем самым клапаны в рабочем положении обеспечивают перетекание ТС, нагретой приборами ПГ 6, из БПГ 1 в РБ 2 в направлении вдува ТС в РБ 2.

В БСТ, выполненной в варианте 2 (фиг.2), отверстия перетекания 12 разделительной перегородки 3 с клапанами отверстий перетекания 13 исключают, а часть разделительной перегородки, по крайней мере центральный элемент разделительной перегородки 20, выполняют из облегченного проницаемого материала (вид по стрелке А), например парашютной ткани.

Тем самым, также, как и в варианте 1, благодаря эжектирующему свойству вдуваемой диффузором ТС обеспечивают изменение направления перетекаемой в РБ 2 и нагретой приборами ПГ 6 в БПГ 1 среды в направлении вдува ТС в РБ 2.

Таким образом, для вариантов 1 и 2 БСТ за счет исключения раздаточного коллектора и магистрали подвода ТС к коллектору (прототип) в РБ 2 уменьшают вес конструкции БСТ, а для варианта 2, кроме того, - также за счет снижения веса перегородки.

Термостатирование ПО 7 осуществляют следующим образом.

В течение времени предстартовой подготовки КГЧ РН, при котором осуществляют проверку работы аппаратуры ПГ 6 и ПО 7 РБ, происходит нагрев этих объектов. Для обеспечения допустимого нагрева объектов реализуют вдув ТС с эксплуатационными расходами через отверстия вдува 8 и 9 ТС в БПГ 1 и РБ 2. При этом предварительно открывают подпружиненные клапаны отверстий вдува 10 и 11 и сообщают отверстия вдува 8 и 9 с магистралями питания ТС 21, 22.

Через зазоры в БПГ 1 ТС перетекает к отверстиям перетекания 12 разделительной перегородки 3 с клапанами отверстий перетекания 13 (вариант 1) либо к разделительной перегородке 3, элемент 20 которой выполнен из облегченного проницаемого материала (вариант 2). Под действием перепада давлений в БПГ 1 и РБ 2 ТС, нагретая в процессе работы приборов ПГ 6 в БПГ 1, перетекает в РБ 2 и изменяет направление течения в нем.

Для реализации поставленной задачи вдув ТС в РБ 2 осуществляют в тангенциальном к поверхности ПО 7 направлении с растеканием ТС по ее поверхности, а перетекание ТС из БПГ 1 в РБ 2 через перегородку 3 осуществляют с изменением направления ее течения в сторону течения вдуваемой диффузором в РБ2 ТС (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 7 с требуемой скоростью V и температурой Т вблизи его поверхности, обеспечивающих охлаждение поверхности ПО 7.

В варианте 1 изменение направления течения перетекаемой ТС достигается тем, что шарниры клапанов 32 отверстий перетекания 13 закреплены к перегородке 3 со стороны отверстия вдува 9 так, что оси их поворота совпадают с радиальными к оси симметрии направлениями. Это дает возможность открытия их симметрично относительно вертикальной плоскости, проходящей через ось симметрии ПО 7 и ось симметрии отверстия вдува 9 ТС (фиг.1).

В варианте 2 изменение направления течения перетекаемой ТС достигается за счет уменьшения скорости перетекания ТС через элемент разделительной перегородки 20, выполненный из облегченного проницаемого материала, что способствует эжекции перетекаемой ТС в направлении вдуваемой в РБ 2 диффузором ТС (фиг.2).

Далее через зазор между оболочкой РБ 2 и ПО 7 и агрегатами двигательной установки 23 ТС перетекает к отверстиям истечения 16 в оболочке РБ 5, выполненными вблизи основания РБ 2, через которые стравливается в атмосферу, преодолевая сопротивление подпружиненных клапанов отверстий истечения 17.

Проведенный математический анализ показал, что основная масса ТС, вдуваемая диффузором и охлаждающая ПО 7, обтекает преимущественно верхнюю и внутреннюю часть торовой поверхности ПО 7 и оттесняет более вялую, потерявшую часть кинетической энергии и нагретую приборами ПГ 6 в БПГ 1 ТС в направлении вдуваемой в РБ 2 ТС. Частично перемешивается с ней, и через зазоры с оболочкой РБ 2 и агрегатами двигательной установки 23 перетекает к отверстиям истечения 16 ТС. Другая часть вдуваемой диффузором ТС, обтекая боковую и нижнюю торовую поверхность ПО 7, также перетекает через зазоры к основанию РБ 2. Здесь ТС перемешивается с основной ее массой и истекает наружу через отверстия истечения 16.

Перед стартом РН термостатирование ПГ 6 и ПО 7 КГЧ прекращают. Магистрали питания ТС 21, 22 отводят. Подпружиненные клапаны отверстий вдува 10 и 11 и клапаны отверстий истечения 17 перекрывают отверстия вдува 8, 9 и отверстия истечения 16. Отверстия перетекания 12 разделительной перегородки 3 с клапанами отверстий перетекания 13 начинают работать в режиме обеспечения эксплуатационных в замкнутых объемах КГЧ давлений на активном участке.

Критерием эффективности термостатирования ПО 7 является количество тепла q, снимаемого с поверхности оболочки ПО 30 от температуры ее поверхности Т_по по сравнению с количеством тепла q_вн, выделяемого в процессе работы его приборов: q >

q_вн.

Количество тепла q, снимаемого с поверхности оболочки ПО 30, является функцией скорости V и температуры Т на поверхности ПО 7 и может быть определено по известной методике [5] с точностью до размерного коэффициента [6] по результатам анализа V и Т на поверхности ПО 7 по формуле

q=K·K₁·V^0,5·(T_от-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;

Т_от - температура поверхности объекта;

S - площадь поверхности объекта;

К - размерный коэффициент;

K₁ - коэффициент теплового сопротивления теплоизоляции объекта.

Количество тепла, выделяемого в процессе работы приборов объекта q_вн, определяют по известному из паспортных данных потреблению электроэнергии приборами 31, размещенными в ПО 7.

На фиг.7 и 8 для варианта 1 иллюстрируется изменение V и Т в сечениях ПО 7 (фиг.6), полученное по результатам математического моделирования обтекания ПО 7 при ориентации вектора скорости ТС в выходном сечении патрубка, соответствующим углам α=30° и γ=45° (фиг.5).

Из фиг.7 видно, что вдув ТС именно в тангенциальном к поверхности ПО 7 направлении обеспечивает достаточно равномерное (с требуемой точностью) изменение скоростей (V=2÷10 м/сек) обтекания поверхности ПО 7, а из фиг.8 следует, что при этом обеспечивается и достаточно равномерная температура Т ТС вблизи его поверхности (Т=12,5÷13,5°).

На фиг.9 приведены зависимости количества тепла q, снимаемого с поверхности ПО 7, от температуры поверхности Т_по для заданных параметров ТС на входе в БПГ 1 и РБ 2, одинаковых с прототипом, при определении которых использовались данные, приведенные на фиг.7 и 8, где

q₁, q₂ - соответственно для вариантов 1 и 2;

q₃ - для прототипа (вариант с коллектором).

Из сопоставления этих зависимостей следует, что для вариантов 1 и 2 при заданном q_вн обеспечивается более интенсивное охлаждение поверхности ПО 7 по сравнению с прототипом (T_по1<Т_по2<Т_по3).

Математическое моделирование обтекания ПО 7 показало также, что достигнутый результат обеспечивается при изменении углов α, лежащих в диапазоне, по крайней мере, от 30 до 60° при угле γ=45°.

Таким образом, улучшают теплообмен на поверхности ПО 7, осуществляя его более интенсивное охлаждение, что приводит наряду с уменьшением веса конструкции БСТ к выполнению поставленной задачи - созданию БСТ КГЧ РН с улучшеннными эксплуатационными характеристиками.

Проведенный анализ термостатирования ПО КГЧ показал, что при вдуве ТС в БПГ и РБ со штатньми расходами и температурой ТС на входе в БПГ и РБ обеспечивается эксплуатационная температура нагрева ПО, меньшая по сравнению с прототипом (Т_по<20°С), в режиме всего периода (5-10 час) предстартовой подготовки КГЧ (фиг.9). При этом за счет исключения магистрали подвода и раздаточного коллектора ТС в РБ обеспечивается увеличение веса ПГ, выводимого РН на ОИСЗ, на ˜15 и ˜ 20 кг соответственно для варианта 1 и 2.

В настоящее время техническое предложение проработано для реализации на КГЧ по теме "Морской старт".

Литература

1. Космодром. Под ред. проф. А.П.Вольского, ВИ МО СССР, М., 1977, стр.210-212.

2. Там же, стр.204.

3. Руководство пользователя, SEA LAVNCH, March 26, 1966, Д688-10009-1, стр.5-2, 5-3, фиг.5.2.3-1.

4. Космодром. Под ред. проф. А.П.Вольского, ВИ МО СССР, М., 1977, стр.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, стр.309.