×
11.07.2020
220.018.3194

СПОСОБ СПУСКА ОТДЕЛЯЮЩЕЙСЯ ЧАСТИ СТУПЕНИ РАКЕТЫ-НОСИТЕЛЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Вид РИД

Изобретение

Юридическая информация Свернуть Развернуть
Краткое описание РИД Свернуть Развернуть
Аннотация: Группа изобретений относится к ракетам-носителям (РН) с жидкостными ракетными двигателями (ЖРД). Способ спуска отделяющейся части (ОЧ) ступени РН основан на ориентации и стабилизации положения ОЧ двигательной установкой вперед, приложении управляющих моментов путём сброса продуктов газификации из баков через газореактивные сопла (ГРС), и вдувом газа в погранслой на боковую поверхность ОЧ. На внеатмосферном участке траектории спуска ОЧ и в разреженных слоях атмосферы управление угловым движением ОЧ осуществляют с помощью ГРС. В процессе спуска ОЧ непрерывно сравнивают управляющие моменты в каналах угловой стабилизации тангажа и рыскания ОЧ, рассчитанные за счёт изменения параметров погранслоя и газореактивной системы при одинаковых массовых секундных расходах с учётом фактических параметров движения. При превышении управляющих моментов за счёт изменения параметров погранслоя управление в каналах стабилизации тангажа и рыскания ОЧ, осуществляют системой вдува газа (СВГ) в погранслой ОЧ, для управления в канале крена используют ГРС. В устройстве для осуществления способа в каналах тангажа и рыскания установлены СВГ в погранслой, соединённые через регулируемые клапаны с магистралями подачи с шар-баллонами газа наддува. Технический результат – повышение эффективности спуска ОЧ. 2 н.п. ф-лы, 3 ил.
Реферат Свернуть Развернуть

Группа изобретений относятся к ракетно-космической технике, преимущественно к ракетам-носителям (РН) с жидкостными ракетными двигателями (ЖРД) и может быть использована при реализации манёвров спуска отделяющихся частей (ОЧ) верхних ступеней РН с орбит и ОЧ нижних ступеней с траекторий выведения.

Известна группа изобретений «Способ спуска ОЧ ступени РН и устройство для его реализации» по патенту РФ № 2581894 (МПК В64G 1/26, B64 15/14, от 10.02.2016), которая предусматривает стабилизацию ОЧ положением двигательной установкой вперед, ориентацию и управляемое движение ОЧ центра масс и вокруг центра масс ОЧ.

Наиболее близким техническим решением является группа изобретений «Способ спуска ОЧ ступени РН и устройство для его реализации» по патенту РФ № 2621771 МПК В64G 1/26, основанная на стабилизации и ориентации ОЧ за счет энергетики невыработанных остатков жидких компонентов ракетного топлива на основе подачи в топливные баки теплоносителя и получения парогазовой смеси (ПГС), представляющей собой смесь газа наддува (например,гелий) + испарившийся компонент топлива + газы теплоносителя, и подачи ПГС в сопла сброса газореактивной системы (ГРС) и их ввода в погранслой.

Координаты точки, направление ввода и массовый секундный расход ПГС через систему ввода в погранслой определяют из условия формирования максимального суммарного управляющего воздействия, реализуемого управляющими соплами ГРС и соплами системы ввода газа в погранслой ОЧ.

В устройстве для осуществления способа в ОЧ введены сопла ГРС и сопла ввода ПГС в погранслой для каждого бака, соединенные магистралями с регулируемыми клапанам.

К недостаткам этого технического решения относятся:

– использование ввода ПГС в погранслой на внеатмосферном участке траектории спуска ОЧ, когда это не эффективно, т.к. отсутствует набегающий поток воздуха.

– при наличии набегающего динамического потока, направленного на сопло, например, при больших углах атаки давление на срезе сопла ГРС увеличивается, создавая эффект «запирания» сопла за счёт противодавления и, соответственно, уменьшая тягу сопла; для сохранения тяги сопла на прежнем уровне необходимо увеличение, скорости ПГС, массового секундного расхода ПГС, т.е. эффективность ГРС снижается;

– нет разделения участков функционирования ГРС и ввода газа в погранслой;

– использование ввода газа в погранслой для канала вращения затруднительно и малоэффективно;

– наиболее эффективный газ для ввода в погранслой является гелий, а не ПГС, т.к. гелий — это самый лёгкий газ;

– газ гелий используется в системе наддува баков современных РН, и после выключения маршевого ЖРД в шар-баллонах остаётся гелия от начальной заправки до 30% и выше.

Целью предлагаемого технического решения является повышение эффективности способа спуска ОЧ, которое достигается тем, что в известном способе спуска ОЧ ступени РН, основанном на ориентации и стабилизации ОЧ положением двигательной установкой по вектору скорости полёта ОЧ, величины управляющих перед пуском РН определяют эффективности управляющих моментов, реализуемых на основе реактивной силы ГРС и изменения параметров погранслоя за счёт ввода газа, вводят следующие действия:

а) на внеатмосферном участке траектории спуска ОЧ и разреженных слоях атмосферы управление угловым движением ОЧ осуществляют с помощью ГРС,

б) в процессе спуска ОЧ непрерывно сравнивают управляющие моменты в каналах угловой стабилизации тангажа и рыскания ОЧ, рассчитанные за счёт изменения параметров погранслоя и газореактивной системы при одинаковых массовых секундных расходах с учётом фактических параметров движения,

в) при превышении управляющих моментов за счёт изменения параметров погранслоя управление в каналах стабилизации тангажа и рыскания ОЧ осуществляют системой вдува газа (СВГ) в погранслой ОЧ, например, гелия, а для управления в канале крена используют ГРС.

В качестве прототипа устройства, реализующего предлагаемый способ, предлагается устройство прототипа «Способ спуска ОЧ ступени РН и устройство для его реализации» по патенту РФ № 2621771 МПК В64G 1/26.

Отделяющаяся часть ракеты-носителя, содержащая систему управления и навигации, систему газификации, управляющие органы газореактивной системы в каналах тангажа, рыскания и вращения, систему ввода газа в погранслой, согласно заявляемому техническому решению в каналах тангажа и рыскания установлены системы ввода газа в погранслой, соединённые через регулируемые клапаны с магистралями подачи с шар-баллонами газа наддува, конфигурация и размер системы вдува газа, например, в виде прямоугольной щели, массовый секундный расход, а также координаты установки системы определяют из условия формирования необходимых управляющих моментов в каналах тангажа и рыскания.

Реализация способа и устройства

На фиг. 1–3 приведены дополнительные материалы, поясняющие сущность предлагаемых решений на примере плоской прямоугольной пластины.

На фиг. 1 – схема ОЧ с ГРС и СВП, на которой 1 – маршевый ЖРД; 2 – бак окислителя (О); 3 – бак горючего (Г); 4 – ёмкость перекиси водорода (ПВ) с мембранной системой подачи; 5, 6 – шар-баллоны (ШБ) с гелием; 7, 8 – управляемые клапаны сброса ПГС из баков О, Г в газореактивные сопла 17,18 и в систему вдува газа в пограничный слой по магистралям 9 и 10; 11 – управляемый клапан на магистрали 12 для сброса гелия из ШБ 6 в сопла ГРС 17, 18 и СВГ 13, 14; 15, 16 – управляемые клапана СВГ; 19– сопла ГРС по крену.

На фиг. 2 – схема размещения ГРС и СВГ на примере плоской пластины, на которой Sмид – площадь миделевого сечения, Xцд – расстояние до центра давления, XL – длина пластины, XГРС – расстояние от сопла ГРС до центра давления, α – угол атаки, V – скорость набегающего потока.

На фиг. 3 – график изменения управляющих моментов от газореактивной системы (эффект запирания ГРС) и системы ввода газа в погранслой для плоской пластины при нулевом угле атаки на различных высотах.

Исходные данные для примера:

– размеры пластины: 100 x 100 x 3 мм, материал АМг – 6;

– параметры обтекания: скорость обтекания 200 – 50 м/с шагом 50 м/с, в диапазоне высот 15 – 5 км с шагом 5 км;

– газ обтекания гелий (температура 80К) и ПГС с параметрами (указать состав);

– начальная температура пластины 320 К;

– массовый расход газа 40 г/с;

– массовая скорость ввода газа в погранслой соответствует управляющему моменту 0,01 кг*м (при разных скоростях, углах атаки, взять высоту 10 км)

– углы атаки 0 градусов;

– центр тяжести пластины совпадает с центом давления.

– исходная тяга сопла ГРС при сбросе парогазовой смеси (указать состав), установленного на конце пластины 0,01 кг*м

– параметры парогазовой смеси ПГС: температура 300 К, массовая доля кислорода 90%, массовая доля паров воды 6.7%, массовая доля гелия 3.3%.

Реализация способа на основе анализа каждого введённого действия, в формулу изобретения:

а) на внеатмосферном участке траектории спуска ОЧ и разреженных слоях атмосферы управление угловым движением ОЧ осуществляют с помощью ГРС.

- реактивный управляющий момент, например, в канале тангажа, реализуемый камерой ГРС, определяется по формуле [кн. 1 А.П. Васильев, В.М. Кудрявцев и др. Основы теории и расчёта жидкостных ракетных двигателей / Учеб. для авиац. спец. вузов. - 4-е изд., перераб. и доп. - М.: Высш. шк., 1993 - 383 с.]:

(1)

где,

,, , ,, - массовый секундных расход продуктов сгорания через сопло ГРС, скорость истечения продуктов из сопел, давление в камере сгорания, внешнее атмосферное давление, динамическое давление атмосферы и площадь среза сопла ГРС соответственно,

, - координаты точек приложения тяги камеры ГРС.

Расчет скорости истечения газа из сопла осуществляется по формуле [кн. 2 Г. П. Синярев, М. В. Добровольский, Жидкостные ракетные двигатели, 1955 – 489 с, стр. 99, формула (3.70)]:

(2)

где,

, , , , - ускорение свободного падения, коэффициент адиабаты газа, давление в камере, плотность газа, давление на срезе сопла соответственно.

В кн. 2 перепад давлений в формуле (3) изменяется в пределах 0,02ч0,075.

б) в процессе спуска ОЧ непрерывно сравнивают управляющие моменты в каналах угловой стабилизации тангажа и рыскания ОЧ, рассчитанные за счёт изменения параметров погранслоя ОЧ и газореактивной системы при одинаковых массовых секундных расходах с учётом фактических параметров движения ОЧ:

Управляющий момент ГРС рассчитывается по формулам (1), (2).

Управляющий момент СВГ рассчитывался с использованием пакетного решателя ANSYS Fluent. В качестве математических моделей были выбраны математические модели энергии, вязкости и многофазности. Также был выбран метод сопряжения давления и скорости по схеме Simple [www.ansys.com/academic] и для примера пластины с постоянным шагом в одномерной постановке определялся по формуле:

(3)

где,

- давление, рассчитываемое в ANSYS; - параметры, входящие в уравнения Навье-Стокса, такие как плотность, скорость набегающего потока, температура и т. д.;

l - длина пластины;

- постоянный шаг по длине пластины.

в) при превышении управляющих моментов за счёт изменения параметров погранслоя управление в каналах стабилизации тангажа и рыскания ОЧ осуществляют системой вдува газа (СВГ) в погранслой ОЧ, например, гелия, а для управления в канале крена используют ГРС:

Сравниваются управляющие моменты ПГС и СВГ по формулам (1) и (3). Из-за сложности реализации управляющего момента в канале крена предлагается использовать управление с помощью ГРС.

Как следует из результатов, приведенных на фиг. 3, где в качестве примера рассматривалась пластина (фиг. 2) вместо ОЧ (фиг. 1), с увеличением высоты плотность атмосферы падает и скоростной напор уменьшается до нуля, что улучшает работу ГРС. Со снижением высоты управляющий момент ГРС уменьшается из-за повышения плотности атмосферы и скоростного напора, а при высотах ниже 10 км ГРС происходит эффект запирания. На таких высотах целесообразней использовать управляющий момент от СВГ.

По результатам, приведенным на фиг. 3, видно, что для СВГ целесообразней использовать газ гелий, в отличии от ПГС, что обусловлено отличием теплофизических и физико-химических свойств ПГС и гелия.

Таким образом, предлагаемая группа изобретений позволяет эффективно использовать жидкие остатки топлива в баках, предварительно переведя их в парогазовую смесь, и остатки газа наддува, находящиеся в шар-баллонах, для управляемого спуска ОЧ.

Данное техническое решение создано в рамках выполнения научно-исследовательских работ по Заданию Минобрнауки от 31.05.2017 № 9.1023.2017/ПЧ.


СПОСОБ СПУСКА ОТДЕЛЯЮЩЕЙСЯ ЧАСТИ СТУПЕНИ РАКЕТЫ-НОСИТЕЛЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
СПОСОБ СПУСКА ОТДЕЛЯЮЩЕЙСЯ ЧАСТИ СТУПЕНИ РАКЕТЫ-НОСИТЕЛЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
СПОСОБ СПУСКА ОТДЕЛЯЮЩЕЙСЯ ЧАСТИ СТУПЕНИ РАКЕТЫ-НОСИТЕЛЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
Источник поступления информации: Роспатент

Показаны записи 1-10 из 41.
02.10.2019
№219.017.cde5

Датчик микропримесей аммиака

Изобретение относится к области газового анализа, в частности к детектирующим устройствам, применяемым для регистрации и измерения содержания микропримесей аммиака, и может быть использовано для экологического мониторинга. Датчик содержит полупроводниковое основание и подложку....
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002700035
Дата охранного документа: 12.09.2019
26.10.2019
№219.017.dadc

Устройство защиты обмоток однофазного трансформатора от электрических повреждений

Использование: в области электроэнергетики для защиты трансформаторов от замыканий в его обмотках. Технический результат - повышение надежности функционирования устройства защиты обмоток однофазного трансформатора от электрических повреждений за счет снижения зависимости его чувствительности...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002704127
Дата охранного документа: 24.10.2019
29.11.2019
№219.017.e826

Способ изготовления изделий из композиционных материалов

Изобретение относится к способу изготовления изделий из композиционных материалов с наполнителями и может быть использовано при производстве и изготовлении изделий из композиционных материалов посредством прессования. Прессование проводится в закрытой пресс-форме при непрерывном воздействии на...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002707361
Дата охранного документа: 26.11.2019
01.12.2019
№219.017.e97c

Линейная магнитоэлектрическая машина

Изобретение относится к области электротехники. Технический результат – увеличение электромагнитного усилия. Линейная магнитоэлектрическая машина содержит неподвижный статор в виде броневого сердечника, подвижный якорь и постоянные магниты якоря. Подвижный якорь выполнен призматической формы...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002707559
Дата охранного документа: 28.11.2019
19.12.2019
№219.017.ef44

Способ газификации невырабатываемых остатков жидкого кислорода и керосина в баках ступени ракеты-носителя и устройство для его реализации

Изобретение относится к ракетно-космической технике. Способ газификации невырабатываемых остатков жидкого кислорода и керосина предусматривает подачу источника тепловой энергии из отдельной ёмкости (8) в баки (2, 3) с остатками компонентов топлива в жидкой (4, 5) и газообразной фазах, газа...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002709291
Дата охранного документа: 17.12.2019
29.12.2019
№219.017.f3fd

Полупроводниковый газовый датчик микропримесей кислорода

Изобретение относится к области газового анализа, в частности к детектирующим устройствам, применяемым для регистрации и измерения содержания микропримесей кислорода. Изобретение может быть использовано для экологического мониторинга. Техническим результатом изобретения является повышение...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002710523
Дата охранного документа: 26.12.2019
04.02.2020
№220.017.fd46

Комбинированная виброизолирующая опора

Комбинированная виброизолирующая опора содержит резинокордные оболочки (РКО) пассивной и активной систем виброизоляции. Верхняя и нижняя РКО активной системы виброизоляции вместе с опорной площадкой, кронштейнами и реверсором установлены внутри РКО пассивной системы. Достигается компактность...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002712724
Дата охранного документа: 30.01.2020
06.02.2020
№220.017.ff8e

Способ защиты однофазного печного трансформатора с короткой сетью в виде группы шин от электрических повреждений

Использование: в области электроэнергетики для защиты печных трансформаторов с короткой сетью в виде группы шин от витковых замыканий в первичной обмотке трансформатора, а также коротких замыканий и обрывов в цепи шин короткой сети. Технический результат – расширение функциональных возможностей...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002713204
Дата охранного документа: 04.02.2020
13.03.2020
№220.018.0b91

Способ упрочнения твердосплавного инструмента

Изобретение относится к упрочнению твердосплавного лезвийного инструмента. Осуществляют предварительное покрытие наружных поверхностей лезвийного инструмента термоизоляционным слоем толщиной от 10 до 20 мкм. Осуществляют нагрев лезвийного инструмента до температуры 900-1000°С. Производят...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002716329
Дата охранного документа: 11.03.2020
02.04.2020
№220.018.12af

Гидропневматический диод с закольцованным движением рабочей среды

Изобретение относится к резисторным струйным диодам и может найти применение в струйной гидро- и пневмотехнике. Гидропневматический диод содержит корпус (1) с прямоточным каналом (2) прямоугольного сечения для прохода жидкой или газообразной среды, в котором установлены друг против друга...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002718196
Дата охранного документа: 31.03.2020
Показаны записи 1-10 из 49.
10.02.2013
№216.012.2462

Способ моделирования процесса газификации остатков жидкого ракетного топлива и устройство для его реализации

Изобретения относятся к области исследования материалов и м.б. использованы при физическом моделировании процессов газификации остатков жидкого топлива в баках отделяющихся частей ступеней ракет-носителей (РН). Моделирование осуществляют с помощью экспериментальной установки путем введения в...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002474816
Дата охранного документа: 10.02.2013
20.02.2013
№216.012.26b5

Способ спуска отделяющейся части ступени ракеты космического назначения

Изобретение относится к ракетно-космической технике и может быть использовано для программного смещения координат точек падения отделяющихся частей (ОЧ) ступеней ракет космического назначения. Программу управления работой газовых ракетных двигателей и движением ОЧ ступеней ракет космического...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002475429
Дата охранного документа: 20.02.2013
20.02.2013
№216.012.27eb

Способ моделирования процесса газификации остатков жидкого ракетного топлива и устройство для его реализации

Изобретения относятся к физическому моделированию, в земных или натурных условиях, процессов в топливных баках отделяющихся ступеней ракет-носителей в условиях малой гравитации. Способ основан на введении в поток теплоносителя (ТН) микрочастиц пористых керамических элементов. Моделирование...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002475739
Дата охранного документа: 20.02.2013
20.05.2013
№216.012.4050

Способ увода отделяющейся части ракеты-носителя с орбиты полезной нагрузки и устройство для его реализации

Изобретение относится к ракетно-космической технике, в частности к ракетам космического назначения (РКН) с жидкостными ракетными двигателями (ЖРД). Газовый ракетный двигатель (ГРД) предназначен для увода отделяющейса части (ОЧ) РКН с орбиты полезной нагрузки. ГРД обеспечивает вращение вокруг...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002482034
Дата охранного документа: 20.05.2013
27.07.2013
№216.012.5a33

Способ организации рабочего процесса в космической двигательной установке на газообразном топливе

Изобретение относится к области ракетной техники, а именно к организации процесса подготовки и сжигания газообразного топлива в камере сгорания. Предварительно газифицированные компоненты топлива, газообразный гелий из системы вытеснения и порошок алюминия подаются в форкамеру для смешения....
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002488712
Дата охранного документа: 27.07.2013
20.08.2013
№216.012.5fe7

Стыковочное устройство космических аппаратов

Изобретение относится к ракетно-космической технике. Стыковочное устройство космических аппаратов содержит активный агрегат, в центре которого установлен стыковочный механизм, и пассивный агрегат с ответным приемным конусом, который заканчивается гнездом. Приемным конусом служит сопло маршевого...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002490183
Дата охранного документа: 20.08.2013
20.09.2013
№216.012.6c73

Способ моделирования процесса газификации остатков жидкого компонента ракетного топлива в условиях пониженного давления и устройство для его реализации

Изобретение относится к ракетно-космической технике. Способ моделирования процесса газификации остатков жидкого компонента ракетного топлива в баках отделяющихся частей ступени ракет-носителей, основанном на введении в экспериментальную установку теплоносителя, обеспечении условий...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002493414
Дата охранного документа: 20.09.2013
10.02.2014
№216.012.9e32

Способ спуска отделяющейся части ступени ракеты космического назначения и устройство для его осуществления

Изобретение относится к ракетно-космической технике и может быть использовано для спуска отделяющихся частей (ОЧ) ракет космического назначения (РКН) с орбит полезных нагрузок. ОЧ РКН содержит топливный отсек, силовой отсек с днищами. На верхнем днище установлены поворотные камеры газового...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002506206
Дата охранного документа: 10.02.2014
10.06.2014
№216.012.cbfe

Способ реализации тяги ракетного двигателя

Изобретение относится к ракетно-космической технике и может быть использовано для отделяющихся частей (ОЧ) ступеней ракет космического назначения (РКН) для увода на орбиты утилизации или в указанные районы падения. Способ реализации тяги ракетного двигателя, основанный на газификации жидких...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002517993
Дата охранного документа: 10.06.2014
10.06.2014
№216.012.cf9b

Способ увода отделившейся части ступени ракеты-носителя с орбиты полезной нагрузки и устройство для его реализации

Изобретение относится к ракетно-космической технике с жидкостными ракетными двигателями (ЖРД), разгонным блокам и могут быть использованы при запуске двигательных установок (ДУ), когда остатки запасов жидкого топлива малы и не превышают 3% от начальной заправки. В способе увода отделяющейся...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002518918
Дата охранного документа: 10.06.2014
+ добавить свой РИД