Вид РИД
Изобретение
Группа изобретений относится к ракетно-космической технике и может быть использована при спуске ускорителя ступени (УС) ракеты-носителя (РН) с жидкостным ракетным двигателем (ЖРД), например, для двухступенчатой РН, как нижнего ускорителя ступени (УСн), верхнего ускорителя ступени (УСв), а также связки «УСн + УСв» в случае аварийного выключения ЖРД на участке выведения РН.
Известны технические решения на основе многоразовых УСн, которые в частных случаях могут решать задачи спуска отделившихся УС в аварийных ситуациях, см., например, [1] G. Webb, K. Milyayev, O. Sokolov A comparative assessment of various methods for recovering reusable lower stages// 67th International Astronautical Congress, Guadalajara, Mexico. 2016. IAC-16-D2-6-5.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является группа изобретений по способу спуска отделяющейся части ступени РН и устройство для его реализации по патенту РФ №2581894, МПК В64G 1/26, В64C 15/14, основанный на стабилизации отделяющейся части (ОЧ) в статически устойчивом положении, использовании энергетики, заключенной в невыработанных остатках жидких компонентов ракетного топлива на основе их газификации, обеспечении углового положения в пространстве, соответствующего минимальному углу атаки при входе ее в плотные слои атмосферы, отличающийся тем, что после отделения ОЧ управление спуском в заданный район падения осуществляют на атмосферном участке траектории спуска ОЧ за счет аэродинамического маневра, при этом управление движением центра масс и вокруг центра масс ОЧ осуществляют путем раздельного сброса продуктов газификации из баков горючего и окислителя через регулируемые сопла газореактивной системы, после завершения маневра осуществляют безмоментный сброс оставшихся продуктов газификации из баков через сопла сброса газореактивной системы.
Отделяющаяся часть ракеты космического назначения, включающая в свой состав систему управления и навигации, топливный отсек, систему газификации жидких остатков топлива, в плоскостях стабилизации тангажа, рыскания, крена на максимальном удалении от центра масс установлены по 2 сопла сброса противоположно друг другу, соединенные магистралями подачи продуктов газификации через пиромембраны, регулируемые клапана с соответствующими баками.
К основному недостатку этого технического решения относится не учёт возможности аварийного выключения двигателя (АВД), которая в дальнейшем обозначается для участка выведения нижней ступени АВДн и АВДв для верхней ступени. В общем случае, когда речь идёт об обоих участках выведения используется сокращение АВДн,в. В процессе полёта отделяющейся части1, которая в дальнейшем обозначается как УСн, УСв, а в общем случае УСн и/или УСв, что может привести к неуправляемому падению УСн и/или УСв со значительными массами невыработанного жидкого ракетного топлива на поверхность Земли по трассе пуска РН и, соответственно, к значительному экологическому ущербу (1 к понятию отделяющейся части РН кроме отработавших ускорителей ступеней относятся створки головного обтекателя, хвостовые и межступенные отсеки).
Техническим результатом предлагаемого технического решения является значительное снижение техногенного воздействия на окружающую среду при аварийном выключении ЖРД в процессе выведения РН.
Указанный технический результат достигается за счет того, что в известный способ спуска УС с ЖРД в заданный район падения, основанный на стабилизации УС при движении по траектории спуска и использовании энергетики, заключенной в невыработанных остатках жидких компонентов ракетного топлива на основе их газификации, после отделения УС управление движением при спуске УС в район падения за счёт сброса продуктов газификации из баков горючего и окислителя через регулируемые газореактивные сопла (ГРС), предлагается внести следующие действия:
1) перед пуском РН рассчитывают варианты программы управления функционированием бортовых систем и движением УСн и/или УСв, в том числе:
1а) участки на штатной траектории выведения РН, где возможны аварийные выключения ЖРД ускорителей нижней или верхней ступени (АВДн,в),
1б) соответствующие возможные множества районов падения по трассе пуска с минимальным экологическим ущербом,
1в) программы управления движением УСн и/или УСв при спуске для каждого участка траектории выведения РН, в которой произошло АВДн,в, в соответствующие районы падения ,
1г) выбирают тягу сопел ГРС для каждого канала стабилизации в каждом баке УСн и/или УСв из условий программы управления функционированием и управления движением, количества топлива в баках, прочности топливного бака, нагруженного давлением поступающих газов теплоносителя, газом наддува, паров компонента топлива, с учётом внешних теплопритоков;
2) при движении РН по траектории выведения при прохождении команды на АВДн,в определяют соответствующий расчётный вариант программы функционирования бортовых систем и управления движением УСн и/или УСв,
3) принудительно закрывают штатные дренажные клапаны в баках УСн и/или УСв,
4) запускают системы газификации в баках УСн и/или УСв и осуществляют функционирование бортовых систем и управление движением УСн и/или УСв по аварийной программе, соответствующей конкретному интервалу траектории выведения, на котором произошло АВДн,в,
5) при достижении УСн и/или УСв высоты порядка 5 км, осуществляют управляемое вскрытие топливных баков УСн, УСв путём повышения величины давления наддува в каждом из топливных баках до разрушающего значения.
Устройство для реализации предлагаемого способа
В качестве прототипа принимается устройство по патенту РФ №2581894, МПК В64G 1/26, В64C 15/14, в состав которого входят система управления и навигации, топливный отсек, система газификации жидких остатков топлива, ГРС продуктов газификации в каждом топливном баке для каждого канала стабилизации.
Ускоритель ступени РН для реализации предлагаемого способа, включающий в свой состав систему управления и навигации, топливный отсек, систему газификации жидких остатков топлива, газореактивные сопла, установленные в плоскостях стабилизации в каждом топливном баке, согласно заявляемому изобретению в состав УС вводят электрическую связь между системами управления УСн и УСв, систему принудительного закрытия дренажных клапанов в каждом баке.
Для пояснения действий способа приведены следующие иллюстрации.
На фиг. 1 приведены возможные интервалы на участках выведения первой ступени РН (t0; tI-II) – АВДн: tI,1, tI,k и второй ступени РН (tI-II; tII,n) – АВДв: tII,k, tII,n-1 с соответствующими аварийными районами падения SI,1, SII,1, SII,k.
На фиг. 2 приведена схема реализации предлагаемого способа на примере 6 (шести) базовых сценариев.
На фиг. 3 приведены районы аварийного падения (АРП) в выделенной зоне для УСн с минимальной стоимостью возмещения экологического ущерба окружающей среде вдоль трассы пуска. АВД1, АВД2, АВД3 – примеры точек по трассе полета первой ступени РН в которых произошло АВДн (стрелками от точек показаны направления на зоны аварийного падения с минимальной стоимостью возмещения экологического ущерба); А(tI,k) – границы интервалов на трассе выведения, на которых возможно АВДн; РП1 – штатный район падения УСн; Sk – возможные аварийные районы падения УСн.
На фиг. 4 приведена конструкция УСн РН с запасами топлива в баках до 50%: 1 – маршевый ЖРД; 2 – бак окислителя «О»; 3 – бак горючего «Г»; 4 – жидкие остатки кислорода; 5 – жидкие остатки метана; 6, 7 – управляемые клапаны подачи перекиси водорода в баки «О» 2 и «Г» 3; 8 – ёмкость с перекисью водорода с управляемой мембранной системой подачи на систему каталитического разложения; 9, 10 – каталитические системы в баках «О» 2 и «Г» 3 для получения теплоносителя; 11, 12 – газореактивные сопла сброса парогазовой смеси (ПГС) из баков «О» 2 и «Г» 3; 13, 14 – управляемые клапаны сброса ПГС из баков «О» 2 и «Г» 3 в газореактивную систему стабилизации; 15, 16 – управляемые дренажные клапаны.
На фиг. 5 приведен пример программного движения (вариант на этапе работы I ступени: а) изменения высоты в зависимости от дальности; б) изменение программного курсового угла в зависимости от дальности. На рисунках графики изменения указанных параметров при баллистическом спуске и при управляемом движении в выбранный район падения, смещенный относительно баллистической точки падения на 50 км по дальности и 30 км по курсу на примере РН типа «Союз-2.1.в».
Обоснование действий способа и устройства
1) перед пуском РН рассчитывают варианты программ управления функционированием бортовых систем и движением УСн и/или УСв, в том числе:
1а) участки на штатной траектории выведения РН, где возможны аварийные выключения ЖРД ускорителей нижней или верхней ступени: АВДн, АВДв, (АВДн,в)
При АВДн,в на этапах траектории выведения РН возможны следующие варианты аварийных ситуаций, приведённые в табл. 1. В таблице обозначены: – момент старта РН, – интервал времени после старта РН, в течение которого заблокировано АВД для безопасного увода аварийной РН со старта; – время на этапе работы I ступени с момента которого возможно довыведение полезной нагрузки (ПН) на замкнутую орбиту РБ2 ступени в случае АВД ЖРД I ступени и аварийном разделении ступеней; – момент разделения ступеней; – время на этапе работы II ступени с момента которого возможно довыведение ПН на замкнутую орбиту при помощи ГРС в случае АВД; – время вывода ПН на орбиту.
Таблица 1 – Перечень возможных базовых аварийных ситуаций на участках выведения первой и второй ступеней РН.
|
1б) соответствующие возможные множества районов падения по трассе пуска с минимальным экологическим ущербом,
На фиг. 3 приведены возможные выделенные аварийные районы падения Ski для УСн; штатный район падения (РП1) для УСн; АВД1, АВД2, АВД3 – примеры точек по трассе полета первой ступени РН в которых произошло АВДн (стрелками от точек показаны направления на зоны аварийного падения с минимальной стоимостью возмещения экологического ущерба); А(tI,k) – границы интервалов на трассе выведения, на которых возможно АВДн.
Аварийные районы падения выбираются из условия минимизации затрат на восстановление нанесённого экологического ущерба, что является самостоятельной задачей, например, кн. [1] ГОСТ-Р 52985-2008 Национальный стандарт РФ. Экологическая безопасность ракетно-космической техники, кн. [2] Экологические проблемы и риски воздействий ракетно-космической техники на окружающую природную среду. Справочное пособие, под общей редакцией Адушкина В.В., Козлова С.И., Петрова А.В. М: Изд. «Анкил», 2000, 640 с.
1в) программы управления движением УСн и/или УСв при спуске для каждого участка траектории выведения РН, в которой произошло АВДн,в, в соответствующие множества районов падения ,
Управление движением (программные углы тангажа, рыскания, вращения) на траектории спуска осуществляется выбором режимов работы сопел ГРС, обеспечивающих движение по попадающей траектории для УСн и/или УСв в выделенные . Расчёт попадающей траектории и, соответственно, программа управления движением проводится на основе традиционных методов баллистики, например, [3] Р. Ф. Аппазов, С.С. Лавров, В.П. Мишин Баллистика управляемых ракет дальнего действия. М., Наука, 1966 г. Возможно и применение современных методов, например, [4] M. A. Patterson, A. V. Rao, Gpops-ii: A matlab software for solving multiple-phase optimal control problems using hp-adaptive Gaussian quadrature collocation methods and sparse nonlinear programming, ACM. Trans. Math. Softw. 41 (1) (2014) 1:1 1:37. doi:10.1145/2558904.
1г) выбирают тягу сопел ГРС для каждого канала стабилизации в каждом баке УСн,в из условий программы управления функционированием и управления движением, количества топлива в баках, прочности топливного бака, нагруженного давлением поступающих газов теплоносителя, газом наддува, паров компонента топлива, с учётом внешних теплопритоков.
Для штатного варианта работы УСн и/или УСв тяги сопел ГРС выбираются из условия обеспечения углового манёвра за заданный интервал времени, стабилизации УСн и/или УСв относительно программной траектории спуска для минимизации разброса точек падения УСн и/или УСв в штатный район падения, при этом остатки топлива в баках составляли до 5% от начальной заправки.
При АВД необходимо решение других задач: а) обеспечение падения УСн и/или УСв в выделенный аварийные районы ; б) выработка максимального количества топлива; в) минимизация последствия АВД на окружающую среду. Соответственно, тяги ГРС, обеспечивающие управление движением центра масс в продольной плоскости и создающие импульс в направлении импульса ЖРД, т.е. в направлении полезной нагрузки, должны обеспечить максимально возможную тягу.
В других каналах стабилизации тяга ГРС определяется из условия заданной длительности манёвров разворота УС.
В связи с тем, что высотные сопла Лаваля при их использовании в ГРС при величине тяги, равной 1,0 т могут достигать значительных размеров (в рассматриваемом примере на РН типа «Союз-2.1.в» диаметр критического сечения 0,15 м, а по длине до 0,45 м, их компоновка в конструкции УСн и/или УСв затруднена, т.к. приводит к существенному изменению облика системы, увеличению аэродинамического сопротивления. В этой связи принято решение отказаться от их использования и ограничиться отверстиями сброса, что приводит к снижению величины тяги на 10 – 12%.
Возможен выбор диаметров критического сечения отверстий в каналах угловой стабилизации из условия максимального расхода топлива и безмоментного сброса парогазовой смеси, например, включение всех отверстий сброса, а их количество для УСн из 2 баков достигает: 2*4*4 = 32 сопла, соответственно, для УСв также 32 сопла (фиг. 4). Из этих 32 сопел на каждом УС продольных с повышенной тягой 8 шт., например, с тягой ~1,0 тс, остальные 24 шт. с тягой, например, 200 кгс.
2) при движении РН по траектории выведения при прохождении команды на АВДн,в определяют соответствующий расчётный вариант программы функционирования бортовых систем и управления движением УСн и/или УСв
При возникновении АВД информация сразу же появляется в системе управления и автоматически определяется соответствующий вариант программы функционирования бортовых систем и управления УСн и/или УСв из соответствующего массива, который хранится в памяти бортовой вычислительной машине.
3) принудительно закрывают штатные дренажные клапаны в баках УСн и/или УСв,
Принудительное закрытие штатных дренажных клапанов в баках аварийных УС необходимо из-за повышения давления в баках с целью увеличения тяги ГРС, например, штатное давление в баках системой наддува поддерживается ~ 3 атм., прочность баков позволяет поднять давление до 5 – 6 атм. Создание такого давления в баке позволяет существенно увеличить тягу ГРС.
4) запускают системы газификации в баках УСн и/или УСв и осуществляют функционирование бортовых систем и управление движением УСн и/или УСв по аварийной программе, соответствующей конкретному интервалу траектории выведения, на котором произошло АВДн,в,
Позиция соответствует прототипу, лишь с тем отличием, что функционирование бортовых систем и управление движением УСн и/или УСв по аварийной программе, соответствующей конкретной точке АВДн,в
5) при достижении УСн и/или УСв высоты порядка 5 км, осуществляют управляемое вскрытие топливных баков УСн, УСв путём повышения величины давления наддува в каждом из топливных баках до разрушающего значения.
Для осуществления этой операции определяют текущую газопроизводительность системы газификации, текущие давление в баке и момент времени для каждого бака, когда следует закрыть клапаны системы ГРС в каждом баке, возможное увеличение подачи теплоносителя, увеличение внешнего теплового потока путём разворота УСн и/или УСв.
Предполагается, что рассеяние кислорода и метана в атмосфере предпочтительнее по сравнению с падением на поверхность грунтов, т.к. высокая вероятность взрыва и пожара наземной растительности при ударе УС с остатками топлива.
Таким образом, предлагаемая группа изобретений позволяет
а) многократно уменьшить остатки масс жидкого топлива в баках за счёт работы системы газификации; б) привести УСн и/или УСв в выделенные аварийные районы падения; в) организовать управляемый выброс компонентов топлива в атмосферу (кислород, сжиженный метан не представляют существенной экологической опасности) за вскрытия баков тем самым существенно сократить негативные экологические последствия в районе падения аварийных УСн и/или УСв.
Данное техническое решение создано в рамках выполнения научно-исследовательских работ по ГЗ №2019-0251 от 02.03.2020г.