Криогенный бак и космическая пусковая установка, включающая такой бак - RU2531542C2

Чертежи

Описание

Настоящее изобретение относится к криогенному баку для космической пусковой установки и космической пусковой установке, содержащей такой бак.

В баллистической фазе, или во время переходной фазы выведения спутника, ракетное топливо может увлажнять все стенки бака. Это ведет к чрезвычайно значительному испарению криогенной жидкости в баке и сильному охлаждению газообразного свода, расположенного над жидкой частью бака. Решения этой проблемы известны для не криогенного ракетного топлива (называемое хранящимся топливом). Эти решения основаны на действии капиллярных сил. Топливо удерживается в нижней части бака (закрыто для выхода жидкости) капиллярами. Для криогенных жидкостей эти решения трудно применить из-за термо-капилярной нестабильности и возможного испарения близко к капиллярным системам и в результате происходит осушение систем и поэтому теряется эффективность.

Предпочтительно, согласно изобретению, для решения этой проблемы, обеспечивают промежуточную перегородку в объеме хранения таким образом, чтобы с одной стороны допускать течение жидкости самотеком из верхнего объема бака в нижний объем бака через один из центральных проемов, образованных в промежуточной перегородке, и с другой стороны, чтобы предотвращать подъем жидкости из нижнего объема в верхний объем через центральный проем или проемы под действием сил ускорения.

Этот тип решения весьма удовлетворительный. Однако, при заправке бака, или при определенных полетных ситуациях, испарение криогенной жидкости (особенно на внутренней поверхности объема хранения) может создавать пар, который удерживается под упомянутой перегородкой. Этот удерживаемый пар под перегородкой может неблагоприятно повлиять на рабочие характеристики бака во время полета.

Для решения этой проблемы, добавление в перегородке отверстий позволило бы удалять паровые пузырьки, но в результате появлялась бы утечка жидкости в направлении верхней части бака при фазах крена. Эти утечки жидкости необходимо избегать, чтобы ограничить увлажнение стенок бака и повышенного парообразования.

Целью изобретения является смягчить недостатки прежних решений.

Для этого бак согласно изобретению, также соответствующий общему определению, данному ему в вышеизложенной преамбуле, отличается главным образом тем, что содержит оболочку, ограничивающую объем хранения для криогенной жидкости и по меньшей мере одну перегородку, расположенную в объеме хранения, упомянутая перегородка ограничивает верхний и нижний объемы для текучей среды в баке, упомянутые верхний и нижний объемы связаны по меньшей мере через один свободный центральный проем, образованный в перегородке; перегородка проходит от стенки бака к центру объема хранения с наклоном в направлении нижнего конца бака к центральному проему или проемам так, чтобы, с одной стороны, допускать течение жидкости самотеком из верхнего объема в нижний объем через центральный проем или проемы и, с другой стороны, предотвращать или ограничивать подъем текучей среды из нижнего объема в верхний объем через центральный проем или проемы под действием сил ускорения; бак также содержит, по меньшей мере, один вентиляционный канал, образующий по меньшей мере один проход в перегородке, отдельный от центрального проема или проемов, и обеспечивающий связь текучей среды между верхним и нижним объемами, проход вентиляционного канала выполнен с возможностью, с одной стороны, способствовать перемещению пара из нижнего объема в верхний объем и, с другой стороны, предотвращать или ограничивать подъем жидкости из нижнего объема в верхний объем.

Вентиляционный канал конструктивно выполнен так, чтобы удалять пузырьки пара в направлении верхней части бака (выше перегородки), в то же время это позволяет держать жидкость ниже перегородки во время фазы крена или во время так называемых фаз с помехами (сильная или слабая гравитация).

Кроме того, варианты реализации изобретения могут содержать одно или более следующих признаков:

- вентиляционный канал имеет в проходе удерживающий барьер или механический ограничитель для жидкости в направлении ее подъема от нижнего объема к верхнему объему,

- вентиляционный канал или каналы расположены на перегородке между оболочкой бака и центральным проемом или проемами,

- вентиляционный канал или каналы расположены так, чтобы быть рядом с оболочкой бака,

- вентиляционный канал имеет по меньшей мере одну стенку, образующую выступ для жидкости в направлении подъема от нижнего объема к верхнему объему,

- вентиляционный канал имеет по меньшей мере одну стенку, образующую ограничитель для жидкости в вертикальном направлении от нижнего объема к верхнему объему,

- проход в вентиляционном канале открыт в верхний объем в направлении, перпендикулярном вертикальному направлению бака,

- вентиляционный канал содержит корпус, внутренний объем которого связан текучей средой, с одной стороны, с нижним объемом через одно или более первых отверстий, образованных в перегородке и, с другой стороны, с верхним объемом через одно или более вторых отверстий, образованных в корпусе,

- корпус выступает в верхний объем,

- внутренний объем корпуса связан текучей средой с нижним объемом, по меньшей мере, через два отверстия, образованных в перегородке и расположенных на различных расстояниях от оболочки,

- перегородка проходит по большей части внутреннего сечения бака в направлении по существу перпендикулярном к вертикальной оси А бака, идущей через верхний и нижний концы бака, соотношение между, с одной стороны, площадью поверхности проема или проемов перегородки и, с другой стороны, внутреннего сечения бака в плоскости, по существу перпендикулярной вертикальной оси бака, проходящей через плоскость проема, находится между 0,0025 и 0,8, и предпочтительно между 0,0025 и 0,5, и еще более предпочтительно между 0,01 и 0,1,

- по меньшей мере часть перегородки незначительно наклонена в направлении нижнего конца бака,

- перегородка имеет трубчатую часть, ориентированную в направлении нижнего конца бака и определяющую проем,

- перегородка является гибкой,

- проем или проемы расположены в центральной части бака,

- проемы обеспечивают одинаковое давление в верхнем и в нижнем объемах.

Изобретение также относится к космической пусковой установке, содержащей криогенный бак, соответствующий представленным выше или ниже признакам.

Изобретение может также относиться к любому альтернативному устройству или способу, включающим любую комбинацию признаков, изложенных выше или ниже по тексту.

Другие частные признаки и преимущества становятся понятными при чтении данного описания, дающегося в пояснениях к рисункам, на которых:

на фиг. 1 представлены схематичный вид, частичный вид и поперечный разрез примерного варианта бака согласно изобретению в фазе частичной заправки.

На фиг.2 представлен бак по фиг.1 после заправки.

На фиг.3 представлены схематический вид, частичный и в перспективе половины вертикального сечения бака, соответствующие фиг.1, 2.

На фиг.4 представлен схематический вид, частичный и поперечный детали вентиляционного канала в баке в соответствии с изобретением.

На фиг.5 представлен схематический вид в поперечном разрезе другого примерного варианта бака в соответствии с изобретением.

Изобретение будет описано по фиг.1-4 в приложении в виде так называемого бака с «вогнутым дном» (выпуклость внутри бака). Очевидно, изобретение может быть применено для любых других форм баков и особенно для баков с выпуклым дном (фиг.5).

Бак, представленный на фиг.1-4, содержит периферическую стенку или оболочку, ограничивающую объем хранения криогенной текучей среды (для примера, цилиндрическая центральная часть и два куполообразных конца).

Для простоты, выпускные отверстия для текучей среды, расположенные в нижней части 1 бака, не отображены. Традиционно такой бак состоит из изолированной конструкции из алюминиевого сплава с поропластовыми панелями. В соответствии с частным признаком изобретения бак содержит перегородку 2, расположенную в объеме хранения и выполненную так, чтобы удерживать жидкость во время значительных боковых и (или) осевых ускорений. Перегородка 2, например, закреплена к внутренней поверхности оболочки 1.

Перегородка 2 ограничивает в баке верхний VS и нижний VI объемы для связи жидкости через проемы 3, образованные в перегородке 2.

В иллюстративном баке на фиг.1-4, центральная часть низа может находиться над частью перегородки 2. Другими словами, перегородка 2 окружает чашеобразное дно бака. В этом исполнении нижний объем VI имеет в основном форму тора. Перегородка изогнута к низу в направлении центральной части объема хранения. Проем или проемы 3 размещены ближе к самой нижней точке части перегородки 2, вокруг чашеобразного дна, которое выступает в объем хранения.

Конструкция перегородки 2 делает возможным удерживать всю или часть жидкости в нижней части в случае малой тяги или малого крена, но позволяет жидкости перетекать из верхнего объема (VS) в нижний (VI) объем через проемы 3.

Таким образом, когда уровень жидкости L находится ниже перегородки (фиг.1), перегородка позволяет избегать подъема жидкости в верхний объем (VS). Перегородка 2 даже делает возможным хранение жидкости в случае неблагоприятных ускорений, когда упомянутое ускорение действует после фазы с креном.

Так, благодаря перегородке 2 в течение этих нагруженных фаз жидкость смачивает довольно ограниченную пристеночную поверхность и не вступает в контакт с относительно более горячим верхним газообразным куполом. Испарение жидкости ввиду этого ограничивается. Охлаждение газообразного купола в баке также ограничено.

Проемы 3 свободны, то есть они не снабжены решетками, фильтрами или подобными устройствами, что означает что верхний (VS) и нижний (VI) объемы образуют один и тот же объем хранения с идентичным давлением (в отличие от баков с поверхностным натяжением). В баках с поверхностным натяжением используются сетки-фильтры в отличие от бака в соответствии с изобретением. Очевидно, проемы 3 могут иметь форму, иную, чем та, которая представлена на рисунках.

Перегородка 2 может быть изготовлена из очень легкого материала (стеклоткани или любого другого подходящего материала, например, полиарамида, полиэстера, полиимида и других), в частности, когда бак хранит жидкий водород (относительно легкий).

Согласно частному преимущественному признаку бак также содержит по меньшей мере один вентиляционный канал 5, для примера четыре вентиляционных канала. Каждый вентиляционный канал 5 образует по меньшей мере один проход 4, 14 в перегородке 2, отдельные от центрального проема или проемов 3, обеспечивая перетекание текучей среды между верхним VS и нижним VI объемами бака. Проход 4,14 вентиляционного канала 5 выполнен так, что, с одной стороны, допускает перемещение пара из нижнего объема VI в верхний объем VS, с другой стороны, предотвращает или ограничивает подъем жидкости из нижнего объема VI в верхний объем VS во время фазы ускорения.

Например, каждый вентиляционный канал 5 имеет в проходе 4, 14 удерживающий барьер 15 или механический ограничитель для жидкости в направлении ее подъема от нижнего объема VI к верхнему объему VS. С другой стороны, барьер 15, или механический ограничитель направляет пары в направлении отверстий 14, открытых в верхний объем VS. Предпочтительно, вентиляционные каналы 5 расположены в перегородке 2 между оболочкой 1 бака и центральным проемом или проемами 3. Как можно увидеть на рисунках, вентиляционные каналы 5 более предпочтительно расположены так, чтобы примыкать к периферической оболочке бака.

В представленном иллюстративном, но не ограничительном варианте, каждый вентиляционный канал 5 имеет, по меньшей мере, одну стенку 15, ограничивающую выступ для жидкости в направлении подъема от нижнего объема VI к верхнему объему VS. Вентиляционный канал 5 практически может иметь, по меньшей мере, одну стенку 15, образующую ограничитель для жидкости в вертикальном направлении от нижнего объема VI к верхнему объему VS. Вентиляционный канал 5 может, например, содержать корпус, добавленный к перегородке 2 и внутренний объем которого связан текучей средой, с одной стороны - с нижним объемом VI, с другой стороны - с верхним объемом VS.

Например, внутренний объем корпуса связан текучей средой с нижним объемом VI через по меньшей мере два отверстия 4, образованных в перегородке 2. Предпочтительно два отверстия 4, обеспечивающие связь между корпусом 5 и нижним объемом VI, расположены на различных расстояниях от оболочки 1 и, следовательно, на различных высотах наклонной перегородки 2.

Корпус 5 может связываться с верхним объемом VS, например, через отверстие 14, которое открыто в направлении, по существу перпендикулярном к вертикальному направлению бака.

В этом случае, в момент заправки, пузырьки испаряющейся жидкости обильно проходят через отверстия 4, 14 в верхнюю часть бака (см. фиг.1, уровень жидкости отображен штриховкой). Пузырьки также могут проходить через проемы 3.

В конце заправки (фиг.2) вентиляционный канал 5 погружен в жидкость, но может позволить продолжить перемещение пузырьков в направлении верхнего конца.

В фазе полета, когда только одна часть жидкости остается в нижнем объеме VI, вентиляционный канал 5 образует упор для жидкости, предотвращая ее подъем в верхний объем VS. На фиг.4 схематично показано возможное положение жидкости во время сильного крена совместно со слабым ускорением.

Жидкость может практически войти в корпус вентиляционного канала 5 через отверстие 4, примыкающее к периферической оболочке 1, и выйти в нижний объем VI через отверстие 4 немного дальше от периферической оболочки 1. Пары могут выходить легче в направлении верхнего объема VS через отверстие 14, которое открыто в этот верхний объем VI.

Очевидно, изобретение не ограничивается вышеприведенными примерами. В частности, конструкция и количество вентиляционных каналов может быть изменено в соответствии с применением.

Баки с выпуклым дном могут быть также обеспечены одним или несколькими вентиляционными каналами 5. На фиг.5 изображен бак, в котором перегородка 2 наклонена к дну к центральному проему 3 (необязательно в форме воронки).

Реферат

Изобретение относится к космонавтике, а именно к бакам для хранения компонентов ракетного топлива. Космическая пусковая установка содержит криогенный бак, содержащий оболочку, одну перегородку (ограничивающую верхний и нижний объём текучей среды) с центральным проёмом (связывающий верхний и нижний объём текучей среды), вентиляционный канал с корпусом, удерживающим барьером (стенка) или механическим ограничителем, и проходами в перегородке. Проходы в перегородке способствуют перемещению пара из нижнего объёма в верхний объём, предотвращают или ограничивают подъём жидкости из нижнего объёма в верхний объём. Изобретение позволяет устранить утечки текучей среды в верхней части бака, образующийся пар в нижней части бака. 2 н. и 19 з.п. ф-лы, 5 ил.

Формула