RU2381378C1

RU2381378C1 - Rocket engine unit

Info

Publication number: RU2381378C1
Application number: RU2008130742/06A
Authority: RU
Inventors: Василий Иванович Дресвянников (RU); Василий Иванович Дресвянников; Юрий Афанасьевич Опарин (RU); Юрий Афанасьевич Опарин
Original assignee: Открытое Акционерное Общество "Государственный Ракетный Центр Имени Академика В.П. Макеева"
Priority date: 2008-07-24
Filing date: 2008-07-24
Publication date: 2010-02-10

Abstract

FIELD: engines and pumps.

SUBSTANCE: invention relates to rocketry and can be used in designing rocker carrier first stages with multi-tank propellant compartments with wrap-around arrangement. Engine unit comprises multi-tank propellant compartment and fluid propellant rocket engines, every engine being communicated, via feed lines, with adjoining tanks. One of the engines communicates, via feed lines and booster pump units, with all tanks.

EFFECT: synchronised utilisation of propellant components from like tanks without introducing disturbing torques to rocket.

1 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к ракетной технике и может быть использовано при проектировании первых ступеней ракет космического назначения (ракет-носителей) с многобаковыми топливными отсеками пакетной схемы.The invention relates to rocket technology and can be used in the design of the first stages of space rockets (launch vehicles) with multi-tank fuel compartments of the packet scheme.

Первые ступени тяжелых ракет-носителей часто делаются многодвигательными с пакетной компоновкой баков, когда каждый компонент топлива заправлен в два или более баков. При пакетной компоновке появляется задача синхронизации уровней жидкости в баках с одноименным компонентом топлива для обеспечения одновременной выработки топлива из всех баков. Рассинхронизация уровней в баках при пакетной компоновке возникает в результате разброса расходов компонентов в двигатели, из-за погрешности изготовления баков, из-за погрешностей заправки, из-за разницы давлений наддува баков. Обычно к многодвигательной установке с пакетной компоновкой баков предъявляется требование одновременной выработки топлива из баков и в случае отказа одного или нескольких двигателей.The first stages of heavy launch vehicles are often made multi-engine with a batch layout of tanks, when each fuel component is filled into two or more tanks. When batch layout appears the task of synchronizing fluid levels in tanks with the same fuel component to ensure the simultaneous generation of fuel from all tanks. The desynchronization of the levels in the tanks during batch layout occurs as a result of the dispersion of the component costs in the engines, due to the error in the manufacture of tanks, due to errors in the refueling, and due to the difference in the pressure of the boost of the tanks. Typically, a multi-engine installation with a batch layout of tanks is required to simultaneously produce fuel from the tanks in the event of failure of one or more engines.

Известна схема синхронизации уровней компонентов топлива в баках с помощью гидравлических связей между баками на первой ступени ракеты "Сатурн-IB", описанная в книге "Ракеты-носители" под общей редакцией профессора С.О.Осипова, М., Воениздат, 1981, стр.34-35. Двигательная установка первой ступени "Сатурн-IB" состоит из восьми двигателей и топливного отсека, состоящего из пяти баков окислителя (один центральный бак и четыре периферийных) и четырех периферийных баков горючего. Все баки горючего соединены между собой трубопроводами для выравнивания в них уровня жидкости. Из каждого бака горючее подводится к двум двигателям. Периферийные баки окислителя соединены с центральным баком. Окислитель поступает к двигателям от периферийных баков. Объемы газовых подушек одноименных баков также соединены между собой трубопроводами для выравнивания в них давления наддува. Трубопроводы, соединяющие баки, служат не только для выравнивания уровней топлива при заправке и в полете, но и обеспечивают его полную выработку двигателями в случае отказа одного или двух из них.There is a known scheme for synchronizing the levels of fuel components in tanks using hydraulic connections between the tanks at the first stage of the Saturn-IB rocket, described in the book "Launch vehicles" under the general editorship of Professor S.O. Osipov, M., Voenizdat, 1981, pp. .34-35. The Saturn-IB first stage propulsion system consists of eight engines and a fuel compartment consisting of five oxidizer tanks (one central tank and four peripheral) and four peripheral fuel tanks. All fuel tanks are interconnected by pipelines to level the liquid level in them. From each tank, fuel is supplied to two engines. The oxidizer peripheral tanks are connected to a central tank. The oxidizing agent enters the engines from the peripheral tanks. The volumes of gas cushions of the same tanks are also interconnected by pipelines to equalize the boost pressure in them. The pipelines connecting the tanks serve not only to equalize fuel levels during refueling and in flight, but also ensure its full production by engines in the event of failure of one or two of them.

Недостатками такой схемы являются сложность компоновки ДУ из-за наличия соединительных трубопроводов, большая масса и занимаемый трубопроводами объем, так как для точной синхронизации уровней необходимы большие диаметры трубопроводов при соединении и по жидкости, и по газу.The disadvantages of this scheme are the complexity of the layout of the remote control due to the presence of connecting pipelines, a large mass and the volume occupied by the pipelines, since large diameters of pipelines are required for precise synchronization of the levels when connecting both in liquid and gas.

Аналогично решена задача синхронизации уровней в патенте России №2121071 с приоритетом от 28 июня 1991 г. Двигательная установка космического аппарата содержит многоблочный топливный отсек с центральным и периферийными блоками баков, установленными попарно-симметрично относительно продольной оси космического аппарата, соединенными трубопроводами через коллектор. Газовые полости топливных баков периферийных блоков соединены с газовыми полостями баков центрального блока, каждый бак центрального блока соединен шунтирующей магистралью через обратный клапан с ближайшим баком одноименного компонента топлива периферийного блока. Это решение имеет те же недостатки, что приведены выше.The problem of level synchronization in Russian patent No. 2121071 with priority of June 28, 1991 was similarly solved. The propulsion system of the spacecraft contains a multi-block fuel compartment with central and peripheral tank units mounted pairwise-symmetrically with respect to the longitudinal axis of the spacecraft, connected by pipelines through the collector. The gas cavities of the fuel tanks of the peripheral units are connected to the gas cavities of the tanks of the central unit, each tank of the central unit is connected by a shunt line via a non-return valve to the nearest tank of the same name fuel component of the peripheral unit. This solution has the same drawbacks as above.

За прототип принята схема синхронизации без гидравлических связей между баками, описанная в книге Н.М.Беляева "Расчет пневмогидравлических систем ракет", М., Машиностроение, 1983, стр.148. В этом случае синхронизация уровней обеспечивается путем форсирования или дросселирования двигателей, питающихся от отдельных баков или блоков баков. Команда на двигатели поступает из системы опорожнения и синхронизации уровней в баках. Такая схема компоновочно проста ввиду отсутствия трубопроводов, соединяющих баки. Недостатком этой схемы является внесение дополнительных возмущающих моментов на ракету от разности тяг отдельных двигателей. Значительно усложняется система управления. Эта схема не применима на ракетах, которые управляются с помощью разности тяг двигателей - ракета окажется неуправляемой.The prototype is a synchronization scheme without hydraulic connections between the tanks, described in the book of N. M. Belyaev "Calculation of pneumohydraulic systems of rockets", M., Mechanical Engineering, 1983, p. 148. In this case, level synchronization is ensured by forcing or throttling engines powered by individual tanks or tank blocks. The command for the engines comes from the emptying system and the synchronization of levels in the tanks. This arrangement is very simple due to the lack of pipelines connecting the tanks. The disadvantage of this scheme is the introduction of additional disturbing moments on the rocket from the difference in the thrusts of individual engines. Significantly complicated management system. This scheme is not applicable to missiles that are controlled by the difference in engine thrusts - the missile will be uncontrollable.

Недостатки прототипа преодолеваются в предлагаемой многодвигательной многобаковой двигательной установке, схема которой приведена на чертеже.The disadvantages of the prototype are overcome in the proposed multi-engine multi-tank propulsion system, a diagram of which is shown in the drawing.

Задачей изобретения является обеспечение синхронизирования уровня компонентов топлива в баках, не внося возмущающих моментов на ракету.The objective of the invention is to provide synchronization of the level of fuel components in the tanks, without introducing disturbing moments on the rocket.

Поставленная задача решается за счет того, что в двигательной установке ракеты, содержащей многобаковый топливный отсек и жидкостные ракетные двигатели, каждый из которых подсоединен трубопроводами питания к ближайшим бакам, согласно изобретению один из двигателей подсоединен трубопроводами питания через бустерные насосные агрегаты ко всем бакам. Бустерные насосные агрегаты каждого компонента топлива подсоединены трубопроводами к выходу одноименного насоса турбонасосного агрегата (ТНА) через общий распределительный дроссель.The problem is solved due to the fact that in the propulsion system of a rocket containing a multi-tank fuel compartment and liquid rocket engines, each of which is connected to the nearest tanks by power pipelines, according to the invention, one of the engines is connected by power pipelines to all tanks through booster pump units. Booster pump units of each fuel component are connected by pipelines to the outlet of the same name pump of a turbopump unit (TNA) through a common distribution choke.

Изобретение поясняется чертежом, на котором представлена двигательная установка ракеты.The invention is illustrated in the drawing, which shows the propulsion system of the rocket.

Двигательная установка содержит несколько баков каждого компонента топлива (на чертеже - по два бака): баки окислителя 1, 2, баки горючего 3, 4 и несколько двигателей (на чертеже - пять) 5, 6, 7, 8, 9. Один из двигателей подсоединен трубопроводами питания с бустерными насосными агрегатами 10, 11, 12, 13 ко всем бакам. На чертеже это центральный двигатель поз.5, это оптимальный вариант, но не обязательный, можно выбрать любой другой двигатель. Каждый из остальных двигателей питается от двух соседних с ним баков.The propulsion system contains several tanks of each fuel component (two tanks in the drawing): oxidizer tanks 1, 2, fuel tanks 3, 4 and several engines (five in the drawing) 5, 6, 7, 8, 9. One of the engines connected to supply pipelines with booster pump units 10, 11, 12, 13 to all tanks. In the drawing, this is the central engine pos.5, this is the best option, but not mandatory, you can choose any other engine. Each of the remaining engines is powered by two tanks adjacent to it.

При работе двигательной установки синхронизация уровней в одноименных баках, например 3 и 4, производится перераспределением расходов жидкости через бустерные насосные агрегаты 10, 11 по сигналу системы синхронизации. При этом общий расход в двигатель и соответственно тяга двигателя не меняются. При отказе одного из двигателей, например двигателя 7, питание двигателя 5 полностью переводится на баки, из которых питался отказавший двигатель, путем закрытия клапанов на трубопроводах с бустерными насосными агрегатами 10 и 12.When the propulsion system is operating, the levels are synchronized in the tanks of the same name, for example 3 and 4, by redistributing the liquid flow through the booster pump units 10, 11 according to the signal of the synchronization system. In this case, the total consumption in the engine and, accordingly, the engine thrust do not change. In the event of a failure of one of the engines, for example, engine 7, the power of engine 5 is completely transferred to the tanks from which the failed engine was fed by closing valves on pipelines with booster pump units 10 and 12.

Бустерные насосные агрегаты ЖРД, как правило, приводятся в действие расходом активной жидкости, отбираемой из линии высокого давления за насосом ТНА. Регулировать расходы компонента топлива через БНА 10 и 11 можно, перераспределяя между ними расход активной жидкости распределительным дросселем по сигналам системы синхронизации.Booster pumping units LRE, as a rule, are driven by the flow of active fluid taken from the high pressure line behind the TNA pump. It is possible to regulate the flow rate of the fuel component through BNA 10 and 11 by redistributing between them the flow rate of the active liquid by the distribution throttle according to the signals of the synchronization system.

Таким образом, предлагаемая двигательная установка по сравнению с прототипом позволяет синхронизировать уровни компонентов топлива в баках, не внося возмущающих моментов на ракету, за счет подключения одного из двигателей ко всем бакам посредством трубопроводов с бустерными насосными агрегатами.Thus, the proposed propulsion system in comparison with the prototype allows you to synchronize the levels of fuel components in the tanks, without introducing disturbing moments on the rocket, by connecting one of the engines to all tanks through pipelines with booster pump units.

Claims

1. A rocket propulsion system containing a multi-tank fuel compartment and liquid rocket engines, each of which is connected by power lines to the nearest tanks, characterized in that one of the engines is connected by power lines through the booster pump units to all tanks.

2. The propulsion system according to claim 1, characterized in that the booster pump units of each fuel component are connected by pipelines to the outlet of the TNA pump of the same name through a common distribution choke.