Особенности орбитальной эксплуатации и наземного хранения топливных баков с металлическим диафрагменным разделителем Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

Секция «Двигательные установки и системы терморегулированияЛА и КА»

Рис. 2. Экспериментальная установка

В качестве привода используется электродвигатель постоянного тока в балансирном подвесе мощностью 600 Вт, числом оборотов до 12 000 об/мин. Корпус привода уравновешен пружинящим элементом и противовесом, при появлении крутящего момента электродвигатель проворачивается до нового положения равновесия. Это перемещение улавливается предварительно тарированным тензодатчиком, и изменение сопротивления которого приводит к появлению выходного напряжения на цифровом вольтметре.

Совместно с системой подачи рабочего газа и системой измерения получится экспериментальный стенд для проведения исследований в широком диапазоне изменения различных параметров.

Библиографические ссылки

1. Овсянников Б. В., Боровский Б. И. Теория и расчет агрегатов питания жидкостных ракетных двигателей. 3-е изд., перераб. и доп. М. : Машиностроение, 1986.

2. Жуйков Д. А., Кишкин А. А., Краев М. В., Мелко-зёров М. Г., Черненко Д. В. Расчет течения в конической щели с внутренним вращающемся диском (Conical slot). Программа для ЭВМ. РОСПАТЕНТ, свид. об офиц. регистрации № 2001611149 от 06.09.2001.

© Белоногов А. В., Жуйков Д. А., 2011

УДК 629.78.036.54-63

А. С. Богомолов Научный руководитель - В. Ю. Журавлёв ОАО «Информационные спутниковые системы имени академика М. Ф. Решетнёва», Железногорск

ОСОБЕННОСТИ ОРБИТАЛЬНОЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ И НАЗЕМНОГО ХРАНЕНИЯ ТОПЛИВНЫХ БАКОВ С МЕТАЛЛИЧЕСКИМ ДИАФРАГМЕННЫМ РАЗДЕЛИТЕЛЕМ

Описываются вытеснительные топливные баки с металлическим диафрагменным разделителем, их достоинства и недостатки. Приводятся температурные условия хранения в заправленном состоянии и орбитальной эксплуатации таких баков. Указываются пути повышения стойкости диафрагмы к циклическим перемещениям. Раскрываются актуальность и научная новизна вопроса создания диафрагм, обладающих повышенной стойкостью к циклическому изменению температур в широком диапазоне.

Для управления пространственным и угловым положением космического аппарата (КА) на орбите искусственного спутника Земли во многих случаях используются монотопливные термокаталитические жидкостные ракетные двигатели малой тяги (ЖРДМТ) с вытеснительной системой хранения и подачи топлива. В отечественной практике в настоящее время преимущественно используются топливные баки с сильфонным разделителем, работающим за счет упругих деформаций, или с металлическим диафрагменным разделителем, выворачивающимся за счет пластического деформирования [1].

Баки с сильфонным разделителем хорошо выдерживают циклические температурные нагрузки, но основным недостатком, ограничивающим их применение, является низкая технологичность. Критическим элементом, определяющим прочность всей конструкции, являются сварные соединения, так как толщина свариваемых деталей мала, а общая длина швов достигает сотен метров [2]. Качество сварки гофр сильфона в значительной мере зависит от квалификации персонала, автоматизировать процесс сварки и применить объективные средства контроля сварного шва затруднительно.

Актуальные проблемы авиации и космонавтики. Технические науки

Баки с диафрагменным разделителем обладают повышенной стойкостью к механическим нагрузкам, что позволяет использовать их в перспективных КА негерметичного исполнения, они более технологичны в изготовлении по сравнению с сильфонными. Однако недостатком таких баков является малая стойкость диафрагмы к циклическим перемещениям, вызываемым температурным расширением жидкости при эксплуатации на орбите и хранении в заправленном состоянии, что может потребовать применения компенсаторов объема, усложняющих и утяжеляющих конструкцию.

Заправленный бак хранится в помещении, с возможным апериодическим изменением температуры в некотором диапазоне в течение года. Количество циклов (изменений температур от крайнего нижнего значения до крайнего верхнего) при хранении можно принять равным десяти.

При орбитальной эксплуатации (длительность которой у современных КА достигает 15 лет) температура бака поддерживается в более узком диапазоне за счет использования экранно-вакуумной теплоизоляции, наличия автоматически управляемых нагревателей. Количество циклов (изменений температур от крайнего нижнего значения до крайнего верхнего) при эксплуатации может достигать 5600 (приняв 1 цикл в сутки на протяжении 15 лет).

Таким образом, диафрагма должна позволять:

- 10-кратное циклическое перемещение, соответствующее 2-3 % изменению объема топлива при хранении заправленного бака (зависимость температурного расширения топлива взята из [3]);

- 5600-кратное циклическое перемещение, соответствующее 0,3-0,5 % изменению объема топлива при орбитальной эксплуатации.

Конструкторская отработка диафрагмы, проведенная предприятием-изготовителем бака, показала, что диафрагма не выдерживает указанных циклических нагрузок в начальном положении, соответствующем заправленному баку. Начальное положение диафрагмы наиболее опасно для циклического перемещения (наибольший объем топлива, наименьший радиус качения г (см. рисунок), повышенная жесткость).

Выработка топлива на орбите обусловлена баллистической необходимостью применения ЖРДМТ, а такая необходимость носит случайный характер во времени, поэтому в некоторых случаях, диафрагма

бака может находиться в начальном положении на протяжении очень продолжительного времени.

0О-

.-Л

н

V) О;

Схема диафрагмы

В связи с вышеизложенным, предлагаются следующие пути повышения надежности диафрагмы:

1) проектирование диафрагмы с начальным участком-компенсатором объема в виде упругого элемента;

2) проектирование диафрагмы с начальным участком-компенсатором объема в виде потенциально деформируемого элемента высотой Н (см. рисунок);

Разработка рекомендаций по повышению стойкости диафрагмы к циклическому перемещению позволит, увеличив надежность диафрагмы, упростить условия хранения и эксплуатации бака. Вопрос создания диафрагм, обладающих повышенной стойкостью к циклическому изменению температур в широком диапазоне, является актуальным и еще недостаточно изученным.

Библиографические ссылки

1. Журавлев В. Ю., Кубриков М. В. Проектирование диафрагм-разделителей удлиненных топливных баков. Вестник СибГАУ. СибГАУ. Красноярск. Ч. 4. 2010. С. 105-108.

2. Ермошкин Ю. М., Орлов С. А., Усанов А. Ю. Формирование режимов механических испытаний сильфонных баков. Вестник СибГАУ. СибГАУ. Красноярск. Ч. 4. 2009. С. 113-117.

3. Сарнер С. Химия ракетных топлив. М. : Мир, 1969.

© Богомолов А. С., Журавлёв В. Ю., 2011