Конструкции топливных отсеков РЛА с ЖРД

ЛР № 4

Топливные отсеки представляют собой большие емкости, предназначенные для размещения компонентов топлива. От конструкции топливных отсеков в значительной мере зависит конструкция ракеты в целом, так как они имеют большие габариты, а при несущей схеме [когда стенки топливных баков являются корпусом РН – см. рис. 4.1] составляют большую часть корпуса ракеты. Таким образом, топливные отсеки, с одной стороны, – сложнейшие агрегаты, обеспечивающие надежную работу двигательной установки, а с другой – корпус ЛА, являющийся основой ракеты, обеспечивающий ее функционирование как единого целого и определяющий конструктивное исполнение и надежность работы систем и агрегатов ЛА.

Основными конструктивными элементами топливных отсеков являются топливные баки различных конструкций, оснащенные большим числом внутрибаковых устройств, обеспечивающих нормальное функционирование ДУ.

О конструктивных особенностях летательных аппаратов можно судить по схемам топливных отсеков (рис. 4.1).

4.1. Требования к конструкции топливного отсека

Так как основными конструктивными элементами топливного отсека ЛА с ЖРД являются баки, предназначенные для размещения компонентов жидкого топлива (окислителя и горючего), то и технические требования обусловлены конструкцией баков.

Топливные баки должны удовлетворять следующим основным требованиям:

1) иметь достаточную прочность и жесткость при малой массе конструкции;

2) обладать устойчивостью против коррозии при работе ЖРД на агрессивных (вызывающих коррозию) компонентах и при длительном хранении компонентов баков;

3) простота конструкции, технологичность при изготовлении и удобство при эксплуатации;

4) конструкция заборных устройств баков должна обеспечивать минимальное количество остатков компонентов топлива в баках;

5) недефицитность материалов, применяемых при изготовлении баков.

4.2. Классификация топливных отсеков

Топливные отсеки, применяемые в ракетно-космической технике, можно классифицировать по ряду основных признаков (рис. 4.1).

По конструктивно-силовой схеме различают три основных типа топливных отсеков:

• с ненесущими (подвесными) баками (рис. 4.2а),
• смешанной конструкции (рис. 4.2б),
• с несущими баками (рис. 4.2в).

Рис. 4.2 Конструктивно-силовые схемы топливных отсеков с подвесными баками (а), смешанной конструкции (б) и с несущими баками (в):

1 – опорный узел; 2 – фиксатор; 3 – подвеска; 4 – подвесной бак горючего;

5 – корпус топливного отсека; 6 – подвесной бак окислителя; 7 – изоляция;

8 – несущий бак горючего; 9 – изоляция; 10 – несущий корпус;

11 – несущий бак окислителя

Несущими баки называют потому, что они, будучи одновременно корпусом ракеты, воспринимают общий комплекс нагрузок, действующий на ракету. У ракет с подвесными баками эти нагрузки воспринимаются несущим корпусом ракеты, за исключением нагрузок от давления в баках. Топливные отсеки смешанной схемы сконструированы таким образом, что только часть их конструкции включена в силовую схему корпуса ЛА.

В зависимости от компоновочной схемы ЛА принято различать моноблочные (рис. 4.2б, 4.2в) и полиблочные (рис. 4.2 а) топливные отсеки. Моноблочные отсеки могут иметь как раздельные баки окислителя и горючего, соединенные проставкой (промежуточным отсеком), так и баки, имеющие общее (промежуточное) днище (рис. 4.3). Но в обоих случаях они существуют на всех этапах жизненного цикла ЛА (от сборки на заводе до завершения функционирования) как один конструктивный элемент. По такой схеме выполнены в основном все топливные отсеки БР и ракет-носителей небольшой грузоподъемности, а также топливные отсеки высших ступеней многоступенчатых РЛА.

Полиблочные топливные отсеки встречаются в основном в ракетах-носителях большой грузоподъемности.

В зависимости от назначения и требований компоновки топливных отсеков в составе РЛА формы и конструкции топливных баков весьма разнообразны.

По форме внешних обводов баки бывают:

• цилиндрическими (реже коническими) с эллиптическими (рис. 4.4) или сферическими (рис. 4.3) днищами;
• сферическими, сваренными из двух полусфер (рис. 4.6);
• торовыми (рис. 4. 7 и 4.8), которые иногда компонуются в пакеты (рис. 4.9) и блоки (рис. 4.11);
• эллиптические (чечевицеобразными), собранными у двух эллиптических днищ (рис. 4.10).

Различают также топливные отсеки с телескопическим расположением топливных баков (бак в баке).

Для нижних ступеней многоступенчатой ракеты с большим запасом топлива обычно удлинение разгонных блоков больше, чем для верхних, что предопределяет применение цилиндрических баков (реже конических и даже сферических). Для верхних ступеней характерно небольшое удлинение и поэтому в компоновке используются такие формы, как тор, сфера, "чечевица" и т. д.

В зависимости от конструктивного исполнения стенок баки могут быть:

- с гладкими листовыми стенками без силового набора;

- с силовым набором (т.е. сборной конструкции);

- со стенками из монолитных панелей (например, вафельных – рис. 4.12);

- из различного типа многослойных панелей (рис. 4.13), которые также выполняют теплоизоляционные функции.

Основным силовым элементом бака с гладкими стенками является оболочка, воспринимающая все внешние усилия, а также давление наддува [от газов, находящихся над столбом жидкости] и гидростатическое давление [от столба жидкости]. Такое исполнение характерно для баков верхних ступеней, подвесных баков, баков для ДУ с вытеснительной системой подачи компонентов, т.е. для баков, в которых преобладают растягивающие нагрузки.

В баках с подкрепленными оболочками для увеличения сопротивляемости сжимающим нагрузкам предусматривается дополнительный силовой набор в виде стрингеров, промежуточных шпангоутов и т.д. Целесообразность использования подкрепления, в частности стенок несущих конструкций баков, тем больше, чем больше погонные сжимающие усилия, которые, как правило, увеличиваются в многоступенчатых ракетах от верхних ступеней к нижней.

Рис. 4.12. Вафельные оболочки (а, б, в) и типовая панель вафельной обечайки (г)

Рис. 4.13. Конструкция трехслойных оболочек с заполнением в виде

а – однослойного гофра; б – швеллера; в – сот:

1 – внешняя, 3 – внутренняя обшивки; 2 – гофр; 4 – швеллер; 5 – соты

4.3. Конструктивно-компоновочные схемы основных типов топливных баков

Конструктивно-силовую схему топливных баков составляют обечайка, днище, шпангоуты и узлы крепления.

В состав конструктивно-компоновочной схемы топливного бака входят сам бак – оболочка и целый ряд люков, лючков, штуцеров и других устройств, включая и внутреннюю компоновку бака (см. рис. 4.14).

Как уже отмечалось, размеры, форма и конструкция топливных баков определяются прежде всего компоновкой самого ЛА, а также условиями полета и топливоподающей системой двигательной установки.

В последние годы получили широкое распространение конструкции топливных баков с разделением компонента топлива и вытесняющего газа с помощью различного рода поршней, эластичных диафрагм, вытеснительных мешков и т.п. (см. рис. 4.18, 4.19). Это обеспечивает высокую надежность подачи компонентов топлива, особенно при отрицательных перегрузках [т.к. при этом нет вероятности смешивания компонента топлива с газом наддува, и из бака точно будет поступать только компонент топлива].

Сферический бак с мягким (эластичным) вытеснителем (рис. 4.18) состоит из двух полусфер 1 и 8, в которые ввариваются горловины (фланцы 3 и 11) и кронштейны 7 [предназначенные для крепления бака с другими элементами конструкции ракеты]. Чтобы вытеснительный мешок 9 не скручивался, его закрепляют и укладывают вокруг центральной перфорированной [с отверстиями] трубы, проходящей внутри бака. Поступающий в бак газ наддува будет раздувать мешок, а следовательно, вытеснять компонент топлива из бака.

Сферический бак с жесткой вытеснительной диафрагмой (рис. 4.19) состоит из двух полусфер 5 и 8 и гибкой диафрагмы 2, изготовленной из листового материала штамповкой и вытяжкой. Гибкая диафрагма при подаче давления наддува в вытеснительную полость бака Б постоянно перемещается, занимая различные положения II – V, и вытесняя, таким образом, компонент топлива из бака. Направленное перемещение диафрагмы обеспечивается тем, что она имеет переменную по сечению толщину. Это достигается растяжкой диафрагмы после штамповки.

Как уже отмечалось, в некоторых случаях, по условиям компоновки невозможно выполнить раздельными баки окислителя и горючего для двухкомпонентного самовоспламеняющегося топлива. Поэтому применяются баки с разделительной перегородкой-днищем из трех слоев металла. Промежуточным слоем является чистый алюминий, что значительно повышает герметичность конструкции.

Особенности компоновки ЛА часто требуют применения топливных баков в виде тора (рис. 4.7). Такой бак состоит обычно из двух полушарий, которые соединяются между собой сваркой, внутри полушарий по периметру могут быть установлены перегородки 1 и 2 на рис. 4.7, предназначенные для гашения колебаний компонентов топлива во время полета. К нижнему днищу бака привариваются кронштейны для крепления его к другим агрегатам ЛА.

4.5. Основные элементы внутренней компоновки и арматуры топливных отсеков

К основным элементам внутренней компоновки относятся:

• заборные устройства;
• дренажные клапаны;
• предохранительные устройства;
• устройства ввода в бак газов наддува;
• устройства для контроля заполнения баков и уровня жидкости в полете;
• люки для монтажа систем внутри баков;
• тоннельные трубы для прохода трубопровода подача одного из компонентов топлива через бак другого компонента, если бак находится между двигателем и баком первого компонента топлива;
• демпфирующие перегородки для ограничения подвижности топлива в баках.

На конструктивной схеме (рис. 4.14) представлены некоторые из перечисленных элементов топливного бака. Конструктивное исполнение различных элементов определяется назначением и функциональными особенностями систем, в состав которых входит тот или иной элемент.

Рассмотрим конструкцию некоторых элементов и узлов топливного отсека и внутрибаковой компоновки.

4.5.2. Конструкции гибких трубопроводов (сильфоны)

Оригинальную и особую группу среди трубопроводов составляют гибкие трубопроводы, или сильфоны [сильфон ~ гармошка], предназначенные для компенсации осевых и угловых перемещений трубопровода при взаимных перемещениях соединяемых точек бака и двигателя.

Сильфоны (рис. 4.37) представляют собой тонкостенные цилиндрические или конические металлические оболочки с поперечными волнообраз­ными складками на поверхности – гофрами, благодаря которым они имеют возможность в определенных пределах изменять длину и изгибаться. Они применяются для:

• соединения жестких трубопроводов, имеющих осевые и уг­ловые смещения;
• температурной компенсации;
• устранения монтажных напря­жений при сборке;
• ля гашения вибраций;
• в качестве упругих элементов, реагирующих на изменение давления или сил;
• упругих разграничителей сред компонентов в сильфонных вытеснительных системах топливных емкостей;
• сосудов переменной емкости;
• для герметизации подвижных соединений и т.д.

Наиболее распространен нормальный тип сильфона (рис. 4.38а) - однослойный, тонкостенный, бесшовный цилиндрический сильфон. Многослойные сильфоны (рис. 4.38б) предназначены для работы в агрессивной среде при значительных нагрузках.

Мембранные сильфоны (рис. 4.38в) состоят из отдельных штампо­ванных мембран, имеющих форму полусфер и соединенных по контуру пайкой или сваркой.

Рис. 4.37. Схема сильфона

Рис. 4.38. Основные типы сильфонов:

а – нормальный; б – многослойный; в – мембранный

4.5.3. Конструкция тоннельной трубы

При прохождении трубопровода одного компонента топлива через бак другого компонента трубопровод помещается в тоннельную трубу (см. рис. 4.14). При большой длине такого трубопровода он фиксируется в тоннельной трубе в несколь­ких местах. Кроме того, если температуры компонентов неодинаковы, между трубопроводом и тоннельной трубой укладывается теплоизоляция.

Конструкция тоннельной трубы топливного отсека (рис. 4.40) предусматривает изменение направления выхода трубопровода через сферическое днище бака.

Главной конструктивной особенностью тоннельной трубы является наличие ряда кольцевых рифов-зигов (рис. 4.14). Они являют­ся, по существу, шпангоутами, уменьшающими длину оболочки и, следова­тельно, повышающими устойчивость трубы. В них также предусмотрена установка компенсаторов (рис. 4.14 и 4.40).

4.5.4. Конструктивные исполнения люка-лаза

Для проведения сборочно-монтажных и профилактических работ внутри бака в его оболочке выполняется специальные вырезы – люки-лазы.

Основным местом размещения люка-лаза является верхнее днище бака, а для совмещенных топливных баков – нижнее днище. Возможен также вариант расположения люка-лаза на боковых поверхностях баков.

К соединениям люка-лаза и крышек топливных баков, предъявляются повышенные требования по герметичности. Диаметр люка-лаза выбирается из технологических требований (400-500 мм).

Контрольные вопросы

1. Что такое топливные отсеки? Как конструкция топливных отсеков влияет на конструкцию РН?

2. Назвать требования к конструкции топливного отсека.

3. Рассказать про классификацию топливных отсеков по конструктивно-компоновочным признакам, используя рис. 4.1 (с пояснениями!)

4. Какие бывают топливные отсеки по конструктивно-силовой схеме (рис. 4.2)? Какие нагрузки что воспринимает в каждом из видов?

5. Какие бывают топливные отсеки в зависимости от компоновочной схемы (моноблочные или …) ЛА (рис. 4.2)? (что представляют собой, где используются)

6. Какими могут быть баки по форме внешних обводов (рис. 4.3 – 4.11)? Где какая форма применяется?

7. Какие могут быть топливные баки в зависимости от конструктивного исполнения стенок? (использовать рис. 4.12 и 4.13)

8. Рассказать подробнее про гладкие и подкрепленные стенки топливных баков (состав, где применяются, что какие нагрузки воспринимает).

9. Что входит в состав конструктивно-силовой и конструктивно-компоновочной схем топливного бака? (показать на рис. 4.14).

10. Рассказать конструкцию и принцип действия бака с мягким вытеснителем (по рис. 4.18).

11. Рассказать конструкцию и принцип действия бака с жесткой вытеснительной диафрагмой (по рис. 4.19).

12. Рассказать про торовые баки по рис. 4.7.

13. Что относится к основным элементам внутренней компоновки баков? (показать на рис. 4.14).

14. Рассказать конструкцию топливного бака по рис. 4.14.

15. Рассказать про сильфоны (что представляют собой, для чего предназначены).

16. Рассказать подробно, для чего применяются сильфоны?

17. Какие типы сильфонов бывают? (рис. 4.38)

18. Рассказать про тоннельную трубу (назначение, конструкция – по рис. 4.14 и 4.40, главная особенность).

19. Рассказать про люк-лаз (назначение, расположение, требования к нему, размеры).