струйно-капельный космический излучатель

Формула изобретения

1. Струйно-капельный космический излучатель, содержащий форсуночный коллектор впрыска “горячего” жидкого теплоносителя, сборный коллектор охлажденного жидкого теплоносителя с центробежным осадительным барабаном в составе ротора, вал которого установлен в статоре на подшипниковых опорах и соединен с валом привода, каркасные фермы, отличающийся тем, что форсуночный коллектор впрыска выполнен с разбиением на секции, содержащие струйные форсунки с взаимно параллельными, лежащими в одной плоскости осями, направленными в сторону горловины сборного коллектора, при этом длина каждой секции выполнена из условия L Bcos , где В - размер горловины по линии пересечения плоскости расположения осей форсунок с плоскостью окружности горловины, - угол между направлением осей форсунок и осью сборного коллектора, причем ориентация осевых линий разметки центров форсунок всех секций выполнена под таким углом к общей осевой линии коллектора, что линии пересечения плоскостей расположения осей форсунок всех секций с плоскостью окружности горловины равномерно распределены в пределах диаметра окружности горловины, а центробежный конический осадительный барабан сборного коллектора выполнен за одно целое с крыльчаткой центробежного насоса, размещенной на большом диаметре барабана, причем вход в центробежную крыльчатку соединен с полостью барабана, а выход из центробежной крыльчатки гидравлически соединен с выходной улиткой корпуса насоса, входящего в состав статора сборного коллектора.

2. Струйно-капельный космический излучатель по п.1, отличающийся тем, что подшипниковые опоры ротора сборного коллектора выполнены в виде гидростатических радиальных и осевых опор, рабочие зазоры которых соединены гидравлически с магистралью теплоносителя на выходе центробежного насоса и входной горловиной сборного коллектора.

3. Струйно-капельный космический излучатель по п.1, отличающийся тем, что в местах сопряжения ротора и статора сборного коллектора, примыкающих к местам протока теплоносителя на выходе крыльчатки центробежного насоса и на выходе из зазоров гидростатических опор, на роторе и статоре выполнены винтовые нарезки безрасходных винтовых уплотнений.

4. Струйно-капельный космический излучатель по п.1, отличающийся тем, что содержит одно шарнирное соединение каркасной фермы коллектора впрыска с каркасной фермой сборного коллектора и объединяющих их гидравлических трактов теплоносителя и в частных случаях дополнительно одно или ограниченное количество аналогичных соединений в составе каркасной фермы коллектора впрыска (состоящего в этом случае из отдельных частей) для трансформации струйно-капельного космического излучателя из транспортного состояния в рабочее.

5. Струйно-капельный космический излучатель по п.1, отличающийся тем, что содержит тросовый натяжитель между концом каркасной фермы коллектора впрыска, противоположным расположению шарнирного соединения с фермой сборного коллектора, и сборным коллектором (или концом его каркасной фермы).

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области космических летательных аппаратов, оснащенных ядерными энергетическими установками преимущественно большой мощности (порядка 100 МВт и выше), с преобразованием тепловой энергии ядерного реактора в электрическую в замкнутых контурах (например, для питания электрореактивных движителей), или газофазными ЯРД с применением замкнутого контура теплоотвода в космическое пространство тепловой энергии, выделяющейся в замедлителе, с целью существенного повышения удельного импульса.

Для излучателей тепловой энергии, используемых в замкнутых контурах таких энергетических и двигательных установок, актуальной проблемой, помимо общей для любого уровня мощности проблемы метеоритной устойчивости при длительной (в течение многих месяцев или даже лет) работе, является проблема развертывания в космическом пространстве больших площадей теплового излучения (тысячи квадратных метров), необходимых для вышеуказанного уровня мощностей, после доставки с Земли необходимых конструкций с соответствующими габаритными ограничениями.

Решение этих обеих проблем принципиально облегчается .при использовании струйно-капельного излучателя, содержащего форсуночный коллектор впрыска в открытое космическое пространство “горячего” жидкого теплоносителя (например, олова) и сборный коллектор охлажденного за счет теплового излучения жидко-капельного потока (см., например, И.Г.Паневин. Высокотемпературные теплообменные аппараты ЭСУ ЛА. Изд. МАИ, 1990 г.). Это решение принимаем за аналог заявляемого изобретения.

Из анализа уровня техники известен патент США №5062472 (кл. 165/41). Конструкция излучателя представляет собой прямоугольную раму (контур которой определяет площадь теплового излучения), на двух противоположных сторонах которой размещены чередующиеся форсуночные коллекторы впрыска и сборные коллекторы; капельный поток из каждого коллектора впрыска поступает в расположенный на противоположной стороне рамы соответствующий сборный коллектор, т.е. конструкция струйно-капельного излучателя является многомодульной, с чередованием направления потоков от одной стороны рамы к другой. В коллекторах впрыска установлены щелевые форсунки, а роторы сборных коллекторов содержат центробежный конический осадительный барабан, закрепленную на статоре и погруженную во вращающийся внутри барабана слой жидкого теплоносителя трубку отбора типа трубки Пито и лопастной насос на общем валу с центробежным барабаном; в частном случае каждый сборный коллектор механически связан с соответствующим ему коллектором впрыска.

Это техническое решение принимаем за прототип заявляемого изобретения. Недостатками прототипа являются следующие:

- большое количество шарнирных герметичных соединений на магистралях теплоносителя, которые необходимо предусмотреть для обеспечения взаимной подвижности составных частей конструкции при развертывании излучателя на орбите;

- отсутствуют конструктивные решения, предотвращающие соударение жидкостных потоков на их пути от коллекторов впрыска к сборным коллекторам и обеспечивающие равномерное распределение жидкостных потоков по входным сечениям сборных коллекторов;

- применение в сборных коллекторах неподвижных трубок отбора жидкости, погруженных во вращающиеся в центробежных барабанах слои жидкого теплоносителя, сопряжено с конструктивно сложными и недостаточно эффективными устройствами для предотвращения разбрызгивания жидкости.

Задача, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, состояла в том, чтобы:

а) минимизировать число шарнирных соединений на магистралях

теплоносителя, используемых при развертывании конструкции струйно-капельного космического излучателя на орбите;

б) избежать пересечения жидко-капельных струй и струйных потоков на пути от коллектора впрыска к сборному коллектору, которое чревато ухудшением теплоотдачи и потерями теплоносителя;

в) избежать неравномерной нагрузки на ротор сборного коллектора из-за неоднородного поступления жидко-капельных потоков по поперечному сечению горловины сборного коллектора;

г) избежать сложных и недостаточно надежных элементов в конструкции сборного коллектора, предназначенных для нагнетания теплоносителя в возвратную магистраль контура.

Технический результат от решения задачи заключается в том, что предложен струйно-капельный космический излучатель с одним сборным коллектором, с одним или двумя шарнирными соединениями на магистралях теплоносителя, что облегчает процесс развертывания излучателя на орбите; обеспечивается равномерное по поперечному сечению входной горловины сборного коллектора поступление непересекающихся потоков жидко-капельных струй; в сборном коллекторе обеспечивается непосредственное поступление осажденного в центробежном барабане жидкого теплоносителя в центробежный насос, подшипниковые опоры вала сборного коллектора выполнены в виде гидростатических подшипников, с применением на валу и крыльчатке насоса винтовых уплотнений, что упрощает конструкцию и повышает надежность работы сборного коллектора.

Сущность изобретения заключается в том, что одномодульный струйно-капельный космический излучатель содержит форсуночный коллектор впрыска “горячего” жидкого теплоносителя, сборный коллектор охлажденного жидкого теплоносителя с центробежным осадительным барабаном в составе ротора, вал которого установлен в статоре на подшипниковых опорах и соединен с валом привода, и каркасные фермы.

Отличительные особенности струйно-капельного космического излучателя в том, что:

а) форсуночный коллектор впрыска выполнен с разбиением на секции, содержащие струйные форсунки с взаимно параллельными, лежащими в одной плоскости осями, направленными в сторону горловины сборного коллектора; при этом длина каждой секции выполнена из условия L Bcos, где В - размер горловины по линии пересечения плоскости расположения осей форсунок с плоскостью окружности горловины, - угол между направлением осей форсунок и осью сборного коллектора, причем ориентация осевых линий разметки центров форсунок всех секций выполнена под таким углом к общей осевой линии коллектора, что линии пересечения плоскостей расположения осей форсунок всех секций с плоскостью окружности горловины равномерно распределены в пределах диаметра окружности горловины, а центробежный конический осадительный барабан сборного коллектора выполнен за одно целое с крыльчаткой центробежного насоса, размещенной на большом диаметре барабана, причем вход в центробежную крыльчатку соединен с полостью барабана, а выход из центробежной крыльчатки гидравлически соединен с выходной улиткой корпуса насоса, входящего в состав статора сборного коллектора;

б) подшипниковые опоры ротора сборного коллектора выполнены в виде гидростатических радиальных и осевых опор, рабочие зазоры которых соединены гидравлически с магистралью теплоносителя на выходе центробежного насоса и входной горловиной сборного коллектора;

в) в местах сопряжения ротора и статора сборного коллектора, примыкающих к местам протока теплоносителя на выходе крыльчатки центробежного насоса и на выходе из зазоров гидростатических опор, на роторе и статоре выполнены винтовые нарезки безрасходных винтовых уплотнений;

г) он содержит одно шарнирное соединение каркасной фермы коллектора впрыска с каркасной фермой сборного коллектора и

объединяющих их гидравлических трактов теплоносителя и в частных случаях дополнительно одно или ограниченное количество аналогичных соединений в составе каркасной фермы коллектора впрыска (состоящего в этом случае из отдельных частей) для трансформации струйно-капельного космического излучателя из транспортного состояния в рабочее;

д) он содержит тросовый натяжитель между концом каркасной фермы

коллектора впрыска, противоположным расположению шарнирного соединения с фермой сборного коллектора, и сборным коллектором (или концом его каркасной фермы).

Перечень чертежей.

На фиг.1 представлен общий вид струйно-капельного космического излучателя в плане. На фиг.2 показан вид А фиг.1 на коллектор впрыска 1. На фиг.3 представлен сборный коллектор. На фиг.4 показан частный случай общего вида струйно-капельного космического излучателя.

Струйно-капельный космический излучатель, представленный на фиг.1, состоит из следующих основных элементов: коллектора впрыска 1 (который может быть дугообразным, как показано на фиг.1, так и, в частном случае, прямолинейным), каркасного коллектора 2, опорной фермы 3 сборного коллектора (с возвратным трубопроводом теплоносителя), соединенной с помощью шарнирного узла 4 с каркасной фермой 5 коллектора впрыска 1; последняя крепится к космическому аппарату. В частном случае в составе фермы 5 выполнен шарнирный узел 6, а коллектор впрыска 1 состоит из двух частей. В шарнирных узлах 4 и 6 должны быть также и соответствующие соединения магистралей теплоносителя; эти узлы должны быть оснащены необходимыми приводными механизмами. Сборный коллектор 2, закрепленный жестко на ферме 3, соединен также с фермой 5 тросовым натяжителем 7 через барабан 8 с соответствующим приводом. Направление движения плоских жидко-капельных потоков показано на фиг.1 стрелками.

На фиг.2 показано, что коллектор впрыска 1 выполнен с разбиением на секции впрыска 9. Каждая секция состоит из струйных форсунок 10, оси которых параллельны, лежат в одной плоскости и направлены в горловину 11 сборного коллектора 2 (см. фиг.1), и имеет протяженность, определяемую из условия L Bcos, где В - размер горловины по линии пересечения плоскости расположения осей форсунок с плоскостью окружности горловины, а - угол между направлением осей форсунок и осью сборного коллектора (см. фиг.1). Ориентация осевых линий разметки центров форсунок 10 всех секций 9 выполнена под таким углом к общей оси коллектора впрыска 1, что линии пересечения плоскостей расположения осей форсунок всех секций с плоскостью окружности горловины 11 равномерно распределены в пределах диаметра окружности горловины.

На фиг.3 представлено устройство сборного коллектора. Ротор сборного коллектора выполнен в виде конического осадительного барабана 12 с крыльчаткой 13 центробежного насоса, центральным коническим телом и валом, на котором выполнены опорные поверхности 14, 15 и 16, 17 соответственно радиальных и торцевых гидростатических подшипников и противонаправленные винтовые нарезки 17 и 18 винтовых уплотнений. По оси вала выполнен канал 20, который вместе с радиальными каналами 21, 22, 23 соединяет полость между торцевыми опорами 16 и 17 с дренажными полостями радиальных гидростатических опор 14 и 15. На крыльчатке 13 выполнены противонаправленные винтовые нарезки 24 и 25 винтовых уплотнений. Статор сборного коллектора состоит из опорной части 26 и корпуса насоса 27 (с выходной улиткой), на которых выполнены ответные поверхности гидростатических опор и винтовых уплотнений, и кожуха барабана 28; статор окружен термостатирующим чехлом 28. Для привода ротора в состав сборного коллектора входит электродвигатель 30.

На фиг.4 показано, что в частном случае общего вида струйно-капельного космического излучателя вместо тросового натяжителя с барабаном 8 (как на фиг.1) соединение сборного коллектора 2 с фермой 5 выполнено в виде складной, содержащей три шарнирных механических соединения (по краям и в середине) фермы 31.

Работает струйно-капельный космический излучатель следующим образом.

На фиг.1 (и в частном случае на фиг. 4) показано его рабочее (развернутое) состояние. Транспортирование с Земли на орбиту струйно-капельного космического излучателя производится в сложенном состоянии каркасной фермы 5 (с коллектором впрыска 1) и каркасной фермы 3 (с сборным коллектором 2), которое реализуется при минимальном поперечном транспортном габарите благодаря шарнирному узлу 4 и, в частном случае, шарнирному узлу 6; при этом тросовый натяжитель 7 смотан на барабан 8, а в частном случае (фиг. 4) ферма 31 находится в сложенном состоянии. Примерно одинаковые продольные размеры коллектора впрыска 1 (с фермой 5) и фермы 3 обеспечивают при этом и минимальный продольный транспортный габарит при заданной площади теплового излучения от жидко-капельных потоков.

При работе струйно-капельного космического излучателя “горячие” жидко-капельные потоки направляются из коллектора впрыска 1 в сборный коллектор 2, охлаждаясь при этом за счет теплового излучения в окружающее космическое пространство. Тросовый натяжитель 7 и барабан с приводом обеспечивают снижение изгибных нагрузок на ферму 3 под воздействием скоростного напора жидко-капельного потока, поступающего в сборный коллектор 2. В частном случае (фиг.4) эту же функцию выполняет складная ферма 31. Из сборного коллектора 2 охлажденный жидкий теплоноситель по трубопроводу, проложенному вдоль фермы 3 (не показан) возвращается в систему отвода тепла от энергетической установки космического аппарата и вновь поступает в коллектор впрыска 1. Струйные форсунки 10 (см. фиг. 2), сгруппированные в коллекторе 1 по секциям 9, создают струи жидкого теплоносителя с круглой или кольцевой формой поперечного сечения, распадающиеся на капли (под воздействием волновых процессов в свободных струях и сил поверхностного натяжения) в нескольких калибрах от устья форсунок, имеющих предельно малые (доли миллиметра) размеры круглых или щелевых каналов. Каждая секция формирует в результате плоский поток параллельных капельных струй, направленных в створ горловины 11 сборного коллектора 2 (см. фиг.1), шириной В, равной видимой по направлению потока длине линии пересечения плоскости струйного потока (или, что то же, плоскости расположения осей форсунок) с плоскостью окружности горловины. Вся совокупность секций впрыска 9 благодаря вышеописанному угловому смещению осевых линий разметки центров форсунок относительно общей оси коллектора 1 (см. фиг.2) формирует совокупность плоских непересекающихся жидко-капельных потоков, равномерно заполняющих створ горловины 11 сборного коллектора. Жидко-капельный поток, поступивший на вход сборного коллектора (фиг.3), поступает на конические поверхности осадительного барабана 12, приводимого во вращение электродвигателем 26, и под воздействием центробежных сил накапливается на его внутренней поверхности в виде вращающегося жидкого слоя. Из этого слоя под действием тех же сил жидкий теплоноситель поступает в крыльчатку 13 центробежного насоса и далее через коллектор корпуса насоса 27 возвращается в контур теплосъема. Часть его расхода отбирается для подачи в зазоры гидростатических опор ротора (к опорным поверхностям 14, 15, 16, 17), дренируется после их прохождения и направляется на вход сборного коллектора вместе с основным жидко-капельным потоком (эта возвратная линия не показана). Утечки жидкого теплоносителя из зазоров между ротором и статором предотвращаются с помощью винтовых уплотнений, реализуемых винтовыми нарезками 18, 19, 24, 25 на роторе и ответными противонаправленными винтовыми нарезками на статоре. Применение гидростатических опор обеспечивает раскрутку ротора до поступления жидко-капельного потока на вход сборного коллектора при запуске космической энергоустановки, в состав которой входит струйно-капельный космический излучатель.