Класифікація, основні типи конструкцій та призначення капілярних засобів забезпечення суцільності палива
DOI:
https://doi.org/10.15407/knit2024.01.014Ключові слова:
капілярні засоби забезпечення суцільності палива, лопатки, капілярні насоси, колектори, накопичувачі, жолоби, сітчасті розділювачі фаз, капілярна утримна здатність.Анотація
Політ космічного літального апарату характеризується чергуванням активних ділянок траєкторії, коли працює рушійна установка, та пасивних ділянок, на яких рідинні компоненти палива в баках знаходяться під впливом мікрогравітації. Внаслідок різноманітних збурюючих факторів (дії: аеродинамічних сил, сонячного вітру, внутрішніх гравітаційнійних сил, прискорення від двигунів системи орієнтації та стабілізації, інш.) ці компоненти палива можуть займати в цих баках будь-яке положення. При цьому, не виключена ситуація, коли газова компонента палива може потрапити до витратної магістралі, що в подальшому може привести до зриву повторного запуску рушійної установки і аварійного завершення місії. Тому майже обов’язковим елементом систем зберігання та живлення рідинними ракетними компонентами палива рушійної установки космічного літального апарату є засоби забезпечення суцільності палива, головним критерієм досконалості яких є величина залишків компонентів палива, що не можливо відпрацювати із-за порушення суцільності рідини на вході у рушійну установку. Безпосередньо конструкція засобів забезпечення суцільності палива визначається внутрішньою геометрією бака та характеристиками пневмогідросистеми космічного літального апарату. Істотне ускладнення конструкції засобу забезпечення суцільності палива відбувається за наявності декількох факторів, які присутні при виконанні космічним літальним апаратом польотного завдання: багаторазовий запуск та зупинення рушійної установки, виконання складних маневрів в умовах різноспрямованих зовнішніх силових імпульсів, що якраз притаманне для космічних літальних апаратів багатоцільового призначення. Невизначеність положення та неоднозв’язність границь між газом наддуву і компонентами палива на момент запуску рушійної установки, потребують додаткових способів для запобігання передчасного прориву газу у витратну магістраль з його подальшим потраплянням до рушійної установки. За більш ніж п’ять десятиліть були розроблені засоби забезпечення суцільності палива, дія яких заснована на різноманітних принципах. Найбільшого розповсюдження отримали засоби забезпечення суцільності палива капілярного типу. За цей час були вивчені основні фізичні принципи поведінки рідини під дією капілярних сил в умовах невагомості і визначені основні типи конструкцій засобів забезпечення суцільності палива та описано спектр завдань, які вони вирішують. У роботі пропонується класифікація основних типів конструкцій та призначення капілярних засобів забезпечення суцільності палива.
Посилання
Bagrov V. V., Kurpatenkov A. V., Polyaev V. M., et al. (1997). Capillary systems for extracting fluid from spacecraft tanks. Ed.V. M. Polyaev. M.: UNPC «Energomash», 328 p. [in Russian].
Belyaev N. M. (1983). Calculation of pneumohydraulic systems of rockets. M.: Mashinostroenie, 219 p. [in Russian].
Birkhoff G., Sarantanello E. (1964). Jets, traces and caverns. M.: Mir, 466 p. [in Russian].
Valov A. A., Savushkin N. F. (1987). Power systems using surface tension forces: a review based on foreign scientific, technical and patent information. Head Department of Scientific and Technical Information-4, Part. III, No. 20, 73 p. [in Russian].
Garkusha V. A., Shevchenko B. A., Rada N. A., Ovots N. A. (1983). Means for ensuring the continuity of fuel components of foreign spacecraft . Review based on materials from the open press for 1967—1981. Head Department of Scientific and Technical Information–3, Part. I, No. 229 (28), 44 p. [in Russian].
Golovko M. P. (2015). Merchandising of clothing fyl footwear products. Study guid. Kharkiv: Kharkiv. State Un-t of Food and Trade, 459 p. [in Ukrainian].
GOST 3187–76. Grids are wire woven filter. M.: Publ. house of standards, 1976. 6 p. [in Russian].
GOST 6613–86. Grids woven wire with square cells. M.: Publ. house of standards, 1986. 11 p. [in Russian].
Davydov S. A., Gorelova K. V. (2012). History of design improvement and prospects for the use of means to ensure fuel continuity based on capillary forces. Bull. Dnipropetrovsk Univ. Ser. history and philosophy of science and technology, 20, 160-164 [in Russian].
Kovalevsky M. M. (1970). Problems of temperature control of tanks under conditions of small overloads by draining a part of the component into the surrounding space: a review based on foreign press materials. Head Department of Scientific and Technical Information, No. 4, 48 p. [in Russian].
Kozlov A. A., et al. (1988). Power supply and control systems for liquid-propellant rocket propulsion systems. M.: Engineering, 352 p. [in Russian].
Kraev M. V., Kishkin A. A., Melkozerov M. G. (2002). Hydrodynamics of two-phase flow in the chamber of a passive phase separator. Univ. news. Aviation. technology, No. 3, 22—26 [in Russian].
Novikov Yu. M., Bol’shakov V. A. (2010). Combined porous mesh metals. Security in the technosphere, No. 5, 34—37 [in Russian].
Patent of Russia № 2165871. Grishin V. M., Podobedov G. G., Perfil’ev L. A., et al. A device for separating liquid and gas under weightlessness. Declared 04.17.2000, publ. 04.27.2001 [in Russian].
Platov I. V., Simonov A. V. (2016). Development of the design of propulsion systems and trajectories of spacecraft of the Laplace-II project for the study of the planetary system of Jupiter. Bull. SibGAU. Ser. Aviation and rocket-space technology, 17, No. 3, 710—721 [in Russian].
Platov I. V., Simonov A. V. (2018). Development of a propulsion system based on small thrust engines and a scheme for spacecraft flight to the center of the solar system. Sib. J. Sci. and Techn. Ser. Aviation and rocket-space technology, 19, No. 3, 517—525.
https://doi.org/10.31772/2587-6066-2018-19-3-517-525 [in Russian].
Polukhin D. A., Oreshenko V. M., Morozov V. A. (1987). Development of pneumohydraulic systems of propulsion systems for launch vehicles and spacecraft with rocket engines. M.: Engineering, 248 р. [in Russian].
Ring E. (1968). Liquid propellant rocket propulsion systems. M.: Mіr, 404 p. [in Russian].
Sapozhnikov V. B., Krylov V. I., Novikov Yu. (2013). Ground testing of capillary phase separators based on combined porous- mesh materials for fuel tanks of liquid rocket engines of the upper stages of launch vehicles, upper stages and spacecraft. Eng. J.: Sci. and Innovation, No. 4, 1-15.
Sedikh I. V., Nazarenko D. S., Smolensky D. E. (2019). Features of experimental development of the process of deposition of fuel components in tanks of space rocket stages. Space technology. Rocket weapons, No. 2, 35-41.
https://doi.org/10.33136/stma2019.02.035 [in Russian].
Sedich I. V. (2021). Selection of design parameters of inertial factors for ensuring the stability of fuel in the tanks of the space stages of launch vehicles: dis. cand. tech. Dnipro, 214 р. [in Russian].
Semenov Yu. P., Lozin-Lozinsky G. E., Lapygin V. L., Timchenko V. A. (1995). Buran reusable orbital ship. M.: Engineering, 447 p. [in Russian].
Chelomey V. N., Polukhin D. A., Mirkin N. N., Oreshchenko V. M., Usov G. L. (1978). Pneumohydraulic systems of propulsion systems with liquid rocket engines. M.: Engineering, 240 p. [in Russian].
Shevchenko B. A. (1990). Calculation and experimental method for the development of means for taking components from tanks of aircraft with a liquid rocket engine: diss. cand. tech. Dnepropetrovsk, 209 p. [in Russian].
Yanke E., Emde F., Lesh F. (1977). Special functions. M.: Nauka, 344 p. [in Russian].
Abrego A., Bair C., Hink A., et al. (1993). Project Hyreus. Mars sample retechnical specificationrn mission utilizing in sitechnical specification propellant production. Washington Univ.; Dept. of Aeronautics and Astronautics, NASA-CR-197189, 383 p. [in English].
Behruzi P., Dodd C., Netter G. (2007). Future Propellant Management Device Concepts for Restartable Cryogenic Upper Stages. Joint Propulsion Conf. & Exhibit (8—11 July 2007, Cincinnati, OH). 43rd AIAA/ASME/SAE/ASEE, 8 p.
https://doi.org/10.2514/6.2007-5498 [in English].
Behruzi P., Klatte J., Fries N., Netter G., Kranz T. (2012). Cryogenic Propellant Management during Ballistic Flight Phases. 48th Joint Propulsion Conf. & Exhibit (30 July — 01 August 2012, Atlanta, Georgia). AIAA/ASME/SAE/ASEE, 14 p.
https://doi.org/10.2514/6.2012-4047 [in English].
Behruzi P., Klatte J., Fries N., Schütte A., Köhler H. (2013). Cryogenic Propellant Management Sounding Rocket Experiments on TEXUS 48. 49th Joint Propulsion Conf. (July 14—17, 2013, San Jose, CA). AIAA/ASME/SAE/ASEE, 19 p.
https://doi.org/10.2514/6.2013-3904 [in English].
Bienhoff D. (2019). The future of commercial space transportation. URL: https://www.thespacereview.com/article/3776/1 (Last accessed: 06.06.2023).
Blackmon J. B. (1984). Collection of liquid propellant in zero gravity with electric forces. AIAA Paper, № 265, 391—398.
https://doi.org/10.2514/3.28190 [in English].
Blatt M. H., Audelott J. C. (1976). Centaur propellant acquisition system. J. Spacecraft and Rockets, 13, № 9, 515—521 [in English].
Chapter J. J., Rider S. B. (1980). Surface tension propellant management system computerized flow analysis. AIAA Paper, № 1098. 8 p. https://doi.org/10.2514/6.1980-1098 [in English].
Chato D. J. (2006). The Role of Flight Experiments in the Development of Cryogenic Fluid Management Technologies. Cryogenics, 46, No. 2–3, 82—88 [in English].
DeBrock S. C. (1970). A survey of current developments in surface tension devices for propellant acquisition. AIAA Paper, № 685, 83—98.
https://doi.org/10.2514/3.30226 [in English].
DeBrock S. C., Grove R. K. (1975). Capillary propellant management for integrated primary and secondary propulsion systems. J. Spacecraft and Rockets, 12, No. 5, 261—270. https://doi.org/10.2514/3.56972 [in English].
Dowdy M. W., De-Brock S. C. (1973). Selection of a surface tension propellant management system for the Vicing-75 Orbiter. J. Spacecraft and Rockets. 10, No 9, 549-558 [in English].
Ellion M. E., Trizell D. P., Mager E. (1977). An improved technique for propellant management for body stabilized spacecraft. AIAA Paper, № 850. 7 p. https://doi.org/10.2514/6.1977-850 [in English].
Fester D. A., Villlars A. D., Uney P. E. (1975). Surface tension propellant acquisition system technology for Space Shuttle reaction control tanks. AIAA Paper, No. 1196. 522—527. https://doi.org/10.2514/3.57117 [in English].
Gravlee M., Vera C., Wollen M., McLean C., Walls L. (2010). Micro-Gravity Cryogenic Experiment Opportunity. AIAA Paper, No 8838. 8 p. https://doi.org/10.2514/6.2010-8838 [in English].
Hartwig J. W. (2017). Propellant Management Devices for Low-Gravity Fluid Management: Past, Present, and Future Applications. J. Spacecraft and Rockets, 54, No 4, 808—824. https://doi.org/10.2514/1.A33750 [in English].
Industrial woven wire cloth. Technical requirements and testing. ISO 9044:2016 [in English].
Jaekle D. E. Jr. (1991). Propellant Management Device Conceptual Design and Analysis: Vanes. 27th Joint Propulsion Conf. (June 24—26, 1991, Sacramento, CA, 13). AIAA/SAE/ASME/ASEE, AIAA-91-2172. 12 p.
https://doi.org/10.2514/6.1991-2172 [in English].
Jaekle D. E. Jr. (1993). Propellant Management Device Conceptual Design and Analysis: Sponges. 29th Joint Propulsion Conf. and Exhibit (June 28—30, 1993, Monterey, CA, 13). AIAA/SAE/ASME/ASEE, AIAA-93-1970. 13 p.
https://doi.org/10.2514/6.1993-1970 [in English].
Jaekle D. E. Jr. (1995). Propellant Management Device Conceptual Design and Analysis: Traps and Troughs. 31th Joint Propulsion Conf. and Exhibit (July 10—12, 1995, San Diego, CA, 13). AIAA/SAE/ASME/ASEE, AIAA-95-2531. 13 p.
https://doi.org/10.2514/6.1995-2531 [in English].
Jaekle D. E. Jr. (1997). Propellant Management Device Conceptual Design and Analysis: Galleries. 33th Joint Propulsion Conf. and Exhibit (July 6—9, 1997, Seattle, WA, 13). AIAA/SAE/ASME/ASEE, AIAA-97-2811. 13 p.
https://doi.org/10.2514/6.1997-2811 [in English]
Kornuta D., Abbud-Madrid А., Atkinson J., et al. (2019). Commercial lunar propellant architectechnical specificationre. A collaborative stechnical specificationdy of lunar propellant production. 77 p. https://doi.org/10.1016/j.reach.2019.100026 [in English].
Kutter B., Zegler F., Sakla S., Wall J., Saks G., Duffey J., Hopkins J., Chato D. J. (2006). Settled Cryogenic Propellant Transfer. AIAA Paper, No 4436. 8 p. [in English].
Levich V. G. (1962). Physicochemical Hydrodynamics. Prentice Hall, Inc., Englewood Cliffs, N. J., 700 p. [in English].
Lunar market assessment: market trends and challenges in the development of a lunar economy. URL: https://www.pwc.com. au/industry/space-industry/lunar-marketassessment-2021.pdf (Last accessed: 06.06.2023) [in English].
Melcher J. R. (1969). Dielectroforetic liquid expulsion. J. Spacecraft and Rockets, 6, No 9, 961—967 [in English].
Patent Bundesrepublik Deutschland № 2506489. Laaber D. G., Hivert A. P. Selbstentleerender Behalter fur Ranumfahrzenge. Declared 15.02.75; publ. 17.08.1978 [in German].
Patent USA № 3353350. Grove R. K., Collins W. S., DeBrock S. C. Sump for space vehicles. Declared 08.05.65; publ. 21.11.1967 [in English].
Regnier W. W., Hess D. A. (1978). Design and development of a passive propellant management system. J. Spacecraft and Rockets, 15, No 5, 299—304 [in English].
Rollins J., Grove R., Jaekle D. (1985). Twenty-three years of surface tension propellant management system design, development, manufacture, test, and operation. 21st Joint Propulsion Conf., 9 p. https://doi.org/10.2514/6.1985-1199 [in English].
Sakla S., Kutter B., Wall J. (2006). Centaur Test Bed (CTB) for Cryogenic Fluid Management. AIAA Paper, № 4603. 5 p.
https://doi.org/10.2514/6.2006-4603 [in English].
Schemes of types weaving of mesh screen. URL: https://www.marcospecialtysteel.com/wire-mesh-crimp-and-weave-styles/ (Last accessed: 06.06.2023).
Schutze H. (1982). Strukturmechanische auslegung des triebstofforder-ungssystems eines oberflachen spannungstanks. Zeitschrift für Flugwissenschaft und Weltraumforschung, 6, No 3, 160-167 [in English].
Snead J. M., Hellman B. H. (2007). Near-future reusable space logistics vehicles. 43rd Propulsion Conf. & Exhibit. AIAA/ASME/SAE/ASEE, 1—20. https://doi.org/10.2514/6.2007-5847 [in English].
Standard specification for industrial woven wire cloth. ASTM E 2016 – 20. 2020 [in English].
Standard guide for industrial woven wire filter cloth. ASTM E 2814 – 18. 2018 [in English].
Tam W., Behruzi P., Jaekle D., Netter G. (2016). The Evolutionary forces and the design and development of propellant management devices for space flight in europe and the united states. Space Propulsion, 25 p. [in English].
Tam W., Jaekle D. (2018). Review and history of ATK space systems surface tension PMD tanks. Space Propulsion, 24 p. [in English].
Tegart J. R., Wright N. T. (1983). Double perforated plate as a capillary barrier. 19th Joint Propulsion conf., No 1379, 7 p.
https://doi.org/10.2514/6.1983-1379 [in English].
Zombie Satellites Return From the Graveyard. Mission Extension Vehicles give dead spacecraft a new lease on life.
URL: https://spectrum.ieee.org/zombie-satellites-return-from-the-graveyard#to. (Last accessed: 06.06.2023).
