СПОСОБ ВЫСОТНОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ ТЯГИ РЕАКТИВНОГО ДВИГАТЕЛЯ Российский патент 1997 года по МПК F02K9/80 

Изобретение относится к области реактивной техники, конкретно к регулированию тяги реактивных двигателей (РД), устанавливаемых на летательных аппаратах (ЛА).

Известен способ высотного регулирования тяги РД, включающий присоединение к тяговой камере работающего РД расширяющегося соплового насадка (пат. США 4676436, НКИ 239/265. 33 1987). Применение указанного способа позволяет существенно повысить энергетические характеристики (грузоподъемность) ракет-носителей (РН) и других ЛА с бортовыми РД, функционирующими в широком диапазоне высот. Этот факт объясняется приростом тяги РД за счет дополнительного расширения газового потока в РД по мере подъема ЛА (например, при старте РН с Земли в космос).

Присоединение соплового насадка к тяговой камере может осуществляться его выдвижением (устройство телескопического типа) либо разворачиванием из сложенного положения. Реальна ситуация, когда давление газового потока на выходе из тяговой камеры превышает давление окружающей среды (атмосферы) и, следовательно, истекающая реактивная струя имеет начальную конфигурацию расширяющегося конуса, с которым сопловой насадок входит в контакт по мере своего движения. Переходя на концевую часть движущегося насадка, реактивная струя продолжает расширяться в нем, и на стенке насадка может возникнуть сила давления, направленная против движения насадка. Преодоление этой силы (составляющей по своей сути реактивную тягу) требует дополнительной мощности от приводного механизма соплового насадка, что увеличивает массу конструкции РД. При контакте движущегося насадка с высокотемпературным сверхзвуковым потоком газа возможно также разрушение (прогар) конструкции соплового насадка из-за ударного характера взаимодействия.

Изобретение решает задачу снижения массы и повышения надежности РД при его высотном регулировании (о выключении РД на период присоединения соплового насадка не может быть речи хотя бы ввиду ощутимых энергетических потерь, связанных с временным прекращением тяги РД в полете).

Решение поставленной задачи достигается тем, что в способе высотного регулирования тяги РД, включающем присоединение к тяговой камере работающего РД расширяющегося соплового насадка, согласно изобретению, перед и/или в процессе присоединения соплового насадка тяговую камеру дросселируют.

На фиг.1, 2, 3, 4 представлены тяговая камера работающего РД перед присоединением соплового насадка (фиг.1) в процессе присоединения (фиг.2, 4) и после присоединения соплового насадка (фиг.3), где: 1 тяговая камера, 2 - выдвижной сопловой насадок, 3 силовой привод, 4 реактивная струя. Представленная тяговая камера является составной частью РД, работающего на топливе жидкий кислород жидкое углеводородное горючее, устанавливаемого на первой ступени космической РН: ступень функционирует от старта РН до высоты полета 50 км, и сопловой насадок присоединяют к тяговой камере на высоте 12 км. Тяговая камера рассчитана на номинальное рабочее давление в зоне горения (точка А) 32 МПа, и при этом начальном давлении продуктов сгорания они расширяются на выходе тяговой камеры (сечение Б-Б) до 36 кПа, сопловой насадок рассчитан на последующее расширение продуктов сгорания до 20 кПа (сечение В-В).

На участке полета рН от старта до высоты 12 км режим работы РД остается неизменным, в то время как давление окружающей среды уменьшается от 100 кПа до 18 кПа. Соответственно этому меняется конфигурация реактивной струи на выходе из тяговой камеры: до высоты 8 км, соответствующей окружающему давлению 36 кПа, струя поджата, на указанной высоте имеет конфигурацию цилиндра (с диаметром Б-Б), а в дальнейшем приобретает конфигурацию расширяющегося конуса, угол раскрытия которого (α) возрастает и на высоте 12 км достигает значения 52^o (фиг.1). В этот момент воздействуют на регулирующие органы РД, снижая подачу топлива в тяговую камеру, и таким образом осуществляют дросселирование РД с номинального рабочего давления 32 МПа до 22,4 МПа (т.е. на 30% ). При этом давление реактивной струи на выходе из тяговой камеры снижается до 25 кПа, и угол раскрытия струи уменьшается с первоначального значения 52^o до 38^o. Далее начинают выдвигать сопловой насадок, и при перемещении на 0,7 длины насадка его выходное сечение В-В касается границы реактивной струи. Пир дальнейшем перемещении насадка реактивная струя после выхода из тяговой камеры переходит на концевую часть насадка (фиг.2), расширяясь в ней до 14 кПа (сечение В-В). По достижении насадком конечного, рабочего положения двигатель форсируют до прежнего, номинального давления в зоне горения (фиг. 3). При этом давление газов на выходе из соплового насадка возрастает с 14 кПа до 20 кПа.

Чтобы показать достоинства предложенного способа, примем для конкретного примера, что выходной диаметр тяговой камеры (Б-Б) составляет 1500 мм. В этом случае присоединение соплового насадка на высоте 12 км увеличивает тягу РД на 67 кН. При высотном регулировании РД известным способом (без дросселирования) силовые приводы пришлось бы рассчитывать на преодоление указанной силы тяги, поскольку в процессе движения соплового насадка на его внутренней стенке существовал бы положительный градиент давления по отношению к окружающей среде. В противоположность этому предложенный способ позволяет (как мы убедились на конкретном пример) получить отрицательный градиент давления и создать силу, способствующую перемещению соплового насадка в рабочее положение.

Предложенный способ позволяет также исключить воздействие реактивной струи на перемещаемый насадок путем выбора определенной степени дросселирования РД. Например, при дросселировании описанного конкретного РД на 51% от номинальной тяги газовый поток на выходе из тяговой камеры расширяется до давления окружающей среды, и реактивная струя приобретает конфигурацию цилиндра, который не взаимодействует с перемещаемым сопловым насадком почти вплоть до его конечного, рабочего положения (фиг.4). (Более глубоким дросселированием РД можно придать реактивной струе на выходе из тяговой камеры конфигурацию сужающегося конуса.) Исключение указанного взаимодействия предотвращает появление на стенке движущегося соплового насадка нежелательных сил (в том числе знакопеременных нагрузок), могущих затруднить движение, привести к заклиниванию и соударению деталей.

Поскольку в реальных условиях на выдвижение соплового насадка уходит не более 1-2 с, то дросселирование РД на столь короткое время не приводит к ощутимым потерям скорости РН. Их можно легко компенсировать последующей коррекцией траектории РН за счет форсирования тяги РД.

Таким образом, технический результат от использования изобретения состоит в снижении массы и повышении надежности РД при его высотном регулировании.

Изобретение целесообразно использовать для регулирования тяги бортовых РД, функционирующих в широком диапазоне высот.

Отметим в заключение, что приведенный конкретный пример не исчерпывает всех реальных ситуаций использования изобретения. В частности, дросселирование РД может осуществляться не только в начале, но и в процессе движения соплового насадка. Временные границы, как и уровень дросселирования, определяются конкретной программой полета конкретного ЛА, на борту которого размещен РД.

Наиболее просто осуществить изобретение в РД, работающих на жидком ракетном топливе, поскольку в этом случае дросселирование тяговой камеры легко достигается снижением подачи в нее топлива путем воздействия на соответствующие органы регулирования РД. В твердотопливных РД дросселирование тяговой камеры достигается простым уменьшением поверхности горения топливного заряда (благодаря его специальному профилированию) или/и введением в заряд топлива с пониженной скоростью горения, упомянутые выше способы дросселирования тяговых камер хорошо освоены в современной ракетной технике и в большинстве случаев потенциального применения изобретения не связаны с заметным усложнением РД. Наряду с этим при осуществлении изобретения могут использоваться и другие известные способы дросселирования РД.

Использование: для регулирования тяги бортовых двигателей летательных аппаратов, функционирующих в широком диапазоне высот. Сущность изобретения: способ включает присоединение к тяговой камере работающего реактивного двигателя расширяющегося соплового насадка, причем перед и/или в процессе присоединения тяговую камеру дросселируют. 4 ил.

Способ высотного регулирования тяги реактивного двигателя, включающий присоединение к тяговой камере работающего реактивного двигателя расширяющегося соплового насадка, отличающийся тем, что перед и/или в процессе присоединения соплового насадка тяговую камеру дросселируют.