РАКЕТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА ДЛЯ УПРАВЛЯЕМОГО СНАРЯДА РЕАКТИВНЫХ СИСТЕМ ЗАЛПОВОГО ОГНЯ Российский патент 1997 года по МПК F02K9/08 

Изобретение относится к военной технике и может быть использовано при разработке ракетных двигателей (РД) к снарядам реактивных систем залпового огня (РСЗО), а более конкретно к РД для управляемых снарядов, работающих на смесевом твердом топливе (СТТ).

При определении уровня техники использовались общедоступные сведения, представленные в следующих источниках информации:
опубликованные описания к охранным документам, заявки на изобретения;
советские и иные издания, имеющиеся в библиотеке;
депонированные рукописи статей, обзоров, монографий, отчеты о научно-исследовательских работах, пояснительные записки к опытно-конструкторским работам и другая конструкторская, технологическая, нормативно-техническая и проектная документация, находящаяся в органах научно-технической информации;
материалы диссертаций и авторефераты, изданные на правах рукописи;
принятые на конкурс работы и экспонаты, помещенные на выставке;
сообщения, переданные посредством радио, телевидения, кино и т.п.

сведения о техническом средстве, ставшие известными в результате его использования.

Анализ этих сведений показал, что в последнее время как в нашей стране, так и за рубежом активно проводятся работы, направленные на повышение эффективности боевого применения снарядов РСЗО. Разработки и освоение промышленностью высокоэффективных СТТ позволили существенно расширить диапазон дальности стрельбы снарядами этого класса.

Однако с увеличением дальности стрельбы заметно ухудшились характеристики кучности боя, что обусловило необходимость комплектации снарядов РСЗО системой управления (СУ), насыщенной электронной аппаратурой, весьма чувствительной к различным ударным и вибрационным нагрузкам.

Во время запуска двигателя снаряд подвергается разгону, а следовательно, и воздействию сильных ударных, высокочастотных вибрационных нагрузок, которые способны вызвать серьезные повреждения как самого снаряда, так и его отдельных элементов.

Многие электронные устройства СУ могут выйти из строя при малейшем повреждении, после чего снаряд практически становится неуправляемым и не решает уже поставленной задачи.

Другие виды ударных нагрузок высокой интенсивности обусловлены следствием неустойчивого горения СТТ. Внезапное повышение давления в камере РД передается на снаряд и воспринимается его конструкцией и ее элементами как импульс ускорения. Эти импульсы обычно имеют малую длительность, поэтому они представляют опасность главным образом для элементов с большой частотой собственных колебаний. При этом возможно совпадение частот собственных и вынужденных колебаний системы. При резонансе амплитуда вынужденных колебаний сильно возрастает, а конструкция при этом испытывает большие напряжения и находится в состоянии сильного динамического нагружения. Нагрузки такого типа могут оказаться очень опасными для элементов с высокой резонансной частотой, например, системы угловой стабилизации (СУС) и системы коррекции дальности (СКД).

Сбои в работе СУС и СКД резко ухудшают характеристики кучности и дальности снаряда, при этом недолет (по опыту отработки одного из снарядов РСЗО) составляет 2-3 км, кучность боя (Вб/Х) ухудшается с 1/300 до 1/150.

Кроме того, наличие в снаряде большого количества объективно необходимых стыковочных узлов, обладающих пониженной жесткостью, является дополнительным источником нежелательного взаимодействия конструкции с системой стабилизации, что также ухудшает условие работы приборов СУ.

Для обеспечения нормальных условий работы элементов конструкции снаряда и предотвращения возможных повреждений необходимо уменьшить степень передачи вибраций через конструкцию к этим элементам. Экспериментально выявлена способность горящего СТТ усиливать колебания звуковой частоты (доминирующих из всего спектра колебаний), следовательно, работающий РД становится источником акустических колебаний достаточно высокой интенсивности.

Высокочастотные колебания давления в камере РД составляют 50-50000 Гц. При этом заметно сокращается период работы двигателя и уменьшается максимальная дальность стрельбы на 2-3 км.

Из зарубежных аналогов известна конструкция амортизирующего устройства (АУ) для зарядов РДТТ (см. патент США N 2996879/3а, кл. 60-35,6, 1961). АУ помещается в камере двигателя между двумя днищами, один из которых прикреплен к камере, а другой оперт на торец шашки (заряда твердого топлива). Амортизатор представляет собой цилиндр с дном, на выступы которого оперта пружина. Цилиндр играет роль демпфера. Во внутренней полости цилиндра, заполненной жидкостью, движется поршень. В качестве второго дна используется гибкая диафрагма, закрепленная на торце цилиндра. Демпфер здесь служит компенсатором перегрузок, действующих на заряд при эволюциях снаряда, и изменения линейных размеров шашки, обусловленных значительной разницей температурных коэффициентов расширения камеры и заряда. Целевое назначение АУ разгрузить шашку и предохранить ее от разрушения.

Конструкция такого демпфера громоздка, увеличивает объем и пассивный вес двигателя, поэтому не годится для подавления вибраций в РДТТ, обусловленных внутренней нестабильностью СТТ.

Известно также техническое решение, принятое за прототип, из патента США N 3015209, в котором (по описанию) торцевые прокладки 50 на концах вкладного заряда ТТ выполнены из пробки или резины. Прокладки 50, в свою очередь, установлены между другими прокладками 41 и 42 на концах пороховой шашки и металлическими дисками 21 и 25. Назначение прокладок 50 предохранить вкладной заряд ТТ от выпадания со своих опор при тепловом расширении камеры сгорания.

Однако материал прокладок 50 и способ их компоновки относительно заряда ТТ и корпуса двигателя этого прототипа не годятся для использования в качестве демпфера в заявляемой конструкции, т.к. его физико-механические характеристики значительно отличаются от характеристик материала демпфера в заявляемой конструкции. Резина и пробка не обладают должной эластичностью, а следовательно, и возможностью погашения дополнительной механической энергии.

Цель изобретения повышение надежности двигателя путем снижения уровня передачи вибраций при использовании смесевого заряда твердого топлива.

Это достигается за счет того, что в ракетном двигателе твердого топлива для управляемого снаряда РСЗО, содержащем корпус с размещенным в нем тонкостенным цилиндром с концевыми элементами, в котором установлен заряд смесевого твердого топлива, а сам тонкостенный цилиндр и концевые элементы выполнены из высокоэластичного материала на основе низкомолекулярного каучука с модулем внутреннего трения, составляющим 5,9-9,6 кгс/см², при этом в концевых элементах выполнена разгрузочная полость, размещенная со стороны, противоположной торцу заряда.

Сопоставительный анализ показывает, что заявляемый ракетный двигатель отличается от прототипа тем, что в нем тонкостенный цилиндр и концевые элементы выполнены из высокоэластичного материала на основе низкомолекулярного каучука с модулем внутреннего трения, составляющим 5,9-9,6 кгс/см², при этом в концевых элементах выполнена разгрузочная полость, размещенная со стороны, противоположной торцу заряда. Поэтому данное техническое решение отвечает критерию "новизна".

Для определения соответствия предлагаемого изобретения критерию "изобретательский уровень" проведен анализ признаков выявленных аналогов. Учитывая, что предлагаемое техническое решение обладает новой совокупностью признаков, которые для специалиста явным образом не следуют из существующего уровня техники, оно соответствует критерию "изобретательский уровень".

На фиг. 1 представлен общий вид РД; на фиг. 2 иллюстрируются графики устойчивого (кривая 1) и неустойчивого (кривая 2) процесса горения в камере P f(t); на фиг. 3 показан спектр интенсивности и диапазон звуковых колебаний при работе двигателя; на фиг. 4 проведена зависимость коэффициента звукопоглощения (α) от частоты звуковых колебаний (f) для различных звукопоглощающих материалов; на фиг. 5 показан крупным планом один из фильтров со схематичным изображением направления действующих напряжений в зоне разгрузочной полости.

Ракетный двигатель содержит корпус 1 с передним 2 и задним днищами 3 и заряд СТТ 4 внутриканального горения, вмонтированный в акустический демпфер, выполненный в виде тонкостенного цилиндра 5 с концевыми фильтрами 6, толщина которых равна размеру "А", и разгрузочными полостями 7 с поверхностью раздела "В" (фиг. 5) с кольцевым зазором d, обращенными в сторону днищ. Тонкостенный цилиндр 5 демпфера выполнен из высокоэластичного материала на основе низкомолекулярного каучука с модулем внутреннего трения K 5,9-9,6 кгс/см² и прочно скреплен как с корпусом 1, так и с зарядом СТТ 4.

При отработке РД к одному из снарядов РСЗО авторами проведены широкие исследования стабильности горения СТТ с точки зрения изучения механизма преобразования энергии высокочастотных колебаний с учетом удельной акустической проводимости границ, притока энергии и ее потерь. В отдельных областях (особенно в придонных зонах) камеры двигателя отмечено наличие повышенных амплитудных колебаний, обусловленных фактом течения газов. Эти области, как правило, не выходят за пределы поверхностей, ограниченных размерами "А". Поэтому в этих зонах размещены фильтры 6, а разгрузочные полости 7 выполнены в плоскости действия экстремальных напряжений (фиг. 1, 5).

Возникающие при работе двигателя вибрации и обусловленные ими касательные и осевые напряжения воспринимаются цилиндрической поверхностью цилиндра 5 и концевыми фильтрами 6 акустического демпфера. При встрече с концевыми фильтрами 6 осевые напряжения уменьшаются за счет разложения на радиальные и касательные составляющие (фиг. 5), поглощаются массой высокоэластичного материала концевых фильтров 6 и гасятся за счет гистерезисных и вязкостных потерь, присущих потенциальным свойствам выбранного низкомолекулярного каучука. Под действием вибраций в фильтрах 6 происходит перераспределение напряжений, вследствие которых поверхность раздела "В" как бы "дышит", кольцевой зазор d изменяется и колебания отфильтровываются.

Количественные пределы модуля внутреннего трения K 5,9-9,6 кгс/см² применяемого низкомолекулярного каучука являются необходимыми и достаточными для снижения уровня передачи возникающих в работающем РД вибраций в 6,0-8,0 раз (по данным телеметрических измерений траектории полета снаряда). Это гарантирует надежную работу электронных приборов СУС и СКД системы управления снаряда.

С выходом за указанные пределы модуля внутреннего трения "K" выбранного материала демпфера существенно снижаются его амортизирующие возможности и резко возрастает уровень передачи вибрации от РД к элементам конструкции снаряда.

В процессе отработки двигателя к снаряду РСЗО апробированы такие материалы как морозостойкая резина марки 51-2110, у которой К < 5,9 кгс/см², резиновые смеси на основе каучуков типа СКИ, НК, пластик марки АФК (композиционный материал на основе асбестовой ткани), у которых К 10,0-20,0. В итоге вулканизаторы и асботкань признаны непригодными. При К < 5,9 кгс/см² под действием больших механических напряжений и деформаций резина как бы "течет", размягчается, теряет эластичность и вязкость, приводит к необратимым деформациям, изменению объема и потере способности поглощать механическую энергию (вибрации) в необратимой форме. При К > 9,6 кгс/см² резина и асботкань выходят за пределы требований высокоэластичности и работают как твердые тела, неспособные гасить вибрации (см. кривые 1 и 3 на фиг.4). Кроме того, "К" для резин прямой зависимостью связан с их динамическим модулем "E", который представляет собой отношение амплитуды напряжения к амплитуде деформации. Следовательно, демпферы, изготовленные из материалов с повышенными характеристиками модулей "К" и "E", будут хуже отфильтровывать колебания. Такие вулканизаторы обладают меньшими гистерезисными потерями и слабой диссинацией (рассеянием) механической энергии.

Как следует из фиг. 4 (жирная кривая 2) наибольшим звукопоглощением в диапазоне частот 200 < f < 2000 Гц, где интенсивность (J) звуковых колебаний предлагаемого РД максимальна (фиг. 3), обладает высокоэластичный материал на основе низкомолекулярного каучука с модулем внутреннего трения К 5,9-9,6 кгс/см², который еще характеризуется параметром ,
где: D,ρ,δ жесткость, плотность и толщина звукопоглощающего материала.

В результате применения выбранного звукопоглощающего материала на основе низкомолекулярного каучука в качестве акустического демпфера, интенсивность звуковых колебаний, действующих на приборы СУ, уменьшилась в 6,0-8,0 раз.

Предлагаемая конструкция РД успешно прошла стендовые огневые и летные испытания (с телеметрированием траектории полета) стрельбой в составе снаряда РСЗО. По результатам экспериментальных работ произведена корректировка конструкторской документации. Данное техническое решение позволило изолировать заряд СТТ от корпуса РД посредством демпфера, что в 6-8 раз снизило уровень передачи вибраций от работающего двигателя к приборам СУ и существенно повысило надежность действия снаряда.

В настоящее время ПО "Сибприбормаш" ведет серийное производство указанных двигателей к снарядам РСЗО "Смерч" для инозаказчика, осуществлены первые поставки в государство "Кувейт".

Имеется ряд коммерческих предложений по поставке другим государствам, а также по организации их производства.

Использование: в военной технике. Сущность изобретения: заряд твердого топлива размещен в тонкостенном цилиндре ТЦ с концевыми элементами, имеющими разгрузочные полости. ТЦ выполнен из высокоэластичного материала на основе низкомолекулярного каучука с определенной, защищаемой величиной модуля внутреннего трения. 5 ил.

Ракетный двигатель твердого топлива для управляемого снаряда реактивной системы залпового огня, включающий корпус с размещенным в нем тонкостенным цилиндром с концевыми элементами, в котором установлен заряд твердого топлива, отличающийся тем, что в нем тонкостенный цилиндр и концевые элементы выполнены из высокоэластичного материала на основе низкотемпературного каучука с модулем внутреннего трения, составляющим 5,9 9,6 кгс/см², при этом в концевых элементах выполнена разгрузочная полость, размещенная со стороны, противоположной торцу заряда.