СОПЛОВОЙ БЛОК Российский патент 1997 года по МПК F42B10/56 

Изобретение относится к области ракетной техники, а более конкретно, к сопловым блокам с устройством стабилизации полета реактивных снарядов (РС) и может найти широкое применение при разработке новых образцов РС, преимущественно неуправляемых.

Как известно, для успешного поражения целей РС в полете не должен отклоняться от расчетной траектории полета, а случайные возмущения (порыв ветра, местное падение плотности воздуха и т.д.) не должны приводить к сходу РС с траектории со все возрастающим отклонением от первоначального направления полета; т. е. РС должен быть стабилизирован на траектории, а его полет быть устойчивым.

Следует отметить, что РС будет устойчив на траектории только в том случае, если центр давления (точка приложения всех аэродинамических сил) смещен назад, к хвостовой части и лежит за его центром тяжести, при этом расстояние между этими точками определяет степень устойчивости.

Для смещения центра давления РС назад, в районе хвостовой части размещаются стабилизаторы, представляющие собой тонкие пластины (лопасти), выступающие за калибр снаряда.

Известны РС, (Виницкий А.М. Ракетные двигатели на твердом топливе. М. Машиностроение 1973, с, 13 и 14) для стабилизации полета которых используется лопастной стабилизатор, размещенный на сопловом блоке двигателя. Сопловой блок состоит из сопла, стабилизатора и обтекателя.

Стабилизатор состоит из лопастей, неподвижно закрепленных на обтекателе, который в свою очередь жестко закреплен на сопле. Лопасти значительно выступают за калибр РС.

Рассмотренный стабилизатор прост по конструкции, обеспечивает необходимую устойчивость РС, отличается высокой технологичностью.

Известно, что при размещении нескольких РС на пусковой установке (ПУ), расстояние между ними должно обеспечивать свободный запуск любого из РС, при этом соседние РС не должны создавать помех движению РС по направляющей ПУ при его запуске.

Учитывая вышеизложенное, размещение на ПУ требуемого количества РС с описанным стабилизатором, значительно выступающим за калибр, существенно увеличивает габариты и массу ПУ, а при ограничении габаритно-массовых характеристик ПУ уменьшается количество РС, размещаемых на ПУ, что является существенным недостатком описанной конструкции соплового блока со стабилизатором.

Таким образом, задачей данного технического решения являлась разработка соплового блока со стабилизирующим устройством, простого по конструкции и высокотехнологичного, но не обеспечивающего максимальной плотности размещения РС на ПУ.

Общими признаками с предлагаемым авторами сопловым блоком являются лопасти и обтекатель.

Оптимальной конструкцией соплового блока, удовлетворяющего требованиям по максимальной плотности размещения РС на ПУ, являлась бы конструкция блока со складывающимся в калибр снаряда оперением, что позволяло осуществлять запуск из трубчатых направляющих.

Наиболее близким по технической сути и достигаемому техническому эффекту является сопловой блок, описанный в (Боевая машина 9П138. Техническое описание и инструкция по эксплуатации. М. Воениздат, 1986, ч. 3, кн. 1, с. 15-21), принятый авторами за прототип.

Сопловый блок содержит передний и задний конуса, цилиндрический тонкостенный обтекатель с пазами и отгибами, который установлен в свободном объеме между конусами, четыре жесткие изогнутые лопасти оперения, свободно вращающиеся на осях, установленных в отгибах отбекателя и пружины кручения-сжатия, установленные на осях в пазах обтекателя.

Лопасти представляют собой тонкие пластины, изогнутые по радиусу отбекателя и в закрытом положении полностью облегают его наружную поверхность без какого-либо перекрытия одной лопасти другой.

В открытом положении лопасти фиксируются в пазах отбекателя с помощью запирающих поверхностей, выполненных на их корневых торцах и ответных поверхностях обтекателя, примыкающих к пазам.

Недостатками известного блока являются:
выполнение лопастей оперения по радиусу обтекателя не позволяет ввести частичное перекрытие одной лопасти другой с целью увеличения их размаха для повышения эффективности оперения при повышенных скоростях, связанных с увеличением дальности стрельбы;
использование в качестве запирающих поверхностей ограниченных участков торца корневой части лопасти существенно увеличивает напряжения на этих участках от действия на лопасть аэродинамических сил и не обеспечивает прочность лопасти при их повышении, например, с увеличением скорости полета для увеличения дальности стрельбы;
использование отдельных, примыкающих к пазам, участков отбекателя в качестве ответных запирающих поверхностей не обеспечивает местную прочность обтекателя при повышении действующих на лопасть аэродинамических нагрузок.

Все это приводит к невысокой эффективности и прочности стабилизатора в целом и не позволяет использовать данное техническое решение в дальнобойных РС с высокими скоростями полета.

Таким образом, задачей данного технического решения (прототипа) являлась разработка соплового блока, обеспечивающего максимальную плотность размещения РС в ПУ и допускающего использование только в снарядах с невысокими техническими характеристиками.

При выходе РС из направляющей лопасти, установленные на сопловом блоке, под действием пружин открываются и перемещаются по осям назад до заклинивания местных выемок, выполненных на торцевой поверхности лопасти торцом паза в обтекателе.

Аэродинамические нагрузки, действующие в полете на лопасти, воспринимаются поверхностями выемок и участками их торцов, примывающих к выемкам и передаются ими на обтекатель.

Общими признаками с предлагаемыми авторами сопловым блоком являются наличие переднего и заднего конусов, обтекатели, жестких изогнутых лопастей с запирающими поверхностями, осей и пружин кручения-сжатия.

В отличии от прототипа в предлагаемом сопловом блоке каждая из лопастей оперения в ее корневой части снабжена местными приливами с запирающими поверхностями, а задний конус соплового блока снабжен выступами с ответными запирающими поверхностями, при этом запирающие поверхности приливов, например задние, выполнены параллельными продольной оси блока, а передние под углом к продольной оси блока, при этом лопасти в закрытом положении размещены с частичным перекрытием друг относительно друга, а вогнутая поверхность каждой из лопастей выполнена по радиусу, центр которого лежит на пересечении перпендикуляров, проведенных из середины двух прямых, попарно соединяющих характерные точки этой поверхности на поперечном сечении лопасти в закрытом положении, а обтекатель выполнен в виде нескольких изогнутых по дуге окружности пластин, закрепленных между лопастями.

Именно это позволят сделать вывод о наличии причинно следственной связи между совокупностью существенных признаков предлагаемого технического решения и достигаемыми техническими результатами.

Указанные признаки, отличительные от прототипа, и на которые распространяется испрашиваемый объем правовой охраны, во всех случаях достаточны.

Задачей предлагаемого технического решения является создание конструкции соплового блока с увеличенным размахом оперения и работоспособного при повышенных аэродинамических нагрузках, характерных для дальнобойных РС.

Выполнение лопастей по иному радиусу, чем в прототипе, позволяет обеспечить частичное перекрытие одной лопасти другой и увеличивает размах оперения при сохранении прежних габаритов сложенного оперения, что очень важно.

Выполнение лопастей и заднего конуса с местными приливами и запирающими поверхностями на них позволяет резко увеличить их площадь и снизить напряжение на этих участках от действия аэродинамических сил, что позволяет увеличить нагрузку, воспринимаемую без разрушения этими поверхностями, при этом масса конструкции практически не увеличивается.

Выполнение одной из опорных поверхностей на лопасти и ответной поверхности на конусе под углом к продольной оси блока позволяет получить беззазорное соединение "лопасть-конус", что уменьшает случайные возмущения, связанные с люфтами в этом соединении.

Выполнение обтекателя в виде пластин, согнутых по дуге окружности и закрепленных между лопастями, позволяет максимально использовать диаметральные размеры полости между конусами для размещения приливов конуса без уменьшения свободного объема под размещение лопастей.

Сущность изобретения заключается в том, что сопловой блок, содержащий передний и задний конусы, размещенное в свободном объеме между наружными поверхностями конусов жесткое, изогнутое оперение с запирающими поверхностями, пружины кручения-сжатия, оси и обтекатель в отличие от прототипа, согласно изобретению каждая из лопастей оперения снабжена местными приливами с запирающими поверхностями, а задний конус соплового блока снабжен выступами с ответными запирающими поверхностями, при этом запирающие поверхности приливов, например задние, выполнены параллельными продольной оси блока, а передние под углом к продольной оси блока, при этом лопасти в закрытом положении размещены с частичным перекрытием друг относительно друга, а вогнутая поверхность каждой из лопастей выполнена по радиусу, центр которого лежит на пересечении перпендикуляров, проведенных из середины двух прямых, попарно соединяющих характерные точки этой поверхности на поперечном сечении лопасти в закрытом положении, а обтекатель выполнен в виде нескольких изогнутых по дуге окружности пластин, закрепленных между лопастями.

На фиг. 1 изображен продольный разрез соплового блока со сложенными лопастями, на фиг. 2 продольный разрез соплового блока с раскрытыми лопастями, на фиг. 3 схема определения центров радиусов гиба двух смежных лопастей. Центры радиусов гиба двух лопастей определяются аналогично.

Сопловый блок (фиг. 1) содержит передний 1 и задний 2 конусы, размещенное между ними жесткое, лопастное оперение 3, оси 4, пружины сжатия-кручения 5 и обтекатель 6.

В корневой части 7 (фиг.2) каждой лопасти выполнены местные приливы 9 и 10 с запирающими поверхностями 11 и 12.

На заднем конусе 2 (фиг. 1) выполнены местные выступы 13 и 14 с ответными запирающими поверхностями 15 и 16. Запирающие поверхности 16 задних выступов 14 выполнены параллельно продольной оси блока, а запирающие поверхности 15 передних выступов 13 под углом 9-11^o к продольной оси блока.

Запирающие поверхности 11 (фиг. 2) лопастей 8 выполнены под углом 6-8^o к продольной оси блока, а запирающие поверхности 12 параллельными продольной оси блока.

Оси 4 (фиг.1) установлена в отверстиях выступов 13 и 14 заднего конуса 2. На осях 4 с возможностью их свободного поворота установлены лопасти 8 (фиг. 2); пружины 5 (фиг. 1) установлены на осях 4 между задним торцом выступа 13 и задним приливом 10 (фиг. 2) лопасти 8. При этом один из концов пружины 5 (фиг. 1) упирается в поверхность заднего конуса 2, а другой во внутреннюю поверхность лопасти 8 (фиг. 2), Обтекатель 6 (фиг. 1 и 2), установлен между лопастями 8 (фиг. 2) и выполнен в виде четырех пластин изогнутых по дуге окружности, которые закреплены на кольцевых утолщениях 17, 18 переднего 1 и заднего 2 (фиг. 1) конусов соответственно. От раскрытия лопасти удерживает кольцо 19 (фиг. 1).

На схеме (фиг. 3) обозначено:
⊘_снар диаметр РС;
⊘_обтек наружный диаметр обтекателя;
α угол перекрытия одной лопасти другой;
I, II поперечные сечения смежных лопастей;
отрезки 1-2 и 2-3 прямые, соединяющие характерные точки вогнутой поверхности лопасти;
отрезки а-с и в-с перпендикулярны, проведенные из середины отрезков 1-2 и 2-3;
точка с центр радиуса внутренний поверхности;
точка o центр поворота лопасти при открытии;
R_л-радиус гиба внутренней поверхности лопасти.

В качестве характерных точек внутренней поверхности лопасти использованы:
1 точка, соответствующая верхнему торцу лопасти, которая перекрывает предыдущую лопасть;
2 точка, лежащая на верхнем торце лопасти;
3 точка, лежащая на оси, соединяющей центр симметрии блока с центром поворота лопасти при открытии.

Определение положения центра гиба лопасти и величины радиуса гиба проводится следующим образом:
зная необходимый размах оперения находят величину угла a перекрытия одной лопасти другой;
исходя из диаметра РС в определенном масштабе строят окружность, соответствующую диаметру РС;
на этой окружности отмечают углы a перекрытия одной лопасти другой;
на отрезках, соединяющих точки углов a, лежащих на окружности с ее центром, отмечают точки 1 и 2, лежащие на расстоянии 2d и d соответственно к центру окружности (d толщина лопасти);
определяют точки поворота лопасти при ее открытии и соединяют эти точки с центром окружности, на этих отрезках отмечают точки 3, лежащие на расстоянии d к центру окружности;
через точки 1-2 и 2-3 проводят отрезки, из середины которых опускают перпендикуляры ас и bс соответственно;
точка с (точка пересечения перпендикуляров) является центром радиуса гиба лопасти, а расстояние от этой точки для любой характерной точки (1, 2 и 3) определят величину радиуса.

Работа блока осуществляется следующим образом.

При подаче электрического импульса на электровоспламенитель ракетного двигателя, последний срабатывает и воспламеняет заряд твердого топлива. Начинается истечение газа через сопло. При выходе двигателя на режим, РС преодолевает усилие стопорного устройства ПУ и начинает движение по направляющей трубе ПУ. Кольцо 19 (фиг. 1) сбрасывается задним торцом трубы и лопасти удерживаются от раскрытия стенками трубы ПУ.

При выходе из трубы лопасти 8 (фиг. 2) под действием пружин 5 (фиг. 1), поворачиваясь на осях 4, открываются и перемещаются назад до заклинивания запирающих поверхностей 10 ответными запирающими поверхностями 15 (фиг. 1), выполненными на выступах 13 заднего конуса 2.

Аэродинамические нагрузки, действующие на лопасть в полете РС воспринимаются запирающими поверхностями 11 и 12 лопасти (фиг. 2) и передаются на ответные запирающие поверхности 15 и 16 (фиг. 1) выполненные на местных приливах 13 и 14 заднего конуса 2 (фиг. 1).

РС начинает полет по траектории.

По предполагаемому изобретению была разработан конструкторская документация (черт. инв. N И-2405, И-2431), по которой в настоящее время изготовлены опытные образцы сопловых блоков.

Испытания их подтвердили работоспособность блока в условиях повышенных нагрузок, характерных для дальнобойных РС.

Результаты испытаний (отчет N 19-232 от 27.12.95 г.) показали, что по сравнению с прототипом:
разрушающая нагрузка увеличилась в 4-5 раз, при этом коэффициент запаса прочности составил 2,5-3;
размах оперения увеличился на 25%
масса соплового блока осталась на прежнем уровне.

По результатам испытаний предлагаемая конструкция признана перспективной и в настоящее время ведется изготовление опытной партии РС с использованием предлагаемой конструкции для проведения приемочных испытаний и дальнейшего серийного производства с перспективой поставок на экспорт.

Использование: изобретение относится к области ракетной техники, а более конкретно, к сопловым блокам с устройством стабилизации полета реактивных снарядов и может найти широкое применение при разработке новых образцов реактивных снарядов, преимущественно неуправляемых. Сущность изобретения заключается в том, что известный сопловой блок содержит передний и задний конусы, размещенные в свободном объеме между наружными поверхностями конусов, жесткое, изогнутое оперение с запирающими поверхностями, пружины кручения - сжатия, оси и обтекатель. Каждая из лопастей оперения в ее корневой части снабжена местными приливами с запирающими поверхностями, а задний конус соплового блока снабжен выступами с ответными запирающими поверхностями, при этом запирающие поверхности приливов, например задние, выполнены параллельными продольной оси блока, а передние - под углом к продольной оси блока, при этом лопасти в закрытом положении размещены с частичным перекрытием друг относительно друга, а вогнутая поверхность каждой из лопастей выполнена по радиусу, центр которого лежит на пересечении перпендикуляров, проведенных из середины двух прямых, попарно соединяющих характерные точки этой поверхности на поперечном сечении лопасти в закрытом положении, а обтекатель выполнен в виде нескольких изогнутых по дуге окружности пластин, закрепленных между лопастями. 3 ил.

Сопловой блок, содержащий передний и задний конусы, размещенное в свободном объеме между наружными поверхностями конусов жесткое изогнутое оперение с запирающими поверхностями, пружины кручения-сжатия, оси и обтекатель, отличающийся тем, что в нем каждая из лопастей оперения в ее корневой части снабжена местными приливами с запирающими поверхностями, а задний конус соплового блока снабжен выступами с ответными запирающими поверхностями, при этом запирающие поверхности приливов, например, задние, выполнены параллельными продольной оси блока, а передние под углом к продольной оси блока, при этом лопасти в закрытом положении размещены с частичным перекрытием друг относительно друга, а вогнутая поверхность каждой из лопастей выполнена по радиусу, центр которого лежит на пересечении перпендикуляров, проведенных из середины двух прямых, попарно соединяющих характерные точки этой поверхности на поперечном сечении лопасти в закрытом положении, а обтекатель выполнен в виде нескольких изогнутых по дуге окружности пластин, закрепленных между лопастями.