РАКЕТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА Российский патент 1998 года по МПК F02K9/26 

Предполагаемое изобретение относится к ракетной технике, в частности, к ракетным двигателям на твердом топливе.

Известен ракетный двигатель твердого топлива с эжектируемым воспламенителем [1] . Двигатель имеет реактивное сопло, осевой канал для отвода газов через сопло и воспламенитель топлива. Последний установлен в осевом канале двигателя таким образом, что он выбрасывается через сопло при сгорании проперголя (заряда).

Данная конструкция позволяет надежно зажечь заряд, имеющий осевой канал, за счет того, что, при движении воспламенителя его горячие газы постоянно контактируют с боковой поверхностью осевого канала заряда.

Недостатком такой конструкции является возможность повреждения поверхности канала корпусом воспламенителя при перекосе (во время выбрасывания) штанги и срезной мембраны, расположенных сзади воспламенителя.

Этот недостаток устранен в конструкции твердотопливного заряда для РДТТ [2] , содержащем вспомогательную пусковую шашку торцовым горением и основную шашку для крейсерского режима работы.

Данная конструкция позволяет надежно воспламенить заряд за счет применения в пусковой шашке пороха с лучшей воспламенимостью, однако, недостатками являются применение нескольких марок топлив для шашек и их крепление, расточка шашки для крейсерского режим работы и вклейка пусковой шашки. Конструкция заряда усложняется.

Эти недостатки устранены в наиболее близкой по технической сущности к предполагаемому изобретению конструкции ракетного двигателя артиллерийского снаряда [3] , содержащем корпус с зарядом твердого топлива и соплом, установленную в нем заглушку, воспламенитель, причем воспламенитель размещен на заглушке в коническом корпусе с расходным отверстием.

Данная конструкция проста (имеет одну шашку), зажжение заряда торцевого горения в диапазоне температур ±50^oC осуществляется за счет применения форкамеры - конического корпуса, внутри которого воспламенитель создает высокое давление газа.

Однако, эта конструкция имеет такой недостаток, что при минусовых температурах струя газа от воспламенителя может раскалывать заряд твердого топлива, который при указанных температурах становится хрупким.

Раскалывание заряда обусловлено и тем, что струя имеет достаточно малую площадь воздействия на перпендикулярный ей торец заряда, а это создает повышенное импульсное напряжение в материале заряда.

Разрушение может возникать не только за счет прямого действия струи, но и за счет усиления отраженной от переднего торца заряда импульсной механической волны, распространяющейся в порохе при ударе струи газов воспламенителя.

Раскалывание заряда приводит к увеличению поверхности горения и, соответственно, повышению давления в корпусе и разрушению двигателя.

Все это снижает надежность работы двигателя.

Целью изобретения является повышение надежности работы ракетного двигателя твердого топлива.

Указанная цель достигается за счет того, что, в ракетном двигателе твердого топлива, содержащем заряд, корпус с установленным в его сопло воспламенителем с расходным отверстием на торце заряда, обращенном к воспламенителю, выполнен рассекатель в виде кольцевой канавки с радиусным профилем, причем угол между касательными к радиусному профилю канавки в точках их пересечения с вершиной рассекателя равен 60^o - 90^o, при этом диаметр расходного отверстия воспламенителя больше диаметра вершины рассекателя, а расстояние от торца заряда до воспламенителя определено соотношением
L = (6 - 10)•d,
где
L - расстояние от торца заряда до воспламенителя, d - диаметр расходного отверстия воспламенителя.

Выполнение на торце заряда, обращенном к воспламенителю, рассекателя в виде кольцевой канавки с радиусным профилем позволяет уменьшить силу, воздействующую по нормали (перпендикулярно) к поверхности пороха, при этом осуществляется плавный поворот потока газа воспламенителя по радиусному профилю канавки с выходом на плоский торец заряда. Тангенциальная составляющая сила (напора) струи позволяет лучше зажечь порох заряда за счет увеличенной тангенциальной скорости струи. Центробежная сила, возникающая при движении газа воспламенителя по радиусному профилю канавки, прижимает еще не полностью сгоревшие частички воспламенителя к поверхности заряда и увеличивает к нему подвод тепла. Это приводит к лучшему воспламенению заряда, особенно при минусовых температурах.

Выполнение угла между касательными к радиусному профилю канавки в точках их пересечения с вершиной рассекателя в диапазоне от 60^o до 90^o позволяет уменьшить нормальную (перпендикулярную) составляющую силы давления струи от 50 до 30 процентов и получено опытным путем.

Выполнение указанного угла меньше 60^o будет еще больше уменьшать нормальную составляющую силы, но, при изготовлении такой радиусной канавки, вершина рассекателя становится достаточно острой и скалывается, что не допускается. Кроме того, при угле меньше 60^o канавка становится узкой и глубокой, радиус канавки мал, а это приводит к большому углу поворота потока газа для выхода струи на торец заряда, большим потерям давления и худшему воспламенению заряда.

При выполнении же указанного угла более 90^o нормальная составляющая силы струи все больше приближается к максимальному значению, когда сила направлена перпендикулярно торцу заряда и угол равен 180^o. Эффективность введения кольцевой канавки снижается и вероятность получения раскола заряда увеличивается.

Необходимо также отметить, что выполнение кольцевой канавки с большим радиусом (и углом между касательными более 90^o) не всегда приемлемо для двигателя, используемого в артиллерийском снаряде: в этом случае широкая канавка уменьшает опорную площадь заряда, а при осевых перегрузках в несколько тысяч единиц это приведет к разрушению заряда.

Выполнение диаметра расходного отверстия воспламенителя больше диаметра вершины рассекателя гарантированно обеспечивает контакт периферийной части струи с наклонной (радиусной) поверхностью заряда и, следовательно, уменьшает усилие на центральную часть рассекателя. Этому помогает и то, что диаметр струи у торца заряда больше, чем диаметр струи при начале ее истечения, из-за расширения газа.

Выполнение расстояния L от торца заряда до воспламенителя согласно соотношению L = (6 - 10)•d, где d - диаметр расходного отверстия воспламенителя, позволяет надежно зажечь заряд. Это расстояние получено опытным путем и объясняется следующим.

При L меньше 6•d давление струи на преграду (заряд) еще велико и приводит к раскалыванию заряда.

При L больше 10•d параметры газа (давление, температура) понижаются настолько, что имеются отказы по воспламенению заряда, особенно при минусовых температурах.

Указанные меры повышают надежность работы двигателя.

Сравнение заявленного технического решения с прототипом позволило установить соответствие его критерию "новизна".

При изучении других известных технических решений в данной области техники, признаки, отличающие заявляемое решение от прототипа, не были выявлены, и, поэтому, они обеспечивают заявляемому техническому решению соответствие критерию "изобретательский уровень".

На фиг. 1 изображен общий вил ракетного двигателя твердого топлива; на фиг. 2 изображены рассекатель, воспламенитель и сопло.

Ракетный двигатель твердого топлива содержит заряд 1, корпус 2 с установленным в его сопло 3 воспламенителем 4 с расходным отверстием 5.

Корпус 2 состоит из цилиндрической обечайки 6 и задней крышки 7. Воспламенитель 4 состоит из корпуса 8, навески пороха 9 и замедлителя-воспламенителя 10.

На торце 11 заряда 1, обращенном к воспламенителю 4, выполнен рассекатель в виде кольцевой канавки 12 с радиусным профилем (13 - радиус P профиля). Угол 14 (a) между касательными 15 к радиусному профилю канавки 12 в точках 16 и 17 их пересечения с вершиной 18 рассекателя равен 60 - 90.

Диаметр 19 (d) расходного отверстия 5 больше диаметра 20 вершины 18 рассекателя.

Расстояние 21 (L) от торца 11 заряда 1 до воспламенителя 4 определено соотношением L = (6 - 10)•d.

22 - граница струи воспламенителя 4; 23 - элемент крепления воспламенителя; 24 - бронировка заряда 1.

Устройство работает следующим образом.

При срабатывании замедлителя-воспламенителя 10 зажигается навеска 9 и струя газа выходит из отверстия 5 и, проходя расстояние 21, попадает в вершину 18 рассекателя, причем периферийная часть струи - от границы 22 до точек 16 и 17, контактирует с радиусным, наклонным по отношению к продольной оси струи, профилем канавки 12. Это обеспечивается выполнением диаметра 19 больше диаметра 20 и выполняется для крайнего случая, когда скорость струи валика и наклон границы 22 составляет всего несколько градусов.

И только центральная часть струи контактирует с вершиной 18 на площади, определяемой диаметром 10 (от точки 16 до точки 17). Диаметр 20, в частном случае, может быть равен нулю. При таком воздействии струи на вершину 18 сила относительно невелика, и не происходит раскола заряда 1 - как от прямого действия, так и от отраженной волны, распространяющейся в массе пороха, амплитуда которой (волны) уменьшена ввиду уменьшенной амплитуды падающей волны.

Газы и частички от навески 9, двигаясь по радиусу 13, прижимаются к поверхности канавки 12, создавая повышенное давление и теплопередачу в порах заряда 1. Это улучшает воспламенение заряда, что особенно важно при минусовых температурах.

Угол 14, выполненный в пределах 60^o - 90^o, исключает откол вершины 18 и раскол заряда 1.

Проходя расстояние 21, равное (6 - 10) диаметрам 19 (d), газы воспламенителя 4 надежно зажигают заряд 1 и не раскалывают его.

Таким образом, предложенное техническое решение позволяет повысить надежность работы ракетного двигателя путем исключения расколов заряда, особенно при минусовых температурах, что обеспечивается введением рассекателя с определенной геометрией и взаимным положением воспламенителя и заряда.

Использование: в ракетных двигателях твердого топлива (РДТТ). Сущность изобретения: РДТТ, содержащем заряд, корпус с установленным в его сопло воспламенителем (В) с расходным отверстием на торце заряда, обращенном к В выполнен рассекатель (Р) в виде кольцевой канавки с радиусным профилем, причем угол между касательными к радиусному профилю канавки в точках их пересечения с вершиной P равен 60^o - 90^o, при этом диаметр расходного отверстия B больше диаметра вершины P, а расстояние от торца заряда до B определено соотношением L = (6 - 10)•d, где L - расстояние от торца заряда до B, d - диаметр расходного отверстия B. 2 ил.

Ракетный двигатель твердого топлива, содержащий заряд, корпус с установленным в его сопло воспламенителем с расходным отверстием, отличающийся тем, что в нем на торце заряда, обращенном к воспламенителю, выполнен рассекатель в виде кольцевой канавки с радиусным профилем, причем угол между касательными к радиусному профилю в точках их пересечения с вершиной рассекателя равен 60 90^o, при этом диаметр расходного отверстия воспламенителя больше диаметра вершины рассекателя, а расстояние от торца заряда до воспламенителя определено соотношением
L (6 10) • d,
где L расстояние от торца заряда до воспламенителя;
d диаметр расходного отверстия воспламенителя.