УПРАВЛЯЕМЫЙ РАКЕТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 1998 года по МПК F02K9/00 

Изобретение относится к ракетной технике и может быть использовано при создании РДТТ с регулируемой по величине и направлению тягой.

Известно [1], что для решения таких задач, как перехват, сближение, коррекция траектории и дальности, маневрирование, причаливание или мягкая посадка в условиях космического полета требуется регулирование величиной и направлением тяги ракетного двигателя. Управление величиной тяги может осуществляться изменением площади критического сечения сопла, реализуемым, например, перемещением под действием гидроцилиндра центрального тела, установленного в районе критического сечения [2]. Недостатком такой конструкции являются большой вес и габариты, а также необходимость размещения центрального тела с гидроцилиндром внутри двигателя.

Управление тягой как по величине, так и по направлению обеспечивается вращающимися соплами [5]. Эти сопла включают в себя дозвуковые части с осью, расположенной под углом (≈45^o) к продольной оси двигателя, и сверхзвуковые части со своими осями. Оси дозвуковой части пересекаются под переменным углом α . Точка пересечения осей располагается до критического сечения. С помощью приводов (электромоторов) сверхзвуковые части могут вращаться относительно дозвуковых вокруг точки пересечения осей, изменяя тем самым угол α . При этом поперечные составляющие тяги сопел взаимно уравновешиваются, а продольная составляющая меняется в широких пределах. Недостатком двигателя с управляющими соплами является непроизводительный расход топлива на режимах малой тяги. Необходимость иметь многосопловую конструкцию и проблемы конструктивно-компоновочного плана также накладывают ограничения на область практического использования такой схемы.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому положительному эффекту является регулируемое выхлопное сопло [6], содержащее несколько профилированных сегментов, установленных рядом вокруг продольной оси сопла. Радиальная внутренняя поверхность сегментов образует участок сопла со сплошной внутренней поверхностью. Имеется устройство, обеспечивающее перемещение сегментов к оси сопла и обратно для изменения поперечной площади критического сечения. Когда сегменты перемещаются к оси сопла и обратно, некоторые сегменты движутся при этом относительно друг друга по направлению к соседним сегментам так, что внутренняя поверхность указанного участка сопла остается цельной.

Недостатком этого сопла является сложность конструкции и большой вес, а также низкая надежность, обусловленная сложной кинематикой перемещения сегментов.

Целью настоящего изобретения является упрощение конструкции, повышение надежности, снижение веса и расширение функциональных возможностей.

Сущность изобретения заключается в том, что в известном управляемом ракетном двигателе с сопловым блоком, содержащим неподвижную часть и контактирующий с ней по сферическому пояску подвижный шпангоут, раструб с рулевыми машинками, раструб размещен на подвижном шпангоуте с возможностью поворота вокруг продольной оси и продольного перемещения. Раструб связан с подвижным шпангоутом системой косонаправленных стержней (или нитей), образующих однополостный гиперболоид вращения, составляющий горловину проточной части соплового блока. В тороидальной полости, образованной подвижным шпангоутом и однополостным гиперболоидом вращения, размещен охлаждающий газогенератор (или сублимирующий состав). Со стороны тороидальной полости расширяющаяся часть однополостного гиперболоида вращения закрыта манжетой.

Указанная цель достигается известным [3] свойством гиперболоида вращения, заключающимся в том, что его поверхность состоит из семейства прямолинейных образующих (системы косонаправленных стержней), а при фиксированной величине радиусов направляющих окружностей R и r (см. фиг. 1) и длине L стержней параметры гиперболоида (например, площадь горловины) являются функцией от угла ϕ разворота вокруг продольной оси направляющих окружностей друг относительно друга (угол ϕ равен нулю, когда гиперболоид вырождается в усеченный конус, т.е. когда направляющие не разворачиваются). При этом площадь горловины гиперболоида определяется углом ϕ следующим образом:

где
;
R - радиус большой направляющей окружности;
r - радиус меньшей направляющей окружности;
ϕ - угол разворота.

Расстояние между направляющими окружностями (высота гиперболоида) от угла ϕ зависит:

где
l - высота гиперболоида;
L - длина образующей.

График зависимости площади горловины от угла поворота σ_кр= f(ϕ) представлен на фиг. 2, а график зависимости высоты гиперболоида от угла поворота l = f(ϕ) представлен на фиг. 3-5.

Использование приведенных известных свойств гиперболоида вращения для целей регулирования критического сечения сопла ракетного двигателя позволяет при предельной конструктивной и кинематической простоте совместить устройство регулирования с подвесом сопла для управления в каналах тангажа и рыскания, а управление площадью критического сечения и отклонения сопла по тангажу и рысканию осуществлять одними и теми же рулевыми машинами. Кинематическая простота, сокращение числа рулевых машинок и размещение всех рулевых машинок снаружи двигателя приводит к снижению веса управляемого двигателя практически до уровня неуправляемого (по величине тяги) двигателя. Расширение функциональных возможностей заключается в совмещении в одном устройстве задач регулирования как величиной, так и направлением тяги. Возможная негерметичность системы косонаправленных стержней (или нитей), образующих однополостный гиперболоид вращения, не влияет на работоспособность соплового блока и может вызвать лишь потери удельного импульса тяги (находящиеся в приемлемых пределах и зависящих от степени газопроницаемости гиперболоида). Потери удельного импульса, связанные с негерметичностью, снижаются установкой со стороны тороидальной полости на расширяющуюся часть однополостного гиперболоида вращения манжеты, выполненной, например, из углеткани, углетрикотажа и т.д. Работоспособность системы, образующей однополостный гиперболоид вращения, определяется теплоэрозионностойкость косонаправленных стержней (или нитей). Для некоторых типов низкокалорийных топлив уносы углерод-углеродного композиционного материала (УУКМ) в критическом сечении практически равны нулю. В случае использования высокоэффективных топлив с большим окислительным потенциалом уносы УУКМ, находящегося в потоке высокотемпературных продуктов сгорания (до 4000 К), составляют ≈0,1 мм/с [4] . Вдув охлаждающего газа через щели между косонаправленными стержнями (или нитями) уменьшает скорость уноса материала стержней на порядок. Это означает, что при времени работы двигателя 30 - 50 с работоспособность системы, образующей однополостный гиперболоид вращения, не нарушается.

Предлагаемое настоящим изобретением техническое решение не известно из патентной и технической литературы.

Изобретение поясняется схемой системы косонаправленных стержней (или нитей), образующих гиперболоид вращения (фиг. 1).

На фиг. 2 представлен график σ_кр= f(ϕ) зависимости площади горловины гиперболоида (т. е. площади критического сечения сопла) от угла поворота направляющей (т.е. раструба сопла) вокруг продольной оси.

На фиг. 3-5 представлен график l = f(ϕ) зависимости высоты гиперболоида (т. е. продольное перемещение раструба сопла) от угла поворота направляющей (т.е. раструб сопла) вокруг продольной оси.

На фиг. 6 изображен продольной разрез управляемого ракетного двигателя.

На фиг. 7 изображено сечение по А-А на фиг. 6.

Управляемый ракетный двигатель содержит установленную на корпусе 1 неподвижную часть 2 сопла.

На неподвижной части 2 сопла установлен подвижный шпангоут 3, контактирующий с неподвижной частью 2 по сферическому пояску. Подвижный шпангоут 3 и неподвижная часть 2 сопла образуют какой-либо известный подвес ("горячий шар", эластичный опорный шарнир, гидрокольцевую опору, гидроплунжерную опору, шаростержневую опору и т.д.), позволяющий управлять сопловым блоком в каналах тангажа и рыскания. Шпангоут 3 имеет внутреннюю цилиндрическую поверхность, по которой с ним контактирует размещенный на подвижном шпангоуте 3 с возможностью поворота вокруг продольной оси и продольного перемещения раструб 4 сопла. Раструб 4 связан с подвижным шпангоутом 3 системой косонаправленных стержней (или нитей) 5, образующих однополостный гиперболоид вращения. Стержни (или нити) 5 могут быть выполнены, например, из углерод-углеродного композиционного материала. Диаметр вставленного в подвижный шпангоут 3 торца раструба 4 целесообразно выполнять большим максимального диаметра разгрузки соплового блока с целью обеспечения гарантированного натяжения стержней (или нитей) 5. (Впрочем, если стержни 5 выполнить жесткими, то условие по диаметру торца раструба 4 является необязательным). Для гарантированного натяжения стержней (или нитей) 5 давление в тороидальной полости 6, образованной подвижным шпангоутом 3 и однополостным гиперболоидом вращения, должно быть не ниже камерного. Это может быть обеспечено либо охлаждающим газогенератором 7, одновременно обеспечивающим как наддув тороидальной полости 6, так и защитный вдув, предохраняющий стержни (или нити) 5, либо газосвязью с объемом камеры сгорания. При этом, кроме щелей между стержнями (или нитями) 5, в подвижном шпангоуте 3 должна быть выполнена специальная газосвязь 8, а охлаждающий газогенератор 7 целесообразно заменить навеской сублимирующего состава, обеспечивающего защитный вдув при сквозном протекании продуктов сгорания из камеры через специальную газосвязь 8 и щели между стержнями (или нитями) 5. Со стороны тороидальной полости 6 расширяющаяся часть однополостного гиперболоида вращения закрыта манжетой 9. Манжета 9 скреплена с раструбом 4 сопла и выполнена из углеткани, углетрикотажа и т.д. На наружной поверхности раструба 4 сопла тангенциально установлены четыре рулевые машинки 10, снабженные пантографами 11 и взаимодействующие с неподвижной частью 2 сопла. Подвижный шпангоут 3 от возможного проворота в неподвижной части 2 сопла (вокруг продольной оси) зафиксирован системой "штифт-паз". Раструб 4 сопла снабжен заглушкой 12. При наземной эксплуатации двигателя раструб 4 сопла жестко зафиксирован относительно неподвижной части 2 стопорно фиксирующими устройствами СФУ (на чертеже не показаны).

Устройство работает следующим образом. При запуске двигателя производится расфиксация СФУ, а гарантированное натяжение стержней (или нитей) 5 в момент выхода двигателя на режим обеспечивается заглушкой 12. К моменту вылета заглушки 12 натяжение стержней (или нитей) 5 реализуется благодаря наличию давления в тороидальной полости 6. Давление в тороидальной полости 6 создается либо работой охлаждающего газогенератора 7, либо посредством газосвязи 8. В случае выполнения в подвижном шпангоуте специальной газосвязи 8 вдув, защищающий стержни (или нити) 5, осуществляется следующим образом. Горячие продукты сгорания, попадая из камеры двигателя через газосвязь 8 в тороидальную полость 6, вызывают сублимацию сублимирующего состава 7. В результате в тороидальной полости 6 находится сравнительно холодный газ с низким окислительным потенциалом. Ввиду того, что статическое давление в газовом тракте сопла ниже давления в тороидальной полости 6 (равного камерному), через щели между стержнями (или нитями) 5 осуществляется защитный вдув холодного газа с низким окислительным потенциалом. Интенсивному протеканию газа через щели между стержнями (или нитями) 5 из тороидальной полости 6 в сверхзвуковую (расширяющуюся) часть газового тракта, вызывающему потери удельного импульса тяги, препятствует манжета 9. Регулирование величиной тяги двигателя (т.е. площадь критического сечения сопла) производится синхронным движением штоков всех четырех рулевых машинок 10. При этом осуществляется поворот раструба 4 вокруг продольной оси подвижного шпангоута 3 на угол Δϕ, вызывающий изменение площади критического сечения гиперболоида (см. фиг. 2 и формулу (1)) и продольное перемещение раструба (см. фиг. 3-5 и формулу (2)). Регулирование направлением тяги двигателя по каналам тангажа и рыскания производится движением штоков только двух диаметрально противоположных рулевых машинок 10 (одной парой производится регулирование по каналу тангажа, другой парой - по каналу рыскания).

Технико-экономическая эффективность предлагаемого изобретения по сравнению с прототипом, в качестве которого взято регулируемое выхлопное сопло (см. [6] ), заключается в упрощении конструкции, повышении надежности, снижении веса и расширении функциональных возможностей.

Ракетный двигатель предназначен для управления регулируемой по величине и направлению тягой. Двигатель содержит неподвижную часть и контактирующий с ней по сферическому пояску подвижной шпангоут 3, раструб 4 с рулевыми машинками 10. Раструб размещен на подвижном шпангоуте с возможностью поворота вокруг продольной оси и продольного перемещения. Он связан с подвижным шпангоутом системой косонаправленных стержней 5, образующих однополостный гиперболоид вращения, составляющий горловину проточной части соплового блока. В тороидальной полости 6, образованной подвижным шпангоутом и однополостным гиперболоидом вращения, размещен охлаждающий газогенератор (или сублимирующий состав) 7. Со стороны полости 6 расширяющая часть однополостного гиперболоида вращения закрыта манжетой 9. Изобретение позволяет упростить конструкцию, повысить надежность, а также снизить вес и расширить функциональные возможности. 2 з.п.ф-лы, 7 ил.

1. Управляемый ракетный двигатель с сопловым блоком, содержащий неподвижную часть и контактирующий с ней по сферическому пояску подвижный шпангоут, раструб с рулевыми машинками, отличающееся тем, что раструб размещен на подвижном шпангоуте с возможностью поворота вокруг продольной оси и продольного перемещения и связан с подвижным шпангоутом системой косонаправленных стержней или нитей, образующих однополостный гиперболоид вращения, составляющий горловину проточной части соплового блока. 2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что в тороидальной полости, образованной подвижным шпангоутом и однополостным гиперболоидом вращения, размещен охлаждающий газогенератор или сублимирующий состав. 3. Двигатель по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что со стороны тороидальной полости расширяющаяся часть однополостного гиперболоида вращения закрыта манжетой.