ОПТИМАЛЬНОЕ СОПЛО ЖИДКОСТНОГО РАКЕТНОГО ДВИГАТЕЛЯ РАКЕТ СТРАТЕГИЧЕСКОГО НАЗНАЧЕНИЯ Российский патент 1998 года по МПК F02K9/97 

Изобретение относится к области ракетостроения.

Известно ракетное сопло двигателей ракет стратегического назначения, которое состоит из полости сгорания, конфузора и диффузора [1].

Однако в этой конструкции не учитывается то, что можно рассчитать, спроектировать, изготовить ракетное сопло с максимальным усилием на ракету в полости сгорания.

Научной и технической задачей излагаемого изобретения является определение такого отношения диаметра полости сгорания к диаметру критического сечения сопла ракеты стратегического назначения, при котором достигается наибольшее усилие на ракету от давления газовых струй в полости сгорания.

Эта задача решается тем, что сопло рассматривается как местное гидравлическое сопротивление потоку жидкости в трубе при числах Rе > 25 000, рассчитанных по параметрам жидкости до местного сопротивления.

На чертеже изображено ракетное сопло 1 с необходимыми размерами и параметрами выхлопных газов до критического сечения и после оного.

Усилие на ракету от давлений в полости сгорания, конфузоре и диффузоре будет

где
d₂ - диаметр поперечного сечения критического сечения сопла,
d₃ - наибольший диаметр диффузора,
P₁ - давление в полости сгорания,
P₂ - давление в диффузоре,
π - число иррациональное.

Разность давлений до и после критического сечения сопла рассчитывается по следующей зависимости:

где
ζ - коэффициент местного сопротивления,
ρ₁ - плотность газа в полости сгорания,
v - скорость газовых струй до критического сечения сопла.

При этом коэффициент местного сопротивления рассчитывается по следующей зависимости:
ζ = a•(d₂/d₁)ⁿ•Re^m,
полученной по экспериментальным исследованиям, где
a - коэффициент,

где
d₁ - диаметр поперечного сечения полости сгорания,
ν - коэффициент кинематической вязкости газово - жидкостных струй до критического сечения сопла,
n, m - показатели степеней, находимые экспериментальным путем.

Так как истечение происходит в атмосферу или в вакуумное пространство, то давление P₂ будет минимум на порядок мало по сравнению с разностью давлений (P₁-P₂), значит, членом можно пренебречь.

После подстановок получается зависимость

Так как сочетание горючих и окислителей малое число, то от числа Re, v, ρ₁ : P₁ - дискретно зависит, поэтому максимум отношения d₁/d₂ создает максимальное усилие на ракету при неизменном размере d₂.

Применение оптимального ракетного сопла позволит ракетам стратегического назначения и ракетам ПВО при неизменном сочетании горючих и окислителей достичь больших скоростей.

Сопло предназначено для использования в жидкостных ракетных двигателях. Оно содержит полость сгорания, а также диффузорную и конфузорную части, является местным гидравлическим сопротивлением. Коэффициент местного гидравлического сопротивления определяется зависимостью, защищаемой изобретением. Применение оптимального ракетного сопла позволит ракетам стратегического назначения при неизменном сочетании горючего и окислителя достичь больших скоростей. 1 ил.

Сопло жидкостного ракетного двигателя, состоящее из полости сгорания, конфузора, диффузора, отличающееся тем, что сопло является местным гидравлическим сопротивлением, при этом коэффициент местного гидравлического сопротивления рассчитывается по зависимости
ϕ = a•(d₂/d₁)ⁿ•Re^m,
где a - коэффициент;
d₂ - диаметр поперечного сечения критического сечения сопла;
d₁ - диаметр поперечного сечения полости сгорания,

где v - скорость газовых струй до критического сечения сопла;
ν - коэффициент кинематической вязкости газовых струй до критического сечения сопла;
n, m - показатели степеней, находимые экспериментальным путем,
при этом максимум отношения d₁/d₂ создает максимальное усилие на ракету.