РАКЕТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА Российский патент 1999 года по МПК F02K9/26 

Изобретение относится к ракетной технике и может быть использовано при создании космического РДТТ с отческой тяги гашением посредством впрыска жидкого охладителя в камеру сгорания.

Известно [Патент РФ N 2100635], что процесс гашения РДТТ состоит из двух этапов:
- гашение газового объема, требующее впрыска необходимой порции охладителя за время 0,003 - 0,006 сек;
- охлаждение прогретых за время работы двигателя элементов конструкции (для исключения повторного самовоспламенения).

Эффективность охлаждения увеличивается, если время впрыска данной массы охладителя затягивается до 0,3 - 1 сек (за счет снижения расхода охладителя на два порядка).

Если при отсечке тяги гашением устройство впрыска способно реагировать на быстроменяющиеся условия в камере сгорания, т.е. изменять расход впрыскиваемого охладителя, то суммарная масса охладителя, потребного для отсечки тяги, может быть снижена (соответственно снижается масса узла гидрогашения), а надежность работы узла гидрогашения (УГГ) - повышена.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому положительному эффекту к предлагаемому изобретению является ракетный двигатель твердого топлива [Патент РФ N 2100635], содержащий корпус, сопло, заряд и узел гидрогашения, состоящий из стакана, установленного в нем с возможностью осевого перемещения дифференциального поршня, жидкого охладителя, находящегося в подпоршневой полости стакана. Сопло двигателя выполнено в дифференциальном поршне узла гидрогашения, зафиксированном относительно стакана пирозамком. По окружности дифференциального поршня выполнены тангенциальные каналы, соединяющие подпоршневую и надпоршневую полости стакана таким образом, что надпоршневая полость стакана является центробежной форсункой, обращенной в полость корпуса двигателя, причем, на выходе из центробежной форсунки по окружности расположено несколько направляющих элементов.

Главным достоинством УГГ рассматриваемого двигателя является его авторегулируемость по внутрикамерному давлению:
- давление в камере сгорания высокое - расход впрыска интенсивный, достаточный для гашения газового объема;
- давление вследствие резкого охлаждения снизилось на порядок - соответственно уменьшилась интенсивность впрыска, увеличивая эффективность охлаждения (за счет увеличения времени охлаждения).

Важной особенностью авторегулируемого УГГ является то, что он "прощает" ошибки конструктора, заключающиеся в неточном расчете значения проходной площади форсуночных каналов. Например, если проходная площадь выполнена несколько меньше потребного значения, то падение внутрикамерного давления будет происходить медленнее расчетного, а значение движущей дифференциальный поршень силы и, соответственно, расход впрыска будет по времени уменьшаться также медленнее. Таким образом, изменение проходной площади в некотором интервале, изменяя пропорционально текущий расход, слабо влияет на интеграл движущей силы и на интегральный расход охладителя при первой стадии гашения.

К недостаткам рассматриваемого УГГ относятся:
- относительно малая глубина регулирования расхода (расход изменяется пропорционально изменению давления, т.е. в ≈ 10 раз вместо требуемой глубины > 100);
- характер пространственного распределения впрыскиваемого охладителя практически не меняется в зависимости от хода поршня (т.е. от стадии процесса гашения), т.е. направляющие элементы обеспечивают подачу струй охладителя в центральные области камеры сгорания в течение всего времени впрыска. Вместе с тем, подача охладителя в эти области требуется только в начальный период гашения газового объема, а остальное время весь охладитель необходимо подавать в периферийные области камеры сгорания на оголившиеся после выгорания заряда горячие элементы конструкции;
- при заданных поперечных размерах УГГ трудно обеспечить требуемую проходную площадь тангенциальных каналов, которая пропорциональна синусу угла подъема винтовой линии каналов, и если этот угол составляет 30-60^o, то величина проходной площади не превышает 0,5 - 0,866 от максимально возможного значения.

Целью настоящего изобретения является повышение эффективности и надежности работы авторегулируемого УГГ за счет увеличения глубины регулирования интенсивности впрыска; создания условий для оптимального изменения по времени пространственной картины распыла; увеличения проходной площади узла впрыска при заданных поперечных размерах.

Сущность изобретения заключается в том, что в известном ракетном двигателе твердого топлива, содержащем корпус, сопло, заряд и узел гидрогашения, состоящий из стакана и установленного в нем с возможностью продольного перемещения дифференциального поршня, зафиксированного относительно стакана стопорно-фиксирующим устройством, жидкого охладителя, находящегося в подпоршневой полости стакана, и винтовых каналов, соединяющих подпоршневую и надпоршневую полости стакана, винтовые каналы выполнены на внутренней цилиндрической поверхности стакана и имеют переменное по длине сечение. Со стороны среза стакана в нескольких секторах соседние винтовые каналы объединены на некоторой длине, образуя в этих секторах сплошную щель между дифференциальным поршнем и стаканом. В непосредственной близости от среза стакана на его внутренней цилиндрической поверхности выполнен цилиндрический поясок, по которому установлена герметизирующая подпоршневую полость кольцевая заглушка.

Технический результат достигается тем, что при выполнении винтовых каналов на внутренней цилиндрической поверхности стакана появляется возможность изменять геометрические параметры и проходные площадки узла впрыска по ходу движения дифференциального поршня (т. е. по времени процесса гашения). Уменьшение проходного сечения винтовых каналов по ходу движения дифференциального поршня может обеспечивать изменение расхода впрыска в 10 и более раз. В совокупности с авторегулированием по внутрикамерному давлению, предлагаемое техническое решение обеспечивает потребную глубину регулирования (> 100).

Объединенные в щели группы винтовых каналов при начальном положении дифференциального поршня работают как струйные щелевые форсунки, обеспечивая подачу охладителя в центральные области камеры сгорания. Так как в секторах между данными группами винтовые каналы не объединены между собой (т.е. между ними имеются разделительные винтовые ребра), эти каналы работают как центробежная форсунка, обеспечивая подачу охладителя в периферийные области камеры сгорания. Таким образом, при начальных положениях дифференциального поршня, узел впрыска работает в центробежно-струйном режиме, обеспечивая охват струями охладителя всего объема камеры сгорания. По мере движения дифференциального поршня рабочая длина щелевых групп объединенных винтовых каналов увеличивается относительно ширины этих групп. В результате относительного увеличения краевых (возмущенных, т.е. не прямолинейных) зон, прямолинейное струйное направление впрыска начинает сменяться центробежно-гиперболическим направлением. В момент подхода дифференциального поршня к границе щелевых групп, после которой все винтовые каналы разделены между собой винтовыми ребрами, весь впрыскиваемый охладитель получает первоначальную закрутку. Узел впрыска работает исключительно в центробежном режиме, обеспечивая подачу охладителя только на поверхность периферийных областей камеры сгорания (т. е. орошение горячих элементов конструкции). Таким образом, объединение в секторах на некоторой длине винтовых каналов в щели обеспечивает оптимальное изменение по времени гашения пространственной картины распыла.

Возможность увеличения проходной площади узла впрыска при заданных поперечных размерах достигается тем, что большая часть узла впрыска в начальный период работает как струйная щелевая форсунка. Нормальное сечение к струйному щелевому потоку практически совпадает с поперечным сечением узла впрыска. Поэтому оно больше любого другого нормального сечения к винтовым каналам (т. е. к косонаправленному потоку), площадь которого является проекцией поперечного сечения узла впрыска на плоскость нормального сечения косонаправленного потока.

Предлагаемое настоящим изобретением техническое решение неизвестно из патентной и технической литературы.

Изобретение поясняется следующим графическим материалом:
на фиг. 1 показана работа УГГ на стадии гашения газового объема - интенсивный впрыск в центробежно-струйном режиме;
на фиг. 2 показана работа УГГ при охлаждении прогретых элементов конструкции (заднего днища) - слабоинтенсивный впрыск в центробежном режиме;
на фиг. 3 показан продольный разрез узла гидрогашения и ось перемещений дифференциального поршня с обозначением его положений при смене режимов впрыска;
на фиг. 4 показан разрез по А-А фиг. 3;
на фиг. 5 показана развертка боковой внутренней цилиндрической поверхности стакана УГГ и ось перемещений дифференциального поршня.

Ракетный двигатель твердого топлива содержит корпус, сопло, заряд (см. фиг. 1) и узел гидрогашения. Узел гидрогашения (см. фиг. 3) состоит из стакана 1 и установленного в нем с возможностью продольного перемещения дифференциального поршня 2. В исходном положении дифференциальный поршень 2 относительно стакана 1 зафиксирован стопорно-фиксирующим устройством (не показано). В подпоршневой полости стакана находится жидкий охладитель. На внутренней цилиндрической поверхности стакана 1 выполнены винтовые каналы 3, соединяющие подпоршневую и надпоршневую полости стакана 1. Винтовые каналы 3 имеют переменное по длине сечение. Сечение винтовых каналов 3, например, может меняться ступенчато: у среза стакана 1 каналы 3 имеют большое сечение, ближе к дну стакана 1 сечение ступенчато уменьшается. Со стороны среза стакана 1 в трех секторах соседние винтовые каналы 3 объединены на некоторой длине, т. е. ребра, разделяющие соседние винтовые каналы 3, полностью (до образования гладкой цилиндрической поверхности) или частично (по высоте ребер) срезаны. В этих секторах образуется сплошная щель 4 между боковой цилиндрической поверхностью дифференциального поршня 2 (имеющей больший диаметр) и стаканом 1 (точнее, щелевым углублением 4 в стакане 1) (см. фиг. 4). Форма щелей 4 в плане представлена на развертке (фиг. 5). В непосредственной близости от среза стакана 1 на его внутренней цилиндрической поверхности выполнен цилиндрический поясок 5, на который выходят винтовые каналы 3 и щели 4. По цилиндрическому пояску 5 установлена герметизирующая подпоршневую полость кольцевая заглушка 6.

Устройство работает следующим образом.

При работе РДТТ на дифференциальный поршень 2 и кольцевую заглушку 6 действуют силы внутрикамерного давления. Благодаря стопорно-фиксирующему устройству дифференциальный поршень 2 относительно стакана 1 остается неподвижен, а давление жидкого охладителя в подпоршневой полости равно нулю. При подаче команды на отсечку тяги срабатывает стопорно-фиксирующее устройство. В результате расфиксации дифференциального поршня 2 давление жидкого охладителя в подпоршневой полости возрастает от нуля до значения, превышающего давление в камере сгорания на величину мультипликации (т.е. во столько раз больше, во сколько площадь дифференциального поршня 2 со стороны жидкого охладителя меньше площади со стороны газа). В результате создавшегося перепада давления происходит вылет кольцевой заглушки 6 в полость камеры сгорания. Одновременно начинается движение дифференциального поршня 2, вытесняющего через винтовые каналы 3 и щели 4 жидкий охладитель в камеру сгорания. При этом щели 4 работают как струйные щелевые форсунки, обеспечивая подачу охладителя в центральные области объема камеры сгорания. Винтовые каналы 3 между щелями 4 работают как элементы центробежной форсунки, обеспечивая подачу струй охладителя в периферийные области объема камеры сгорания. Таким образом, при начале движения (участок 0-1 оси перемещения на фиг. 3 и 5) дифференциального поршня 2 узел впрыска работает в центробежно-струйном режиме, обеспечивая охват струями охладителя всего объема камеры сгорания (см. фиг. 1). На участке 1-2 движения дифференциального поршня (см. ось перемещений на фиг. 5) прямолинейное струйное направление впрыска через щели 4 начинает сменяться на центробежно-гиперболическое направление (ввиду увеличивающегося при возрастании длины щелей 4 влияния краевых косонаправленных зон). В момент перехода дифференциального поршня 2 на участок 2-3 (см. фиг. 5), где все винтовые каналы 3 разделены между собой винтовыми ребрами, весь впрыскиваемый охладитель получает первоначальную закрутку. В результате, течение струй охладителя как по винтовым каналам 3, так и по щелям 4 имеет практически одинаковый вихревой характер. Узел впрыска начинает работать исключительно в центробежном режиме. На участках движения дифференциального поршня 2 0-1; 1-2 и 2-3 в результате интенсивного поглощения тепла на нагреве и испарение жидкого охладителя происходит охлаждение парогазовой смеси. Так как охлаждение парогазовой смеси происходит более интенсивно, чем увеличение ее плотности, давление парогазовой смеси снижается. Совокупность данных термодинамических и тепловых процессов приводит к гашению газового объема. На участке 3-4 движения дифференциального поршня 2 расход впрыскиваемого охладителя существенно снижается вследствие уменьшения внутрикамерного давления (и соответствующей движущей силы) и из-за уменьшения проходного сечения винтовых каналов 3. Узел впрыска переходит на оптимальный для охлаждения прогретых элементов конструкции режим слабоинтенсивного впрыска, обеспечивая подачу охладителя только на поверхность периферийных областей камеры сгорания (см. фиг. 2).

Технико-экономическая эффективность предлагаемого изобретения по сравнению с прототипом, в качестве которого взят ракетный двигатель твердого топлива [Патент РФ N 2100635], заключается в повышении эффективности и надежности работы авторегулируемого УГГ за счет увеличения глубины регулирования интенсивности впрыска; создания условий для оптимального изменения по времени пространственной картины распыла; увеличения проходной площади узла впрыска при заданных поперечных размерах.

Двигатель предназначен для отсечки тяги космического корабля гашением посредством впрыска жидкого охладителя в камеру сгорания. Двигатель твердого топлива содержит корпус, сопло, заряд и узел гидрогашения, состоящий из стакана и установленного в нем с возможностью продольного перемещения дифференциального поршня. Поршень зафиксирован относительно стакана стопорно-фиксирующим устройством. В подпоршневой полости стакана находится жидкий охладитель, а винтовые каналы соединяют подпоршневую и надпоршневую полости стакана. Винтовые каналы выполнены на внутренней поверхности стакана и имеют переменное по длине сечение. Со стороны среза стакана в нескольких секторах соседние винтовые каналы объединены на некоторой длине, образуя в этих секторах сплошную щель между дифференциальным поршнем и стаканом. В непосредственной близости от среза стакана, на его внутренней цилиндрической поверхности выполнен цилиндрический поясок, по которому установлена герметизирующая подпоршневую полость кольцевая заглушка. Увеличение глубины регулирования интенсивности впрыска и проходной площади узла впрыска при заданных поперечных размерах обеспечивает повышение эффективности и надежности работы авторегулируемого узла гидрогашения. 1 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Ракетный двигатель твердого топлива, содержащий корпус, сопло, заряд и узел гидрогашения, состоящий из стакана и установленного в нем с возможностью продольного перемещения дифференциального поршня, зафиксированного относительно стакана стопорно-фиксирующим устройством, жидкого охладителя, находящегося в подпоршневой полости стакана, и винтовых каналов, соединяющих подпоршневую и надпоршневую полости стакана, отличающийся тем, что винтовые каналы выполнены на внутренней цилиндрической поверхности стакана и имеют переменное по длине сечение, а со стороны среза стакана в нескольких секторах соседние винтовые каналы объединены на некоторой длине, образуя в этих секторах сплошную щель между дифференциальным поршнем и стаканом. 2. Ракетный двигатель твердого топлива по п.1, отличающийся тем, что в непосредственной близости от среза стакана, на его внутренней цилиндрической поверхности выполнен цилиндрический поясок, по которому установлена герметизирующая подпоршневую полость кольцевая заглушка.