ЗАРЯД РАКЕТНОГО ТВЕРДОГО ТОПЛИВА Российский патент 2000 года по МПК F02K9/18 

Изобретение относится к области военной техники, а именно к зарядам ракетного твердого топлива двигателей ракет реактивных систем залпового огня (РСЗО).

К основным направлениям повышения энергетических характеристик двигателей ракет РСЗО относится применение зарядов с максимально возможным коэффициентом объемного заполнения камеры сгорания.

Известен заряд для двигателей ракет, содержащий последовательно расположенные топливные секции, диаметр канала которых увеличивается к соплу, скрепленные с корпусом двигателя и разделенные зазорами (см., например, А.А. Шишков и др. Рабочие процессы в РДТТ. - М.: Машиностроение, 1989, с. 82), принятый за аналог. Задачей данного технического решения являлось достижение высокого значения коэффициента объемного заполнения. Однако подобную конструкцию зарядов отличает ввиду существенного различия толщины горящего свода секций большая массовая доля остатков заряда, догорающих при пониженном давлении. Это приводит к недопустимому разбросу выходных характеристик и делает невозможным применение данных зарядов в ракетах РСЗО.

Общими признаками с предлагаемым авторами зарядом является наличие в составе заряда-аналога последовательно расположенных топливных секций, горящих по каналам и торцам, разделенных зазорами.

Наиболее близким по технической сути и достигаемому техническому результату к заявляемому изобретению является заряд по патенту 2125175, F 02 K 9/28, принятый авторами за прототип. Он содержит скрепленный с корпусом двигателя головной полузаряд со звездообразным каналом и хвостовой полузаряд с цилиндрическим каналом, причем торцы полузарядов могут быть закрыты манжетами.

Заряд, принятый за прототип, функционирует следующим образом. После зажжения заряда происходит его горение по переднему торцу, звездообразному каналу, заднему торцу головного полузаряда, переднему торцу, цилиндрическому каналу и сопловому торцу хвостового полузаряда. Однако заряду подобной конструкции присущ ряд недостатков, основным из которых является возникновение развитых низко- и высокочастотных колебаний в цилиндрическом канале хвостового полузаряда при повышении плотности заполнения заряда из топлив с незначительным содержанием металлических добавок, например, за счет уменьшения диаметров каналов головного и хвостового полузарядов, приводящих к нерасчетному увеличению скорости горения и разрушению заряда.

Задачей известного технического решения (прототипа) являлось повышение объемного заполнения при допустимом уровне массы догорающих остатков заряда без учета возможности модернизации заряда в направлении увеличения объемного заполнения и применения топлив с незначительным содержанием металлических добавок.

Общими признаками с предлагаемым зарядом является наличие головного полузаряда со звездообразным каналом и хвостового полузаряда с цилиндрическим каналом, разделенных зазором.

В отличие от прототипа в предлагаемом заряде внутренний диаметр лучей поперечного сечения звездообразного канала головного полузаряда (D_л) составляет 0,55...0,65 диаметра канала хвостового полузаряда (d), минимальная площадь цилиндрического кольцевого сечения между торцами головного и хвостового полузарядов (площадь боковой поверхности цилиндра шириной L и диаметром D_ц, где D_ц - большее значение из величин наружного диаметра лучей головного полузаряда D_н и диаметра канала хвостового полузаряда d) - 0,08...0,15 суммарной площади горящих участков торцов головного и хвостового полузарядов с диаметрами, превышающими диаметр минимального кольцевого сечения D_ц, а суммарная площадь горящих поверхностей соплового торца и наружной поверхности консольного участка хвостового полузаряда составляет 0,02...0,05 поверхности горения заряда до соплового торца.

Это позволяет сделать вывод о наличии причинно-следственной связи между совокупностью существенных признаков заявляемого технического решения и достигаемым техническим результатом.

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

Задачей предлагаемого изобретения является повышение коэффициента объемного заполнения и исключение возникновения акустических колебаний в каналах головного и хвостового полузарядов.

Указанный технический результат достигается тем, что в заряде внутренний диаметр лучей поперечного сечения звездообразного канала головного полузаряда D_л составляет 0,55...0,65 диаметра канала хвостового полузаряда (d), минимальная площадь цилиндрического кольцевого сечения между торцами головного и хвостового полузарядов - 0,08...0,15 суммарной площади горящих участков торцов головного и хвостового полузарядов с диаметрами, превышающими диаметр минимального кольцевого сечения (D_ц), а суммарная площадь горящих поверхностей соплового торца и наружной поверхности консольного участка хвостового полузаряда составляет 0,02. ..0,05 поверхности горения заряда до соплового торца.

Новая совокупность конструктивных элементов, а также наличие связей между узлами заряда позволяет, в частности, за счет выполнения:
- внутреннего диаметра лучей поперечного сечения звездообразного канала головного полузаряда (D_л) равным 0,55...0,65 диаметра канала хвостового полузаряда (d) обеспечить формирование на выходе из канала головного полузаряда газовых струй, число которых равно числу лучей, с высокой скоростью и концентрацией конденсированной фазы. Образующиеся при этом высокоскоростные "жгуты" конденсированной фазы проникают в цилиндрический канал хвостового полузаряда и эффективно демпфируют непосредственно у поверхности канала полузаряда акустические колебания тангенциальной моды в цилиндрическом канале хвостового полузаряда с высокой плотностью объемного заполнения; при увеличении внутреннего диаметра лучей поперечного сечения канала головного полузаряда свыше 0,65 диаметра канала хвостового полузаряда (d) снижается площадь поперечного сечения "жгутов" конденсированной фазы и ослабляется эффект демпфирования колебаний; при уменьшении указанного диаметра менее 0,55 диаметра канала хвостового полузаряда (d) возрастает масса догорающих остатков головного полузаряда, что вызывает увеличение разбросов внутрибаллистических характеристик;
- минимальной площади цилиндрического кольцевого сечения между торцами головного и хвостового полузарядов равной 0,08...0,15 суммарной площади горящих участков торцов головного и хвостового полузарядов с диаметрами, превышающими диаметр минимального кольцевого сечения (D_ц), обеспечить необходимую скорость и концентрацию конденсированной фазы для гашения акустических колебаний в области входа в основной источник акустических колебаний - в канал хвостового полузаряда; при увеличении указанной площади свыше 0,15 суммарной площади горящих участков торцов головного и хвостового полузарядов с диаметрами, превышающими диаметр минимального кольцевого сечения D_ц, уменьшается скорость частиц конденсированной фазы, а следовательно, и их кинетическая энергия, что приводит к уменьшению скорости "жгутов" конденсированной фазы в канале хвостового полузаряда и снижению демпфирования акустических колебаний; с уменьшением площади сечения менее 0,08 суммарной площади горящих участков торцов головного и хвостового полузарядов с диаметрами, превышающими диаметр минимального кольцевого сечения (D_ц), возрастает скорость газового потока, движущегося в радиальном направлении, что резко увеличивает величину коэффициента газодинамических потерь на этом участке и приводит к недопустимому росту давления в двигателе;
- суммарной площади горящих поверхностей соплового торца и наружной поверхности консольного участка хвостового полузаряда в пределах 0,02...0,05 поверхности горения заряда до соплового торца обеспечить необходимую величину дополнительного газоприхода продуктов сгорания в область за сопловым торцом заряда, где образуется на выходе струи из канала хвостового полузаряда зона с обратными токами газа (рециркуляционная зона), являющаяся источником возникновения акустических колебаний; при взаимодействии рециркуляционной зоны с потоком, оттекающим от соплового торца и наружной поверхности консольного участка хвостового полузаряда, размеры рециркуляционной зоны резко уменьшаются, а следовательно, и снижается уровень акустических колебаний; с увеличением суммарной площади горящих поверхностей соплового торца и наружной поверхности консольного участка хвостового полузаряда свыше 0,05 поверхности горения заряда до соплового торца возрастает коэффициент газодинамических потерь в предсопловом объеме, что вызывает резкий рост давления в двигателе, при уменьшении указанной площади менее 0,02 поверхности горения заряда до соплового торца эффект демпфирования колебаний становится незначительным.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где изображен общий вид заряда.

Предлагаемый заряд содержит головной полузаряд 1 со звездообразным каналом 2, хвостовой полузаряд 3 с цилиндрическим каналом 4 и консольным участком 5, торцевые манжеты 6, корпус 7, защитно-крепящий слой 8. Внутренний диаметр лучей D_л поперечного сечения звездообразного канала 2 головного полузаряда 1 составляет 0,55...0,65 диаметра канала 4 хвостового полузаряда 3, минимальная площадь цилиндрического кольцевого сечения между торцами головного 1 и хвостового 3 полузарядов равна 0,08...0,15 суммарной площади горящих участков торцов головного 1 и хвостового 2 полузарядов с диаметрами, превышающими диаметр минимального кольцевого сечения, а суммарная площадь горящих поверхностей соплового торца и наружной поверхности консольного участка 5 хвостового полузаряда 3 составляет 0,02...0,05 поверхности горения заряда до соплового торца.

Предложенное выполнение заряда позволило на 8...12 процентов увеличить коэффициент объемного заполнения и исключить возникновение акустических колебаний в каналах головного и хвостового полузарядов.

Функционирование предложенного заряда происходит следующим образом. После зажжения головного и хвостового полузарядов 1 и 3 продукты сгорания головного полузаряда 1 движутся по звездообразному каналу 2 в направлении хвостового полузаряда 3, втекают в объем между полузарядами 1 и 3, взаимодействуют с газовым потоком, оттекающим от торцов полузарядов 1 и 3, втекают в канал 4 полузаряда 3 и истекают из полузаряда 3, взаимодействуя с потоком, оттекающим от торца полузаряда 3 и наружной поверхности консольного участка 5, не защищенного торцевой манжетой 6.

Полученный положительный эффект подтвержден в ходе стендовых испытаний зарядов, выполненных в соответствии с предлагаемым изобретением, а также при летных испытаниях ракет с предлагаемым зарядом.

Заряд ракетного твердого топлива двигателей ракет реактивных снарядов систем залпового огня содержит корпус, защитно-крепящий слой, головной полузаряд со звездообразным каналом, хвостовой полузаряд с цилиндрическим каналом и торцевые манжеты. Заряд выполнен с внутренним диаметром лучей поперечного сечения звездообразного канала головного полузаряда, составляющим 0,55 - 0,65 диаметра канала хвостового полузаряда. Минимальная площадь цилиндрического кольцевого сечения между торцами головного и хвостового полузарядов равна 0,08 - 0,15 суммарной площади горящих участков торцов головного и хвостового полузарядов с диаметрами, превышающими диаметр минимального кольцевого сечения. Суммарная площадь горящих поверхностей соплового торца и наружной поверхности консольного участка хвостового полузаряда составляет 0,02 - 0,05 поверхности горения заряда до соплового торца. Изобретение позволяет создать заряд ракетного твердого топлива, обеспечивающий увеличение на 8 - 10% коэффициента объемного заполнения при сохранении значений разбросов выходных характеристик и критериев надежности в заданном диапазоне применения. 1 ил.

Заряд ракетного твердого топлива, содержащий корпус, защитно-крепящий слой, головной полузаряд со звездообразным каналом, хвостовой полузаряд с цилиндрическим каналом и торцевые манжеты, отличающийся тем, что в нем внутренний диаметр лучей поперечного сечения звездообразного канала головного полузаряда составляет 0,55-0,65 диаметра канала хвостового полузаряда, минимальная площадь цилиндрического кольцевого сечения между торцами головного и хвостового полузарядов равна 0,08-0,15 суммарной площади горящих участков торцов головного и хвостового полузарядов с диаметрами, превышающими диаметр минимального кольцевого сечения, а суммарная площадь горящих поверхностей соплового торца и наружной поверхности консольного участка хвостового полузаряда составляет 0,02-0,05 поверхности горения заряда до соплового торца.