РАКЕТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА Российский патент 2000 года по МПК F02K9/08 

Предлагаемое изобретение относится к области ракетной техники и учитывает все возрастающие требования по повышению совершенства конструкций ракетных двигателей и надежности их работы.

Известен ракетный двигатель твердого топлива [1], содержащий камеру сгорания с сопловым раструбом и опорой из композиционного материала, размещенный в ней вкладной заряд твердого топлива с осевым каналом, воспламенитель, смонтированный на переднем днище, закрепленном в металлическом шпангоуте, отличающийся тем, что он снабжен опертым на заряд твердого топлива подпружиненным поршнем с центральным отверстием, а в корпусе воспламенителя выполнен глухой осевой канал, в котором расположен поршень, при этом сопловый патрубок снабжен металлической воронкой с пружинным хвостовиком со стороны камеры сгорания, а между воронкой и сопловой опорой размещена эластичная прокладка, причем соединение переднего днища и металлического шпангоута выполнено в виде уложенных между зубьев спиральной кольцевой намоткой стеклонитей, а зубья выполнены пирамидальной формы, стороны оснований которых расположены под углом к углу намотки стеклонитей.

Однако данная конструкция ракетного двигателя твердого топлива не обеспечивает надежную работу двигателя, т.к. заделка сопловой опоры в корпусе двигателя не исключает ее перемещение (подвижку) по оси двигателя от воздействия рабочего давления пороховых газов, что, наоборот, приведет к увеличению эксцентриситета двигателя, что недопустимо.

Известен ракетный двигатель твердого топлива [2], содержащий корпус из композиционного материала, сопловую опору, металлическую воронку с хвостовиком и эластичную прокладку, отличающийся тем, что в нем сопловая опора выполнена в виде металлического конуса, плавно переходящего в цилиндр, при этом радиус перехода составляет 0,4-0,6 наружного диаметра цилиндра, а внутренняя поверхность конуса выполнена с двумя направленными под углом друг к другу кольцевыми зубьями, образующими замок, и заармирована эластичным теплозащитным материалом, причем эластичная прокладка установлена между корпусом и конусной частью сопловой опоры и выполнена из фенольно-каучуковой клеящей пленки. Однако данная конструкция ракетного двигателя твердого топлива приемлема для двигателей, имеющих вкладной пороховой заряд, т.к. сопловая опора имеет относительно большую конусность по высоте при малом полюсном отверстии сопловой опоры, что неприемлемо для смесевых ракетных двигателей твердого топлива; т.е. сопловая опора имеет малую конусность по высоте и большое полюсное отверстие в сопловом блоке для установки заправочной иглы под заливку двигателя смесевым ракетным топливом.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение надежности работы смесевого ракетного двигателя за счет исключения перемещения (подвижки) вдоль оси двигателя сопловой опоры и ее разрушения от воздействия рабочего давления пороховых газов при работе двигателя, а также обеспечение посадочного места под блок стабилизаторов.

Это достигается тем, что в ракетном двигателе твердого топлива металлический конус снабжен тонкостенной юбкой, сопряженной по радиусу с цилиндрической частью конуса, а на конической и цилиндрической его частях в несколько рядов перпендикулярно оси двигателя выполнены равномерно по окружности глухие отверстия, в которых на клею установлены цилиндрические острые шпильки из высокопрочной стали, при этом глубина заделки шпилек составляет не менее 1,3 диаметра шпильки, а высота шпилек, выступающих над поверхностью металлического конуса, превышает толщину силовой оболочки стеклопластикового корпуса в зоне сопловой опоры, причем конусная часть сопловой опоры подмотана кольцевыми слоями композиционного материала по выступающим шпилькам.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что данная конструкция сопловой опоры со шпильками и ее заделка в корпус двигателя обеспечивает высокую надежность работы двигателя и исключает перемещение (подвижку) и разрушение сопловой опоры от воздействия рабочего давления пороховых газов при работе двигателя.

На фиг.1 приведена предлагаемая конструкция ракетного двигателя твердого топлива, где:
1 - стеклопластиковый корпус;
2 - сопловая опора (фиг.2);
3 - теплоизолированный конус опоры;
4 - тонкостенная юбка;
5 - цилиндрическая часть конуса;
6 - металлический конус;
7 - цилиндрические острые шпильки;
8 - спиральные силовые слои нитей из композиционного материала;
9 - кольцевые слои нитей из композиционного материала;
10 - радиус сопряжения;
11 - высота шпильки над поверхностью металлического конуса.

Вматывание сопловой опоры 2 с теплоизолированным конусом 3 в корпус двигателя 1 осуществляется следующим образом: на подготовленную (зачищенную и обезжиренную) наружную поверхность теплоизолированного конуса 3 сопловой опоры 2, установленной на вращающейся оправке, укладывают теплозащитный материал корпуса, затем производят заматывание сопловой опоры 2 силовыми спиральными слоями нитей 8 из композиционного материала, которые накалываются на шпильки 7, затем производят подмотку сопловой опоры по конусной части кольцевыми слоями нитей 9 из композиционного материала, после намотки корпус двигателя 1 проходит полимеризацию термообработкой.

Металлический конус сопловой опоры снабжен тонкостенной юбкой, сопряженной по радиусу с цилиндрической поверхностью конуса и установленными в несколько рядов в глухие отверстия перпендикулярно к оси двигателя равномерно по окружности острыми шпильками, для равномерного перераспределения нагрузки между конической поверхностью и юбкой, действующей на сопловую опору при изготовлении (наматывании) двигателя. При заматывании сопловой опоры спиральными силовыми слоями пряди нитей, накалываясь на острые цилиндрические шпильки, одновременно заматывают юбку заподлицо с цилиндрической поверхностью конуса, цепляясь за радиусный переход - в этом случае юбка воспринимает (несет) часть нагрузки - и конусную часть, где основную нагрузку воспринимают острые шпильки, частично разгружая конусную часть, что обеспечивает надежное закрепление сопловой опоры в корпусе двигателя.

Радиус перехода здесь выполняет две функции: снимает концентрацию напряжений в местах перехода металлического конуса в юбку и является зацепом для прядей нитей при наматывании.

Подмотка кольцевыми слоями (нитями) из композиционного материала по конусной части сопловой опоры производится на уже уложенные спиральные силовые слои и выступающие острые шпильки и служит дополнительным кольцевым ребром жесткости, препятствующим разрушению металлического конуса при нагружении двигателя внутренним продольным давлением, кроме того, после механической обработки в необходимый размер используется как посадочное место под блок стабилизаторов. Если подмотку кольцевыми слоями по конусу производить не на торчащие шпильки, то при нагружении двигателя предельным давлением подмотка из кольцевых слоев отскочит (выщелкнется), т.к. она держится за счет композиционного клея. Шпильки устанавливаются в глухие отверстия на клею, т.к. они выполнены по скользящей посадке, выполнение с натягом исключено, т.к. при установке (забивании) шпилек с натягом можно расколоть сопловую опору и затупить острую часть шпилек, что при заматывании опоры повлечет обрыв нитей в пряди, ослабит намотку в целом. Отверстия в металлическом конусе делают глухими для обеспечения герметичности сопловой опоры, если отверстия выполнить сквозными, то из-за непроклея шпилек при установке возникнет негерметичность двигателя по шпилькам, что недопустимо.

Глубина заделки шпилек должна быть не менее 1,3 диаметра шпильки, эта величина получена экспериментально при отработке заделки тонкостенной сопловой опоры в корпусе двигателя и представлена на графике фиг.3, где:
N - отношение числа положительных опытов к общему количеству проведенных опытов;
h - глубина заделки шпилек;
d - диаметр шпильки.

Из графика видно, что если глубина заделки шпилек меньше 1,3 диаметра шпильки, то осевая сила, возникающая при наматывании двигателя, вырывает стальные шпильки из заделки.

При глубине заделки шпилек больше (глубже) или равной 1,3 диаметра шпильки, осевая сила, действующая на шпильки при намотке, не превышает усилия заделки.

Высота шпильки над поверхностью металлического конуса равна толщине стеклопластикового корпуса в зоне сопловой опоры, это сделано для обеспечения равномерного нагружения шпилек, и не должна быть выше из условий обеспечения техники безопасности при сборке двигателя. Шпильки выполнены из высокопрочной стали, т.к. они несут основную нагрузку при заматывании и препятствуют осевому перемещению (подвижке) сопловой опоры от действия давления пороховых газов.

Источники информации
1. Патент России N 2053401, МПК 6 F 02 K 9/08, публ. от 27.01.96 г., БИ N 3 (II ч.), стр. 250-251 - аналог.

2. Заявка России N 97105671/06 от 10.04.97 г., патент N 2117808, БИ N 23 (II ч.) опубл. 20.08.98 г., стр. 359 МПК6 F 02 K 9/08 - прототип.

Двигатель предназначен для использования в ракетной технике. Ракетный двигатель твердого топлива содержит металлический конус, снабженный тонкостенной юбкой, сопряженной по радиусу с цилиндрической частью конуса, в цилиндрической его части в несколько рядов перпендикулярно оси двигателя выполнены равномерно по окружности глухие отверстия, в которых на клею установлены цилиндрические шпильки из высокопрочной стали. При этом глубина заделки шпилек составляет не менее 1,3 диаметра шпильки, а высота шпилек, выступающих над поверхностью конуса, превышает толщину силовой оболочки стеклопластикового корпуса, конусная часть сопловой опоры подмотана кольцевыми слоями композиционного материала по выступающим шпилькам. Конструкция сопловой опоры со шпильками и ее заделка в корпус двигателя обеспечивает высокую надежность работы двигателя и исключает перемещение (подвижку) и разрушение сопловой опоры от воздействия рабочего давления пороховых газов при работе двигателя. 3 ил.

Ракетный двигатель твердого топлива, содержащий стеклопластиковый корпус и сопловую опору с теплоизолированным металлическим конусом, отличающийся тем, что металлический конус снабжен тонкостенной юбкой, сопряженной по радиусу с цилиндрической частью конуса, а на конической и цилиндрической его частях в несколько рядов перпендикулярно оси двигателя выполнены равномерно по окружности глухие отверстия, в которых установлены цилиндрические острые шпильки из высокопрочной стали, при этом глубина заделки шпилек составляет не менее 1,3 диаметра шпильки, а высота шпилек, выступающих над поверхностью металлического конуса, превышает толщину силовой оболочки стеклопластикового корпуса в зоне сопловой опоры, причем конусная часть сопловой опоры подмотана кольцевыми слоями композиционного материала по выступающим шпилькам.