РАКЕТНОЕ СОПЛО С РЕГУЛИРУЕМОЙ ТЕМПЕРАТУРОЙ Российский патент 2000 года по МПК F02K9/97 

Изобретение относится к ракетному соплу, имеющему форму аксиально сдвоенного колокола, т.е. типа так называемого "двойного колокола" и имеющему направленное вовне изменение кривизны контурной линии или генерактрисы в точке максимальной кривизны между двумя колокольными формами.

Форма двойного колокола ракетных сопел известна с начала 60-х годов для обеспечения высотного выравнивания. В режиме работы такого сопла сдвоенного колокола на высоте относительно уровня моря точка максимальной кривизны будет заставлять поток отделяться от стенки сопла в требуемом участке, таким образом усиливая тягу в режиме работы на высоте относительно уровня моря. В режиме работы на высоте факел постепенно расширяется до тех пор, пока он окончательно не соприкоснется со стенкой сопла за точкой максимальной кривизны. Однако на практике принцип сопла двойного колокола имеет несколько характерных недостатков, которые снижают технические показатели по сравнению с теоретическим оптимумом.

С другой стороны, функцией сопла ракеты является расширение и ускорение газа до высокой скорости, обеспечивая этим эффективность тяги и величину полезной нагрузки. Эффективность тяги особенно важна для верхних ступеней ракеты. Высокий показатель тяги означает высокие температуры стенок и, как следствие, требует необычных и дорогостоящих технологий. Температура стенок сопла ракеты зависит от давления на стенку и скорости потока на стенке.

Для регулирования температуры стенки сопла ракеты, в частности, участков стенки, которые не охлаждаются активно конвективным охлаждением, были предложены несколько технологий. Прежде всего, используемые материалы должны обладать прочностью при очень высоких температурах, что, разумеется, является дорогостоящим. На стенки сопла могут быть нанесены покрытия, которые обеспечивают изоляцию и допускают высокие поверхностные температуры. Это также является дорогостоящим. И наконец, может использоваться охлаждающая пленка в комбинации с непрерывным контуром сопла.

В случае использования металлических материалов такие материалы имеют высокую стоимость, конструкция сопла должна быть выполнена со множеством швов, что обусловлено наличием материала. Однако большое число швов понижает надежность. Как вариант, может использоваться керамический матричный композитный материал. В этом случае стоимость очень высока, а надежность проблематична вследствие небольшого опыта применения в ракетных соплах.

Таким образом, покрытия повышают стоимость, а потенциал понижения температуры устойчивого состояния ограничен. Покрытие означает также пониженную надежность, обусловленную повышенной сложностью. Что касается пленочного охлаждения, обычно не находится, газа, чтобы производить пленку для двигателей замкнутого цикла. Выпуск газа для целей пленочного охлаждения означал бы серьезные потери в рабочей характеристике.

К настоящему времени оказалось, что простой и недорогостоящий путь обеспечения регулирования температуры стенок сопла должен основываться на форме двойного колокола, но приспособленной как предложено в соответствии с настоящим изобретением. Изобретение отличается тем, что для достижения улучшенного охлаждения стенки сопла изменение кривизны составляет 2-7^o, упомянутая точка (I) максимальной кривизны расположена между участком с соотношением площади ε = 10 и участком с 0,85 • ε_макс сопла.

Посредством введения прерывности в меридиональной плоскости для контура сопла температура стенки будет понижена быстрее, чем в случае обычного непрерывного контура. Температура стенки сопла от точки прерывности остается близкой к постоянной. Температура, которая определяет выбор материала сопла, таким образом, понижена. В качестве побочного эффекта введением прерывности можно управлять поведением охлаждающей пленки. В точке максимальной кривизны пленка, близкая к стенке сопла, будет подвержена резкому ускорению за упомянутой прерывностью, что стабилизирует пленку и предотвратит смешение. Затем поддерживается эффективность пленки.

Изобретение описано ниже на примере со ссылками на сопровождающие чертежи, среди которых фиг. 1 - продольный разрез сопла, форма которого соответствует настоящему изобретению, левая половина показывает участок точки (I) максимальной кривизны с ε = 10, тогда как правая половина показывает участок точки (I) максимальной кривизны при ε равной 85% от ε_макс . Фиг. 2 показывает характеристику соотношения между температурой стенки и аксиальной длиной сопла в соответствии с изобретением.

На фиг. 1 изображено ракетное сопло 1 типа, так называемого, "двойного колокола", т.е. имеющего форму аксиально сдвоенного колокола. Подобно известным конструкциям сопла с высотным выравниванием имеется точка (I) максимальной кривизны на линии контура, или генерактрисе, где имеется резкое изменение в кривизне упомянутой контурной линии, другими словами - где форма верхнего колокола переходит в форму следующего за ним колокола. В отличие от известных конструкций двойного колокола, где изменение кривизны составляет, по меньшей мере, 9^o для того, чтобы обеспечить резкое изменение направления для получения желаемого разделения потока вдоль стенки сопла в упомянутой точке, настоящее изобретение предлагает, чтобы изменение кривизны составляло только 2-7^o, точка максимальной кривизны находилась между участком с соотношением площади ε = 10 и участком с 0,85 • ε_макс сопла. ε является соотношением площади, которое составляет ε = 1 в горловине сопла.

В соответствии с изобретением максимальная точка кривизны должна находиться в любом подходящем участке между двумя обусловленными пределами, определенными выше.

Резкое ускорение потока пленки вдоль стенки, вызванное изменением кривизны контурной линии стенки, обеспечивает улучшенный охлаждающий эффект, начинающийся сразу за упомянутой точкой максимальной кривизны, поддерживая упомянутый эффект до такой степени, что температура остальной части стенки за упомянутой точкой максимальной кривизны будет поддерживаться почти постоянной. Упомянутая пониженная температура стенки позволяет использовать материал стенки не обязательно стойкий к температурному воздействию, как требовалось в предшествующем уровне техники, и соответственно более дешевую конструкцию.

Сопло предназначено для ракетного двигателя. Сопло имеет форму аксиально сдвоенного колокола, т.е. типа так называемого "двойного колокола", а также имеет направленное вовне изменение кривизны контурной линии, или генерактрисы, в точке максимальной кривизны между двумя колокольными формами. Для получения улучшенного охлаждения стенки сопла изменение кривизны составляет 2-7°, причем упомянутая точка максимальной кривизны расположена между участком с соотношением площади ε=10 и участком с 0,85• ε_макс сопла. Такое выполнение сопла позволит обеспечить улучшенный охлаждающий эффект. 2 ил.

Ракетное сопло, имеющее форму аксиально сдвоенного колокола, т.е. типа так называемого "двойного колокола", и имеющее направленное вовне изменение кривизны контурной линии, или генератрисы, в точке максимальной кривизны между двумя колокольными формами, отличающееся тем, что для достижения улучшенного охлаждения стенки сопла изменение кривизны составляет 2 - 7^o, причем упомянутая точка (I) максимальной кривизны расположена между участком с соотношением площади ε = 10 и участком с 0,85 х ε_макс сопла.