РЕГУЛЯТОР РАСХОДА СОПЛА РАКЕТНОГО ДВИГАТЕЛЯ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА Российский патент 2000 года по МПК F02K9/97 

Заявляемый объект относится к устройствам регулирования расхода в ракетном двигателе твердого топлива (РДТТ). Возможно применение устройства в составе воздушно-реактивных двигателей для тех же целей и в газогенерирующих устройствах на твердом топливе для регулирования расходных характеристик во времени.

Известны регуляторы расхода сопла (Петренко В.И., Попов В.Л., Русак А.М. , Феофилактов В. И. РДТТ с регулируемым модулем тяги, Миасс, Издательство ГРКЦ "КБ им. академика В.П.Макеева" 1994, стр. 220-222).

Наиболее близким по технической сущности является устройство, представленное в описании к патенту США N 3726480.

Недостатком этого регулятора является значительная тепловая нагрузка, воздействующая на элементы конструкции, сопровождающаяся эрозионным уносом теплозащитных материалов.

Технической задачей заявляемого устройства является снижение тепловых и силовых нагрузок, воздействующих на корпус регулятора, обусловленных воздействием на него продуктов сгорания твердого топлива.

Эта задача решается при следующих условиях. Регулятор расхода сопла ракетного двигателя твердого топлива содержит корпус, в котором размещаются центральное тело и привод перемещения центрального тела, узлы крепления регулятора расхода сопла к сопловому блоку. Корпус центрального тела выполнен тонкостенным и содержит в своей внутренней части герметичную перегородку, отделяющую объем, в котором расположена шашка с низкотемпературным медленно горящим топливным зарядом, от объема, в котором перемещается зубчатое колесо, передвигающее центральное тело. В стенке корпуса выполнены сквозные отверстия на его боковой поверхности и в передней части, через которые истекают продукты сгорания низкотемпературного топлива и оказывают охлаждающее воздействие на элементы конструкции, соприкасающиеся с продуктами сгорания топлива РДТТ. К торцевой поверхности шашки, установленной в корпусе центрального тела, прижата посредством механических тяг с регулируемым усилием круглая перфорированная пластина.

Внутренний объем корпуса регулятора выполнен составным, состоящим из коаксиально и соосно расположенных объемов, разделенных силовыми перегородками, каждый из которых герметичен и содержит шашки с низкотемпературным топливным зарядом. Отношение массы низкотемпературных шашек, расположенных в коаксиально расположенных объемах, к величине этих объемов увеличивается по мере удаления от оси регулятора, что обеспечивает постепенное снижение перепада давления между смежными объемами по мере приближения к центральной оси РДТТ. Кроме того, в зубчатом колесе, обеспечивающем перемещение корпуса центрального тела вдоль оси РДТТ, выполнены сквозные отверстия, связывающие полость центрального тела с внутренней полостью регулятора.

Сущность заявляемого устройства поясняется чертежами, где изображены на фиг. 1 - схема регулятора, на фиг. 2 - размещение регулятора в составе РДТТ.

Регулятор расхода сопла ракетного двигателя твердого топлива содержит корпус 1, центральное тело 2, привод механической зубчатой передачи 3, теплозащитное покрытие 4, кольцевой зазор 5, внутреннюю полость 6, низкотемпературную шашку 7, поперечную перегородку 8, соосные перегородки 9, фиксатор осевого вращения 10, вал привода механической зубчатой передачи 11, зубчатое колесо 12, внутреннюю полость 13, обтюрирующее кольцо 14, подшипник-сальник 15, раму 16, центрирующую обойму 17, герметичные полости 18, 19, шашки низкотемпературных зарядов 20, 21, фланцы 22, шлицы 23, центрирующий подшипник 24, проушины 25, отверстия 26, заряд сублимирующего вещества 27, наклонные отверстия 28, отверстие в вершине конуса центрального тела 29, ограничивающую решетку 30, привод для создания усилия на тепловой нож 31, механические тяги 32, тепловой нож 33, кронштейн 34, опорное кольцо 35, утопленное сопло 36, топливный заряд 37, корпус РДТТ 38, камеру сгорания двигателя 39.

Корпус центрального тела 2 размещается в корпусе 1 регулятора с возможностью осевого перемещения, ограниченного подшипником 24 и подшипником-сальником 15. Центрирующий подшипник 24 размещается в центрирующей обойме 17. Уплотнение корпуса центрального тела 2 дополнительно обеспечивается обтюрирующим кольцом 14. Осевое перемещение корпуса центрального тела в корпусе регулятора обеспечивается по направляющим пазам, выполненным на боковой поверхности приводом механической зубчатой передачи 3, который вращает вал привода механической зубчатой передачи 11 и размещенное на валу зубчатое колесо 12, входящее в зацепление с корпусом центрального тела 2 по его внутренней поверхности. Поворот корпуса центрального тела вокруг оси при работе механической зубчатой передачи 12 исключается фиксатором осевого вращения 10, углубленным в паз корпуса центрального тела 2. Отношение длины, на которую может перемещаться центральное тело 2 по направляющим пазам, ко всей длине регулятора составляет 0,3...0,35.

Защита элементов корпуса центрального тела от воздействия тепловых потоков обеспечивается применением теплозащитного покрытия в составе конструкции корпуса. Кроме того, для тепловой защиты корпуса центрального тела 2 формируется газовая завеса. Газовая завеса формируется за счет истечения продуктов разложения заряда сублимирующего вещества 27 через сквозные наклонные отверстия 28 в корпусе центрального тела 2 и отверстие 29 в вершине конуса центрального тела 2, а также через отверстие 5 между корпусом 1 регулятора и корпусом центрального тела 2. Заряд сублимирующего вещества, формирующего газовую завесу, размещается внутри корпуса центрального тела 2 между ограничивающей решеткой 30 и тепловым ножом 33. Скорость разложения сублимирующего вещества регулируется усилием, прижимающим тепловой нож 33 к торцевой поверхности заряда сублимирующего вещества. Усилие на тепловой нож обеспечивается приводом 31 через механические тяги 32. Истечение продуктов разложения сублимирующего вещества из внутренней полости в объем камеры РДТТ обеспечивается через отверстия 28 в корпусе центрального тела 2, а также через отверстия в конструкции теплового ножа 33 и отверстие 29 в вершине конуса центрального тела. Свободное перетекание газов в полости 13 центрального тела (по левую и правую стороны от зубчатого колеса 12) при перемещении зубчатого колеса 12 обеспечивается через отверстия 26 в теле зубчатого колеса 12. Полость 13 сообщается с полостью 19 через зазор между валом 11 и днищем корпуса центрального тела. В днище центрального тела 2 могут быть выполнены отверстия. Перетекание продуктов сгорания шашки 27 в полость 13 исключается наличием герметичной перегородки 40.

Тепловая защита корпуса 1 обеспечивается прежде всего применением теплозащитного покрытия 4 в составе конструкции корпуса 1. Кроме того, тепловая защита элементов конструкции корпуса 1 обеспечивается применением во внутренних полостях 6, 18, 19 корпуса регулятора сублимирующих низкотемпературных шашек 7, 20, 21. Конструкция корпуса выполнена тонкостенной. Поэтому для уменьшения силовых нагрузок, действующих на нее, она выполнена составной и разделена поперечной перегородкой 8 и несколькими соосными (например, одной - 9) на несколько герметичных полостей. В каждой полости обеспечивается повышенное давление за счет разложения сублимирующих низкотемпературных веществ 7, 20, 21.

Крепление корпуса регулятора в составе РДТТ обеспечивается фланцами 22 с проушинами 25. Центрирование корпуса 1 регулятора и его фиксация при креплении в корпусе РДТТ обеспечивается по шлицам 23. Кронштейн 34 (фиг. 2), к которому пристыковывается корпус регулятора, жестко связан с опорным кольцом 35, размещенным в теле утопленного сопла 36. Конструкция кронштейна 34 такова, что обеспечивает свободное прохождение из внутреннего объема камеры 39 продуктов сгорания топливного заряда 37, размещенного в корпусе РДТТ 38.

Устройство работает следующим образом.

В начальный момент времени после запуска РДТТ в корпусе 1 воспламеняются и сгорают в течение непродолжительного времени заряды 20, 21 низкотемпературного сублимирующего материала. Их сгорание обеспечивает наддув герметичных полостей 18, 19 до заданного уровня давления, обеспечивающего малые значения перепадов давления между полостями 18, 19, с одной стороны, и между внутренним объемом камеры сгорания 39 и полостью 18. Кроме того, низкая температура продуктов сгорания (разложения) сублимирующих материалов оказывает охлаждающее воздействие в течение всего периода работы двигателя. Одновременно с зарядами 20, 21 воспламеняются заряды 7 и 27 из низкотемпературного сублимирующего материала. Продолжительность их горения (разложения) совпадает с продолжительностью работы РДТТ. Продукты сгорания сублимирующих составов создают избыточное давление в полостях 6, 18, 19 корпуса регулятора. Вследствие избыточного давления в течение всего периода работы РДТТ и регулятора из полости центрального тела (через отверстия 28, 29) и из полости 6 (через кольцевой зазор 5) в объем камеры сгорания истекают низкотемпературные продукты сгорания сублимирующих составов 7 и 27. Истекающие продукты сгорания обеспечивают создание тепловой завесы, осуществляющей защиту элементов конструкции корпуса центрального тела 2 от воздействия продуктов сгорания основного топлива РДТТ. Интенсивность разложения сублимирующего материала может регулироваться за счет прижима теплового ножа 33 к горящей поверхности сублимирующего материала 27. Усилие прижима теплового ножа обеспечивается приводом 31 через тяги 32. Регулирование расхода продуктов сгорания обеспечивается перемещением центрального тела 2 вдоль центральной оси конструкции в любом направлении (слева направо или в противоположном направлении). Перемещение организуется подачей управляющего импульса на привод, обеспечивающий вращение вала 11, на котором жестко закреплено зубчатое колесо 12 механической зубчатой передачи. Вращаясь, зубчатое колесо 12, входящее в зацепление с зубчатой передачей на внутренней поверхности корпуса центрального тела 2, приводит его в движение. Поступательное движение корпуса центрального тела обеспечивается фиксаторами 10, углубленными в пазы корпуса центрального тела.

Таким образом, предлагаемое устройство обеспечивает снижение уровней тепловых потоков, воздействующих на элементы конструкции регулятора в течение всего рабочего времени. Кроме того, конструкция позволяет выполнить корпусные детали регулятора и центрального тела тонкостенными (из-за предварительного наддува внутренних объемов корпусов), что снижает их массу.

Регулятор расхода сопла ракетного двигателя твердого топлива содержит центральное тело, привод перемещения центрального тела, узлы крепления регулятора к сопловому блоку. Корпус центрального тела выполнен тонкостенным и содержит в своей внутренней части герметичную перегородку, отделяющую объем, в котором расположена шашка с низкотемпературным медленно горящим топливным зарядом, от объема, в котором перемещается зубчатое колесо, передвигающее центральное тело. В стенке корпуса выполнены сквозные отверстия на его боковой поверхности и в передней части. Внутренний объем корпуса регулятора состоит из двух герметичных частей, каждая из которых содержит шашки с низкотемпературным топливным зарядом. Отношение массы низкотемпературных шашек к величине объемов этих частей увеличивается по мере удаления от оси регулятора. Изобретение позволяет снизить уровни тепловых потоков, воздействующих на элементы конструкции регулятора, снизить массу корпусных деталей регулятора и центрального тела. 5 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Регулятор расхода сопла ракетного двигателя твердого топлива, содержащий корпус, в котором размещаются центральное тело и привод перемещения центрального тела, узлы крепления регулятора расхода сопла к сопловому блоку, отличающийся тем, что корпус центрального тела выполнен тонкостенным со сквозными отверстиями на его боковой поверхности и в передней части, а внутри корпуса размещается шашка с низкотемпературным медленно горящим топливным зарядом, внутренняя полость корпуса регулятора разделена герметичными силовыми поперечной и соосной перегородками, при этом в каждом из образовавшихся объемов установлены шашки из низкотемпературного медленно горящего топлива. 2. Регулятор по п.1, отличающийся тем, что отношение массы низкотемпературных шашек, расположенных в коаксиально расположенных объемах, к величине этих объемов увеличивается по мере удаления от оси регулятора. 3. Регулятор расхода по п.1, отличающийся тем, что к торцевой поверхности шашки, установленной в корпусе центрального тела, прижата посредством механических тяг с регулируемым усилием круглая перфорированная пластина. 4. Регулятор по пп.1 и 3, отличающийся тем, что корпус центрального тела выполнен с возможностью осевого перемещения, а его перемещение обеспечивается по направляющим пазам, выполненным на боковой поверхности, приводом, связанным с механической зубчатой передачей, входящей в зацепление с корпусом центрального тела по его внутренней поверхности. 5. Регулятор по пп.1 и 3, отличающийся тем, что отношение длины, на которую может перемещаться центральное тело по направляющим пазам, ко всей длине регулятора составляет 0,30 ... 0,35. 6. Регулятор по пп.1 и 3, отличающийся тем, что в зубчатом колесе выполнены сквозные отверстия, связывающие полость центрального тела с внутренней полостью регулятора.