РАКЕТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА Российский патент 2001 года по МПК F02K9/26 

Изобретение относится к ракетной технике и может быть использовано при создании РДТТ многократного включения с отсечкой тяги.

Известно, что при маневрировании космических летательных аппаратов (КЛА) (например, при переходе с орбиты на орбиту), требуется многократное включение ракетного двигателя. Отсечка тяги при этом может осуществляться посредством авторегулируемого узла гидрогашения (УГГ) РДТТ (Патент РФ N 2100635). В конструкции УГГ по данному патенту не предусматривается возможность многократной отсечки тяги.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому положительному эффекту к предлагаемому изобретению является ракетный двигатель твердого топлива (Патент РФ N 2134814), содержащий корпус, сопло, заряд, устройства воспламенения и узел гидрогашения, состоящий из стакана, установленного в нем с возможностью осевого перемещения дифференциального поршня, зафиксированного замком фиксации, жидкого охладителя, находящегося в подпоршневой полости стакана. Дифференциальный поршень имеет каналы, сообщающие подпоршневую полость с полостью корпуса. На дифференциальном поршне с возможностью вращения вокруг продольной оси установлена обойма с отверстиями, расположенными напротив каналов. Обойма (или дифференциальный поршень) снабжена элементами, контактирующими в крайних положениях дифференциального поршня с направляющими, выполненными на стакане, а дифференциальный поршень (или обойма) снабжен элементом (например, пантографом), препятствующим его провороту вокруг продольной оси. Подпоршневая полость стакана сообщена через обратный клапан с баком, снаряженным жидким охладителем и находящимся под давлением наддува. Замок фиксации снабжен возвратными элементами (например, пружинами).

При несомненных достоинствах и высоком уровне автоматики данная конструктивная схема имеет следующие недостатки:
- высокий уровень ударно-крутящих нагрузок, прикладываемых при срабатывании УГГ к обойме, направляющим элементам, пантографам, может привести к проблематичности обеспечения требуемой прочности, появлению люфтов после первого срабатывания;
- низкий уровень герметичности конструктивной схемы клапана на основе обоймы с отверстиями, совмещенного с узлом впрыска, обуславливает несколько повышенный расход жидкого охладителя за каждый цикл работы;
- трудности отработки потребных характеристик и режимов работы узла впрыска, неизбежно содержащего при данной конструктивной схеме гладкую криволинейную поверхность стакана (оптимальная конфигурация узла впрыска получается при нарезании на этой поверхности винтовых каналов (см. Решение о выдаче патента от 18.03.99 г. по заявке N 98106584), что при данной конструктивной схеме прототипа не выполнимо).

Технической задачей изобретения является упрощение конструкции и повышение ее надежности.

Сущность изобретения заключается в том, что в известном ракетном двигателе твердого топлива, содержащем корпус, сопло, заряд, устройства воспламенения и узел гидрогашения, состоящий из стакана, установленного в нем с возможностью осевого перемещения дифференциального поршня, зафиксированного замком фиксации, снабженным возвратными элементами, жидкого охладителя, находящегося в подпоршневой полости стакана и в баке, находящемся под давлением наддува, причем, по окружности дифференциального поршня выполнены тангенциальные (винтовые) каналы, соединяющие подпоршневую и снабженную со стороны корпуса узлом герметизации надпоршневую полости стакана, в подпоршневой полости стакана размещен гидропривод, выполненный в виде набора телескопических гидроцилиндров. Часть гидроцилиндров с малыми диаметрами имеет радиальные отверстия, сообщающие подпоршневую полость стакана с полостью гидропривода. В полости гидропривода установлен клапан, выполненный в виде управляющего дифферецниального поршня, установленного с возможностью при своем продольном перемещении перекрывать радиальные окна, выполненные в гидроприводе и сообщающие подпоршневую полость стакана с полостью гидропривода. Кольцевая подпоршневая полость клапана сообщена с подпоршневой полостью стакана, а надпоршневая полость клапана сообщена с баком. Обращенный в надпоршневую полость клапана выход каналов от бака выполнен в форме седла, образующего в совокупности с клапаном обратный клапан. Клапан подпружинен со стороны полости гидропривода.

Технический результат достигается тем, что управляющие воздействия на клапан производятся гидравлическим путем. Это позволяет исключить из конструктивной схемы сложные механические направляющие элементы, участвующие в неравномерном сложном вращательно-поступательном движении, и избавиться от ударно-крутящих нагрузок. Все элементы конструкции предлагаемого изобретения совершают простые возвратно-поступательные движения. Открытие окон клапаном после полной зарядки подпоршневой полости стакана обеспечивает хорошее сообщение подпоршневой полости стакана с полостью гидропривода, т.е. практически исключает влияние гидропривода на динамику срабатывания УГГ. Разделение клапана и узла впрыска на отдельные конструктивные узлы создает оптимальные условия как для надежной работы клапана, так и для обеспечения потребной гидродинамики процесса впрыска.

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

Изобретение поясняется следующими чертежами:
на фиг. 1 показан продольный разрез двигателя в исходном положении узла гидрогашения, готовом к впрыску охладителя в камеру сгорания;
на фиг. 2 показан продольный разрез двигателя после окончания впрыска, в момент начала перезарядки УГГ новой порцией охладителя;
на фиг. 3 показан продольный разрез гидропривода (увеличено) в исходном положении узла гидрогашения, готовом к впрыску охладителя в камеру сгорания;
на фиг. 4 показан продольный разрез гидропривода (увеличено) после окончания впрыска, в момент начала перезарядки УГГ новой порцией охладителя.

Ракетный двигатель твердого топлива (см. фиг. 1) содержит корпус 1, заряд 2 и узел гидрогашения. Узел гидрогашения состоит из стакана 3 и установленного в нем с возможностью осевого перемещения дифференциального поршня 4, разделяющего полость стакана 3 на подпоршневую 5 и надпоршневую 6 полости (последняя обозначена только на фиг. 2). На внутренней цилиндрической поверхности стакана 3 нарезаны винтовые каналы 7, соединяющие подпоршневую 5 и надпоршневую 6 полости стакана 3. На выходе стакана 3 размещен узел герметизации 8, отделяющий надпоршневую полость 6 стакана 3 от полости корпуса 1. Дифференциальный поршень 4 относительно стакана 3 зафиксирован замком фиксации, снабженным возвратными элементами 9. Этот замок может быть выполнен, например, в виде шарикового замка. В законцовке стакана 3 выполнены радиальные отверстия, в которых с возможностью радиального перемещения установлены шарики 10, входящие в канавку 11, выполненную на дифференциальном поршне 4, и контактирующие с кольцом 12. Кольцо 12 установлено с возможностью осевого перемещения на законцовке стакана 3. В исходном положении кольцо 12 удерживается возвратными элементами 9, выполненными в виде пружин. На кольце 12 по окружности установлено несколько пиропатронов 13, сообщенных с полостью 14 (обозначена только на фиг. 2), которая в исходном положении является герметичной. Герметичность обеспечивается тем, что отверстия 15 в исходном положении перекрыты. Устройства воспламенения 16 двигателя выполнены в виде нескольких пусковых камер, установленных на заднем фланце корпуса 1 вокруг стакана 3. Сопло 17 выполнено в дифференциальном поршне 4 (впрочем, оно может быть и не связано с дифференциальным поршнем 4, т.е. может устанавливаться на корпусе 1). В подпоршневой полости 5 стакана 3 размещен гидропривод 18. В неподвижной части гидропривода 18 последовательно установлены телескопические гидроцилиндры 18А, 18Б, 18В, 18Г (см. фиг. 3 и 4). В гидроцилиндре 18В, имеющем малый диаметр, выполнены радиальные отверстия 19, сообщающие подпоршневую полость 5 стакана 3 с полостью 20 гидропривода 18. В полости 20 установлен клапан 21. Клапан 21 выполнен в виде управляющего дифференциального (ступенчатого) поршня, обращенного своей частью малого диаметра в полость 20 гидропривода 18 и контактирующий этой частью с гидроприводом 18 по цилиндрической поверхности, в которой выполнены радиальные окна 22, сообщающие подпоршневую полость 5 стакана 3 с полостью 20 гидропривода 18. Клапан 21 своей частью большего диаметра обращен в надпоршневую полость 23, имеющую сообщение с полостью 20 гидропривода 18 через перфорированное донышко клапана 21. Кольцевая подпоршневая полость 24 клапана 21 сообщена с подпоршневой полостью 5 стакана 3. Узел гидрогашения рассматриваемого двигателя сообщен через обратный клапан 25 с баком (на чертеже не показан), находящимся под давлением наддува (~5 кгс/см²) и снаряженным вместе с полостями УГГ жидким охладителем, достаточным для многократной зарядки УГГ порциями, необходимыми для надежного гашения. Обратный клапан 25 обращен в кольцевой коллектор 26, сообщающийся с надпоршневой полостью 23 клапана 21 продольными каналами 27 (сверлениями), расположенными между радиальными отверстиями с шариками 10. В конструкции предлагаемого двигателя может отсутствовать обратный клапан 25, если клапан 21 помимо своей основной управляющей функции (перекрытия окон 22) выполняет функции обратного клапана (т. е. функции клапана 25). В этом случае обращенный в надпоршневую полость 23 клапана 21 выход каналов 27 выполнен в форме седла, образующего в совокупности с ответной ему формой донышка клапана 21 обратный клапан, перекрывающийся при возникновении давления в полости 20 гидропривода 18. Впрочем, и в этом случае в конструкции могут присутствовать оба клапана (21 и 25), дублируя функции друг друга. В исходном состоянии клапан 21 может находиться либо в любом положении, либо гарантированно открывать радиальные окна 22. Для этого клапан 21 должен быть подпружинен со стороны полости 20 гидропривода 18.

Устройство работает следующим образом. Запуск РДТТ осуществляется при подаче сигнала на одну из пусковых камер 16. При воспламенении заряда 2 и работе двигателя дифференциальный поршень 4 относительно корпуса 1 (или стакана 3) остается неподвижным благодаря замку фиксации. Соответственно, давление жидкого охладителя, находящегося в подпоршневой полости 5 стакана 3 и в остальных, связанных с ней полостях 20, 23, 24, 26, равно давлению наддува бака (~5 кгс/см²), т.е. пренебрежимо мало по сравнению с внутрикамерным давлением. В момент возникновения необходимости останова двигателя подается сигнал на срабатывание одного из пиропатронов 13. В результате, давление в полости 14 повышается и происходит отжим кольца 12 (сопровождаемый сжатием пружин 9). Шарики 10 под действием дифференциального поршня 4 выдавливаются из канавки 11, что влечет за собой расфиксацию дифференциального поршня 4. Дифференциальный поршень 4 под действием силы внутрикамерного давления начинает движение, в результате чего давление в подпоршневой полости 5 возврастает. Это приводит в свою очередь к возрастанию давления в полости 20 гидропривода 18. Даже если к этому моменту клапан 21 случайно перекрывал радиальные окна 22, то и в этом случае возрастание давления в полости 20 гидропривода 18 и в подпоршневой полости 24 клапана 21 отжимает клапан 21 в крайнее положение, открыв при этом радиальные окна 22 (и, возможно, одновременно перекрыв каналы 27). Возрастание давления в УГГ (в полости 20) не передается в полость тонкостенного бака благодаря перекрытию каналов 27 и (или) срабатыванию обратного клапана 25. Движение дифференциального поршня 4 сопровождается перетеканием жидкого охладителя из полости 20 гидропривода 18 в подпоршневую полость 5 стакана 3 через радиальные окна 22 и через радиальные отверстия 19. После вхождения гидроцилиндра 18Г в гидроцилиндр 18В происходит перекрытие радиальных отверстий 19. Однако, проходная площадь открытых радиальных окон 22 такова, что наличие гидропривода 18 почти не оказывает влияния на динамику движения дифференциального поршня. Дифференциальный поршень 4, вытесняя (впрыскивая) жидкий охладитель из подпоршневой 5 в надпоршневую 6 полость стакана 3 через винтовые каналы 7, осуществляет гашение двигателя (отсечку тяги) за счет интенсивного отбора тепла на нагрев и испарение жидкого охладителя. Через некоторое время (0,05 - 1,0 с) давление в полости корпуса 1 (т.е. в надпоршневой полости 6) снижается до нуля за счет свободного истечения парогазовой смеси из камеры сгорания в вакуум (космическое пространство). Соответственно падает давление в подпоршневой полости 5 стакана 3, в полости 20 гидропривода 18 и в кольцевой подпоршневой полости 24 клапана 21. Жидкий охладитель, находящийся в баке, благодаря давлению наддува (~5 кгс/см²) этого бака открывает обратный клапан 25. При этом клапан 21 тем же давлением наддува, передавшимся через продольные каналы 27 в надпоршневую полость 23 клапана 21, отжимается в свое крайнее положение, перекрыв тем самым радиальные окна 22 (см. фиг. 4). Ввиду того, что давление в кольцевой подпоршневой полости 24 при этом остается равным нулю, неуравновешенная (на величину площади кольца подпоршневой полости 24) сила давления наддува надежно удерживает клапан 21, выполненный в виде дифференциального поршня, в отжатом состоянии. Это обеспечивает герметизацию (отделение) полости 20 гидропривода 18 от подпоршневой полости 5 стакана 3. Давление наддува бака, коллектора 26, полости 20 гидропривода 18, воздействуя на гидроцилиндры гидропривода 18, обеспечивает их последовательное выдвижение. Последовательность выдвижения гидроцилиндров следующая: первым выдвигается большой гидроцилиндр 18А, следующим - меньший гидроцилиндр 18Б, затем 18В и т.д. Выдвижение гидроцилиндров обеспечивает перемещение дифференциального поршня 4 к своему исходному положению. Полость 20 при этом находится под давлением наддува бака (~ 5 кгс/см²), а давление в подпоршневой полости 5 стакана 3 равно давлению окружающей среды (т.е. равно нулю). Непосредственно перед занятием дифференциальным поршнем 4 своего исходного положения, при выдвижении последнего гидроцилиндра 18Г, в предпоследнем гидроцилиндре 18В открываются радиальные отверстия 19. Жидкий охладитель из полости 20 через открывшиеся отверстия 19 под давлением наддува устремляется в подпоршневую полость 5 и полностью ее заполняет. При этом давление в подпоршневой полости 5 стакана 3, а также в сообщенной с ней подпоршневой полости 24 клапана 21 выравнивается с давлением в полостях 20 и 23. Таким образом исчезает сила, действовавшая на клапан 21. При этом он может оставаться на месте, или, в случае своего подпружинивания, заведомо открыть радиальные окна 22. После своего перемещения в исходное положение дифференциальный поршень 4 совмещается (прижимается давлением жидкого охладителя) с посадочным местом узла герметизации 8. За время гашения газы от пиропатрона 13 истекают из отверстия 15, т.е. давление в полости 14 падает до нуля. При возвращении дифференциального поршня 4 в исходное положение возвратные элементы 9 (сжатые ранее пружины) отжимают кольцом 12 шарики 10 в канавку 11 и надвигают на них кольцо 12. Таким образом, замок фиксации и двигатель в целом возвращаются в исходное положение, готовое к следующему запуску двигателя. Следующий запуск двигателя осуществляется посредством срабатывания одной из оставшихся пусковых камер 16, и дальнейшее функционирование двигателя происходит по вышеописанному алгоритму.

Технико-экономическая эффективность предлагаемого изобретения по сравнению с прототипом, в качестве которого взят ракетный двигатель твердого топлива (Патент РФ N 2134814), заключается в упрощении конструкции и повышении ее надежности.

Ракетный двигатель твердого топлива содержит корпус, сопло, заряд, устройства воспламенения и узел гидрогашения, состоящий из стакана, установленного в нем с возможностью осевого перемещения дифференциального поршня, зафиксированного замком фиксации, снабженным возвратными элементами, жидкого охладителя, находящегося в подпоршневой полости стакана и в баке, находящемся под давлением наддува. По окружности дифференциального поршня выполнены тангенциальные (винтовые) каналы, соединяющие подпоршневую и снабженную со стороны корпуса узлом герметизации надпоршневую полости стакана. В подпоршневой полости стакана размещен гидропривод, выполненный в виде набора телескопических гидроцилиндров. Часть гидроцилиндров с малыми диаметрами имеет радиальные отверстия, сообщающие подпоршневую полость стакана с полостью гидропривода, в которой установлен клапан, выполненный в виде управляющего дифференциального поршня, установленного с возможностью при своем продольном перемещении перекрывать радиальные окна, выполненные в гидроприводе и сообщающие подпоршневую полость стакана с полостью гидропривода. Кольцевая подпоршневая полость клапана сообщена с подпоршневой полостью клапана, надпоршневая полость клапана сообщена с баком. Изобретение позволяет упростить конструкцию и повысить надежность ракетного двигателя твердого топлива. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Ракетный двигатель твердого топлива, содержащий корпус, сопло, заряд, устройства воспламенения и узел гидрогашения, состоящий из стакана, установленного в нем с возможностью осевого перемещения дифференциального поршня, зафиксированного замком фиксации, снабженным возвратными элементами, жидкого охладителя, находящегося в подпоршневой полости стакана и в баке, находящемся под давлением наддува, причем по окружности дифференциального поршня выполнены тангенциальные (винтовые) каналы, соединяющие подпоршневую и снабженную со стороны корпуса узлом герметизации надпоршневую полости стакана, отличающийся тем, что в подпоршневой полости стакана размещен гидропривод, выполненный в виде набора телескопических гидроцилиндров, при этом часть гидроцилиндров с малыми диаметрами имеет радиальные отверстия, сообщающие подпоршневую полость стакана с полостью гидропривода, в которой установлен клапан, выполненный в виде управляющего дифференциального поршня, установленного с возможностью при своем продольном перемещении перекрывать радиальные окна, выполненные в гидроприводе и сообщающие подпоршневую полость стакана с полостью гидропривода, причем кольцевая подпоршневая полость клапана сообщена с подпоршневой полостью стакана, а надпоршневая полость клапана сообщена с баком. 2. Ракетный двигатель твердого топлива по п.1, отличающийся тем, что обращенный в надпоршневую полость клапана выход каналов от бака выполнен в форме седла, образующего в совокупности с клапаном обратный клапан. 3. Ракетный двигатель твердого топлива по пп.1 и 2, отличающийся тем, что клапан подпружинен со стороны полости гидропривода.