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

Изобретение относится к ракетной технике и может быть использовано при создании твердотопливных двигателей различного назначения.

При создании твердотопливных двигателей большого удлинения, L/D ≥ 8 - 10 (L и D - длина и диаметр камеры сгорания соответственно), разработчики столкнулись с серьезной проблемой - возникновением в процессе работы двигателей продольных пульсаций внутрикамерного давления (продольных акустических колебаний) и соответственно тяги с низкими частотами, которые зависят от длины камеры сгорания (f = a/2L, где f - частота пульсаций (колебаний), а - скорость звука).

Пульсация давления снижает надежность работы конструкции, а пульсация тяги увеличивает нагрузку на элементы ракеты, особенно на систему управления, и степень риска возникновения резонанса в конструкции.

Стимулятором возникновения пульсаций давления в камере двигателя (как поперечных, так и продольных) является пульсационное горение заряда, которое присуще твердому топливу.

Известны устройства - поглотители акустических колебаний: противорезонансные поперечные диафрагмы и продольные перегородки типа лопасти (патент США N 3327481), резонансные стержни (патент США N 3786633) и др. Эти устройства существенно усложняют конструкцию двигателя, ухудшают условия воспламенения и горения заряда, требуют тепловой защиты, дефицитных термостойких материалов.

Известен ракетный двигатель твердого топлива, содержащий корпус большого удлинения и канальный заряд, прочноскрепленный с корпусом (патент США N 3665706, МКИ F 02 K 9/04). Для ослабления пульсационного горения в нем к переднему днищу камеры сгорания прикреплен газодинамический демпфер, содержащий корпус с установленным в нем зарядом и расходным отверстием (соплом). Пульсации в струе газа, вытекающего из расходного узла демпфера, накладываются на пульсации газа в камере двигателя, уменьшая амплитуду последних.

Двигатель обладает существенным недостатком, заключающимся в сложности реализации задачи снижения пульсаций. Практически необходимо отработать специальный двигатель с определенными характеристиками.

Технической задачей настоящего изобретения является упрощение конструкции двигателя, повышение эффективности подавления продольных пульсаций давления с низкими частотами.

Технический результат достигается тем, что в ракетном двигателе твердого топлива, содержащем корпус большого удлинения, заряд, прочноскрепленный с корпусом и имеющий центральный канал и равный по длине свод горения, сопло, корпус выполнен из переднерасположенной цилиндрической части меньшего диаметра и заднерасположенной цилиндрической части большего диаметра, соединенных коническим переходником, диаметр заднерасположенной части корпуса не менее чем в полтора раза превышает диаметр переднерасположенной части корпуса, а длина его составляет 0,1-0,3 общей длины корпуса, при этом горловина сопла выполнена из уносимого материала и на ней, со стороны входной части, выполнен уступ.

Указанные отличительные признаки выявлены в процессе отработки твердотопливных двигателей большого удлинения.

Работы по исключению пульсаций проводились по нескольким направлениям, включая поиск геометрической формы корпуса двигателя и соответственно камеры сгорания, входной части сопла, поиск геометрических соотношений проточного тракта заряда.

При этом необходимо было обеспечить постоянство поверхности горения заряда.

В процессе экспериментальных работ было установлено, что пульсации в первой половине работы двигателя могут быть существенно снижены за счет выбора формы корпуса и проточного тракта заряда.

Указанные выше форма и соотношение размеров корпуса и заряда позволили, с одной стороны, обеспечить эффективный вынос акустических колебаний (за счет большой скорости потока в переднерасположенной части заряда), а с другой стороны снизить амплитуду продольных колебаний в более широкой части заряда (за счет наложения в ней колебаний, возникающих в двух зонах заряда).

Во второй половине времени работы двигателя (после существенного разгара канала заряда) пульсации давления заметно возрастали, и потребовалось увеличение критического сечения сопла (проходного отверстия горловины). Увеличение площади проходного сечения горловины сопла осуществлялось путем применения уносимого материала и уступа, выполненного со стороны входной части.

Вследствие того, что разгар горловины сопла приводит к уменьшению удельного импульса тяги двигателя, уступ выполнялся таким образом, чтобы в первой половине времени работы проходное сечение ее практически не изменялось, а во второй - резко увеличивалось. Это условие выполнялось при диаметре сопряжения входной части разгораемой горловины с торцем уступа не менее 2/3 диаметра канала у его переднего торца.

На фиг. 1 изображен заявляемый двигатель.

Корпус двигателя содержит переднерасположенную цилиндрическую часть 1 и заднерасположенную цилиндрическую часть 2 большего диаметра, соединенные коническим переходником 3. Корпус снаряжен зарядом 4, причем канал, аналогично корпусу, имеет два участка разного диаметра. Свод заряда в двух частях корпуса выполнен одинаковым.

Диаметр заднерасположенной части корпуса не менее чем в 1,5 раза превышает диаметр переднерасположенной части, а длина его составляет 0,1-0,3 общей длины корпуса. Сопло 5 содержит разгораемую горловину 6. На входной части 7 горловины 6 образован уступ 8. Диаметр сопряжения D входной части 7 составляет не менее 2/3 диаметра d канала заряда у его переднего торца.

Особенности работы двигателя связаны, в основном, с разгаром горловины сопла.

Эскиз горловины сопла с уступом и ее разгар в процессе работы приведены на фиг. 2.

В процессе разгара горловины сопла имеет место различное воздействие двухфазного потока продуктов сгорания на ее поверхность. Радиальная скорость химической и тепломеханической эрозии поверхности горловины 6 вдоль оси двигателя на 1-2 порядка меньше лобовой эрозии уступа 8 за счет выпадения частиц конденсированной фазы на торец уступа.

На фиг. 2 приведено изменение поперечного сечения горловины сопла в процессе работы двигателя. Конструкция горловины сопла с уступом позволяет изменением длины горловины L варьировать временем начала ее интенсивного разгара, изменением размера D уступа позволяет варьировать величиной разгара, т. е. оказывать влияние на амплитуду пульсаций давления в камере сгорания со снижением ее до допустимого уровня или полного исключения.

Таким образом, заявляемая конструкция твердотопливного двигателя позволяет исключить пульсации давления в камере сгорания в течение всего времени работы двигателя, тем самым повысить надежность его работы.

Ракетный двигатель твердого топлива содержит корпус большого удлинения, заряд, прочноскрепленный с корпусом и имеющий центральный канал и равный по длине свод горения и сопло. Корпус выполнен из переднерасположенной цилиндрической части меньшего диаметра и заднерасположенной цилиндрической части большего диаметра, соединенных коническим переходником. Диаметр заднерасположенной части корпуса не менее чем в полтора раза превышает диаметр переднерасположенной части корпуса, а длина его составляет 0,1 - 0,3 общей длины корпуса. Горловина сопла выполнена из уносимого материала и на ней со стороны входной части выполнен уступ. Изобретение позволяет исключить пульсации давления в камере сгорания в течение всего времени работы двигателя и тем повысить надежность его работы. 2 ил.

Ракетный двигатель твердого топлива, содержащий корпус большого удлинения, заряд, прочноскрепленный с корпусом и имеющий центральный канал и равный по длине свод горения, сопло, отличающийся тем, что в нем корпус выполнен из переднерасположенной цилиндрической части меньшего диаметра и заднерасположенной цилиндрической части большего диаметра, соединенных коническим переходником, диаметр заднерасположенной части корпуса не менее чем в полтора раза превышает диаметр переднерасположенной части корпуса, а длина его составляет 0,1-0,3 общей длины корпуса, при этом горловина сопла выполнена из уносимого материала и на ней со стороны входной части выполнен уступ.