ЖИДКОСТНЫЙ РАКЕТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ С ДОЖИГАНИЕМ Российский патент 2001 года по МПК F02K9/66 

Изобретение относится к области однокамерных жидкостных ракетных двигателей (ЖРД) с дожиганием генераторного газа при турбонасосном агрегате (ТНА), размещенном сбоку от камеры сгорания и с качанием двигателя в двух плоскостях.

Известны однокамерные ЖРД с дожиганием при управлении вектора тяги посредством качания двигателя в двух плоскостях. Такие двигатели имеют карданный подвес с цапфами подвеса и рамой карданного подвеса (см. книгу авторов Г. Г. Гахуна и др. "Конструкция и проектирование жидкостных ракетных двигателей". М. : Машиностроение, 1989 г., стр. 375, рис. 14.11 и описание патента РФ N 2090773, М.кл. F 02 K 9/84, 1995 г.).

Поскольку к карданному подвесу, опоясовывшему камеру сгорания, во время работы приложена вся сила тяги камеры, то как следствие этого в целом система качания сложна, обладает раздутыми поперечными габаритами и существенной массой.

Указанный недостаток частично устранен в ЖРД с карданным шаровым подвесом.

Известный ЖРД (см. заявку авторов Чикалова В.Г. и др. на изобретение "Жидкостный ракетный двигатель с дожиганием" N 95121284/06 (037458) от 26.12.95, принятую ФИПС на рассмотрение по существу) имеет карданный шаровой подвес с неподвижным опорным конусом и полым, подвижным, камеру сгорания с газоводом и опорными элементами на корпусе головки камеры, систему рулевых приводов качания с тягами, силовыми цилиндрами и вилками для тяг, причем газовод камера расположен внутри подвижного конуса и пропущен через одно боковое отверстие данного конуса. Один рулевой привод данного двигателя расположен в плоскости, проходящей через ось камеры сгорания и ТНА, а другой - в перпендикулярной плоскости. Силовая ферма передачи каждого привода от силового цилиндра на камеру сгорания выполнена в виде силового треугольника, состоящего из двух наклонных тяг, расположенных в одной плоскости друг к другу под острым углом и закрепленных на вилках у основания конуса и в его средней части.

В известном ЖРД, в случае его многоразового использования, невозможно произвести монтаж и демонтаж подвижного опорного конуса с шаровой опорой с целью ее осмотра, ремонта, или замены. Фактически, в данном конструктивном исполнении, для снятия подвижной опоры следует произвести демонтаж всего ТНА и, соответственно, большинство основных трубопроводов двигателя. Аналогичная проблема возникает при замене на двигателях, прошедших огневые контрольно-сдаточные испытания, стержневых опор на более прочные и надежные литые опоры. Наличие в подвижном опорном конусе одного большого отверстия в его боковой стенке для прохода газовода вызывает, при передаче через него силы тяги камеры сгорания, перекос конуса, дающий нежелательное дополнительное отклонение вектора тяги порядка полградуса. Система рулевых приводов, размещенных каждый в своей плоскости, с учетом того, что центр масс двигателя вмещен в бок от оси камеры сгорания, имеет недостаточную жесткость, необходимую при качании двигателя. Тяги таких приводов, кроме растяжения и сжатия, подвергнуты действию моментов кручения, что требует увеличенной их жесткости. Кроме того, плоскости размещения приводов установлены асимметрично относительно плоскости, проходящей через оси камеры сгорания и ТНА, что вынуждает выполнять или переразмеренный один силовой привод, или два разных типоразмера приводов.

Задача на решение которой направлено заявленное изобретение заключается в создании ЖРД минимальной массы при получении возможности демонтажа подвижного опорного конуса без разборки всего двигателя и уменьшения нежелательного отклонения вектора тяги из-за деформации опорного конуса и с обеспечением надежного функционирования его элементов качания.

Поставленная задача решается тем, что подвижный опорный конус карданного подвеса выполнен из скрепленных между собой по горизонтальному разъемному стыку верхней основной конической части с раскрытым отверстием для прохода газовода и нижнего, примыкающего к ней разъемного силового кольца, установленного на опорных элементах корпуса головки камеры сгорания.

Варианты решения задачи описаны в последующих пунктах формулы изобретения. В частности, коническая стенка опорного подвижного конуса может быть выполнена со вторым отверстием, расположенным напротив отверстия для прохода газовода, силовая ферма передачи сил каждого привода от силового цилиндра на камеру сгорания может быть выполнена в виде силового треугольника, состоящего из шарнирно соединенных между собой наклонной тяги, установленной на вилке в районе верхнего фланца, или горизонтального ребра жесткости, конической стенки верхней части опорного конуса с ребром жесткости по образующей конуса и горизонтального кронштейна треугольной формы, с двумя проушинами, закрепленными в вилках, установленных на уровне нижнего фланца верхней части опорного конуса, а плоскости размещения приводов могут быть установлены под углом сорок пять градусов к плоскости, проходящей через оси камеры сгорания и ТНА.

Выполнение подвижного опорного конуса с разъемным силовым кольцом и верхней основной конической части с раскрытым отверстием под газовод позволяет произвести монтаж и демонтаж шарового подвеса без разделения ТНА от камеры сгорания и нарушения целостности системы трубопроводов и тем самым избежать дополнительных сборок и огневых контрольно-сдаточных испытаний ЖРД. Наличие в подвижном конусе второго, противоположного отверстия отверстию под газовод, выравнивает жесткость по оси камеры и тем самым ликвидирует перекос камеры при передаче силы тяги на шаровой подвес. Введение треугольного кронштейна в горизонтальной плоскости, силовой фермы передачи сил привода обеспечивает увеличенную жесткость фермы в горизонтальной плоскости, которая противодействует моменту кручения, возникающему вследствие смещения центра тяжести от оси камеры сгорания в сторону ТНА. Поскольку все элементы фермы работают на растяжение, или сжатие, места крепления расположены в местах повышенной жесткости подвижной опоры, ось наклонной тяги проходит через точку крепления рулевого привода, конструкция силовой фермы минимальна по массе. Размещение плоскостей приводов под 45^o к плоскости, проходящей через оси камеры сгорания и ТНА, позволяет выполнять оба привода одной размерности. В целом упомянутый комплекс отличий от известного ЖРД обеспечивает возможность снятия карданного подвеса без разборки двигателя и качания двигателя при минимальных массе и габаритах.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где на фиг. 1 представлен схематически общий вид ЖРД; на фиг. 2 - вид сверху на ЖРД; на фиг. 3 - сборочная единица подвижного опорного конуса шарового подвеса с силовыми фермами передачи сил от силовых цилиндров; на фиг. 4 - вид сверху на сборочную единицу подвижного опорного конуса; на фиг. 5 - вариант выполнения ЖРД.

ЖРД с дожиганием генераторного газа содержит камеру сгорания 1, скрепленную по стыку 2 с турбонасосным агрегатом 3, размещенным сбоку от камеры сгорания. Камера сгорания в верхней части включает газовод 4 форсуночной головки с ее опорными элементами 5 корпуса головки 6. Камера сгорания установлена, с возможностью качания, на карданном шаровом подвесе 7, скрепленном с силовым каркасом ракеты. Шаровой подвес включает стержневую неподвижную часть 8 и полый подвижный опорный конус 9. Данный конус выполнен литым из верхней основной конической части 10 и нижнего силового кольца 11, скрепленных между собой по горизонтальному разъемному стыку 12. Верхняя часть 10 содержит верхнее горизонтальное ребро, или фланец 13, и нижний фланец 14. В конической стенке 15 верхней части 10 выполнено два противоположно расположенных отверстия 16 и 17. Отверстие 16 раскрытое, оно служит для прохода газовода 4 и образует вырез 18 во фланце 14, дающий возможность прохода газовода в отверстие 16 со стороны фланца. Противоположное отверстие 17 фланец 14 не перерезает, а стенка 15 усилена ребрами жесткости 19, направленными по образующей конуса. На уровне верхнего горизонтального ребра 13 и нижнего фланца 14 в теле подвижного опорного конуса прилиты верхние 20 и нижние 21 вилки крепления элементов системы рулевых приводов 22. Нижнее силовое кольцо 11 выполнено разъемным по вертикальной плоскости 23. Скрепление двух симметричных половин осуществлено посредством лап 24 и 25, крепление подвижного конуса 9 к камере сгорания 1 осуществлено с помощью лап 26 силового кольца 11 к опорным элементам 5, или опорного фланца корпуса головки 6. Стыковка элементов конуса 9 и его крепление к камере сгорания осуществлено с помощью болтовых соединений.

Система рулевых приводов качания 22 ЖРД включает два привода, расположенных в двух взаимно перпендикулярных плоскостях 27 и 28. Каждый привод содержит опорную ферму 29, силовой цилиндр 30 и силовую ферму 31 передачи сил от силового цилиндра на камеру сгорания через опорный конус 9.

Силовая ферма 31 выполнена в виде силового треугольника, состоящего из шарнирно соединенных между собой наклонной тяги 32, установленной на вилке 20, горизонтального кронштейна 33 с двумя проушинами 34, закрепленными в симметрично разнесенных относительно плоскости качания вилках 21 и конической стенки 15 с ближайшим ребром жесткости 19. Плоскости размещения приводов 27 и 28 установлены под углами α к плоскости 35, проходящей через оси камеры сгорания и ТНА. Угол α равен 45^o (с учетом возможных допусков на изготовление).

Монтаж подвижного опорного конуса на камеру сгорания, с установленным на ней ТНА, производится при снятой одной половине разъемного силового кольца 11. При этом газовод пропускается через вырез 18 отверстия 16, после чего производится окончательное скрепление обоих половин кольца друг с другом, с верхней конической частью 11 и с камерой сгорания 1. Демонтаж производится в обратном порядке.

При необходимости изменения вектора тяги в соответствующий силовой цилиндр 30 подается под давлением рабочая среда. Силы, образуемые силовыми цилиндрами, передаются на вершину силовой фермы 31, и образующий крутящий момент относительно центра качания шарового подвеса поворачивает конус 9 вместе с камерой сгорания на необходимый угол. При этом сила тяги, образуемая камерой сгорания, через опорные элементы 5 передается на подвижный опорный конус 9 и неподвижную опорную часть 8 на силовой каркас ракеты.

ЖРД с дожиганием может быть выполнен с неподвижной опорной частью шарнирного подвеса 7 в виде полого неподвижного опорного конуса 36, (см. фиг. 5) или с размещением системы рулевых приводов качания со стороны ТНА.

Жидкостный ракетный двигатель с дожиганием содержит камеру сгорания с газоводом и опорными элементами на корпусе головки камеры сгорания, карданный шаровой подвес с неподвижной опорной частью и полым подвижным опорным конусом, пропущенным через него вбок газоводом и скрепленным с камерой сгорания, и систему рулевых приводов качания двигателя в виде двух приводов, расположенных в двух взаимно перпендикулярных плоскостях с тягами, силовыми цилиндрами и вилками для крепления тяг к опорному конусу. Подвижный опорный конус карданного подвеса выполнен из скрепленных между собой по горизонтальному разъемному стыку верхней основной конической части с раскрытым отверстием для прохода газовода и нижнего, примыкающего к ней разъемного силового кольца, установленного на опорных элементах корпуса головки камеры сгорания. Изобретение позволяет производить монтаж и демонтаж карданного шарового подвеса с подвижным опорным конусом при оптимальной массе подвеса и габаритах и массе системы качания. 3 з.п.ф-лы, 5 ил.

1. Жидкостный ракетный двигатель с дожиганием, содержащий камеру сгорания с газоводом и опорными элементами на корпусе головки камеры сгорания, турбонасосный агрегат с размещением его сбоку от камеры сгорания, карданный шаровой подвес с неподвижной опорной частью и полым подвижным опорным конусом, с пропущенным через него вбок газоводом и скрепленным с камерой сгорания, и систему рулевых приводов качания двигателя в виде двух приводов, расположенных в двух взаимно перпендикулярных плоскостях с тягами, силовыми цилиндрами и вилками для крепления тяг к опорному конусу, отличающийся тем, что подвижный опорный конус карданного подвеса выполнен из скрепленных между собой по горизонтальному разъемному стыку верхней основной конической части с раскрытым отверстием для прохода газовода и нижнего, примыкающего к ней разъемного силового кольца, установленного на опорных элементах корпуса головки камеры сгорания. 2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что в конической стенке верхней части опорного подвижного конуса выполнено второе отверстие, расположенное напротив отверстия для прохода газовода. 3. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что силовая ферма передачи сил каждого привода от силового цилиндра на камеру сгорания выполнена в виде силового треугольника, состоящего из шарнирно соединенных между собой наклонной тяги, установленной на вилке в районе верхнего фланца, или горизонтального ребра жесткости, конической стенки верхней части опорного конуса с ребром жесткости по образующей конуса и горизонтального кронштейна треугольной формы, с двумя проушинами, закрепленными в вилках, установленных на уровне нижнего фланца верхней части опорного конуса. 4. Двигатель по пп. 1 и 3, отличающийся тем, что плоскости размещения приводов установлены под углом сорок пять градусов к плоскости, проходящей через оси камеры сгорания и турбонасосного агрегата.