РАКЕТА-НОСИТЕЛЬ Российский патент 2001 года по МПК F02K1/00 

Изобретение относится к области ракетостроения и может быть использовано при создании (модернизации) ракеты-носителя (РН), содержащей жидкостные ракетные двигательные установки (ЖРДУ) трех ступеней.

Известна РН "Протон", оснащенная ЖРДУ III ступени, содержащая двигатель РД-0212, состоящий из маршевого однокамерного двигателя РД-0213 и рулевого четырехкамерного двигателя РД-0214 (каталог "Оружие России", том VI, 3AO "Военный парад", Россия- Москва, 1996-1997; стр. 611- аналог).

Известны РН "Спутник", "Луна", "Восток", "Восход", "Молния", "Союз" с ЖРДУ I и II ступени, содержащие маршевые четырехкамерные двигатели РД-107 и РД-108 с двумя и четырьмя рулевыми камерами.

Известна РН "Союз" с ЖРДУ III ступени, содержащая маршевый четырехкамерный двигатель РД-0110 с четырьмя рулевыми соплами (каталог "Оружие России", том VI, 3AO "Военный парад", Россия-Москва, 1996-1997; стр. 542-544, стр. 607 - прототип).

Указанная РН, выбранная в качестве прототипа, оснащена многокамерными двигателями разной тяги, которые по сравнению с маршевыми однокамерными двигателями имеют значительно меньшую длину, поэтому уменьшены и габариты всей ракеты, что в конечном итоге приводит к заметному выигрышу в массе.

В то же время указанная конструкция многокамерного двигателя обладает следующими недостатками:
не позволяет унифицировать маршевые и рулевые двигатели (агрегаты) трех ступеней РН;
не позволяет максимально использовать мидель ракеты;
не позволяет по высоте полета ракеты регулировать геометрическую степень расширения сопла;
расширяющиеся части сопел и защита двигателя имеют большую массу;
при работе двигателей I и II ступени, начинающих работать от Земли, возникает большое непостоянное донное сопротивление.

Задачей предлагаемого изобретения является устранение указанных недостатков: обеспечение унификации маршевых и рулевых двигателей (агрегатов) трех ступеней РН, уменьшение массы РН, увеличение геометрической степени расширения сопел, повышение эксплуатационных характеристик РН.

Поставленная задача достигается тем, что в РН, содержащей на I, II и III ступенях маршевые и рулевые четырехкамерные двигатели, на I и II ступенях установлены маршевые однокамерные двигатели, тяга каждого из которых равна тяге рулевого четырехкамерного двигателя I ступени, а на III ступени установлен маршевый четырехкамерный двигатель тягой, равной тяге рулевого четырехкамерного двигателя I ступени, при этом камеры маршевого четырехкамерного двигателя III ступени снабжены высотными сопловыми насадками, образующими излом контура сопла.

На фиг. 1 представлена конструктивно-компоновочная схема РН, на фиг. 2 - вид А, на фиг. 3 - сечение Б-Б, на фиг. 4 - сечение В-В, где:
1 - ЖРДУ I ступени РН;
2 - ЖРДУ II ступени РН;
3 - ЖРДУ III ступени РН;
4 - маршевый однокамерный двигатель I ступени;
5 - маршевый однокамерный двигатель II ступени;
6 - рулевой двухкамерный двигатель I ступени;
7 - рулевой четырехкамерный двигатель II ступени;
8 - маршевый четырехкамерный двигатель III ступени;
9 - камера маршевого четырехкамерного двигателя III ступени;
10 - высотный сопловой насадок камеры маршевого четырехкамерного двигателя III ступени.

Первая ступень РН (см. фиг. 2) состоит из четырех боковых ЖРДУ 1, каждая из которых содержит четыре маршевых однокамерных двигателя 4 и один рулевой двухкамерный двигатель 6.

Вторая ступень РН состоит из центральной ЖРДУ 2, начинающей работать от Земли, которая содержит четыре маршевых однокамерных двигателя 5 и один рулевой четырехкамерный двигатель 7.

ЖРДУ 3 (см. фиг. 3) III ступени РН состоит из одного маршевого четырехкамерного двигателя 8, камеры которого содержат камеры с земным соплом 9 (см. фиг. 4) и высотные сопловые насадки 10, образующие с земными соплами излом контура. Сопло с изломом земного контура и переходом его в высотный имеет ~ на 10% меньшую массу, чем высотное сопло без излома контура.

В настоящее время проводятся работы по модернизации РН "Союз", которая находится в эксплуатации 35 лет.

ЦСКБ считает, что на всех трех ступенях целесообразно заменить используемые двигатели новыми.

Создание маршевых двигателей для I, II и III ступеней РН "Союз" можно осуществить на базе модифицированного под топливо кислород-керосин рулевого четырехкамерного двигателя РД-0245 (модуля), находящегося в серийном производстве, без которого невозможно модернизировать РН. Для уменьшения в четыре раза количества камер на ЖРДУ I и II ступени РН целесообразно использовать камеру двигателя РД-0216, тяга которой равна тяге четырехкамерного двигателя РД-0245. При этом высота по оси двигателей I и II ступени составляет ~ 1200 мм, что на 1700 мм меньше высоты, заданной в техническом задании.

Управление вектором тяги четырех ЖРДУ I ступени можно обеспечить двумя четырехкамерными двигателями РД-0245 или четырьмя двухкамерными двигателями РД-0245. Управление вектором тяги ЖРДУ II ступени можно обеспечить одним четырехкамерным двигателем РД-0245.

В каждой ЖРДУ I ступени можно уменьшить количество маршевых двигателей до трех, если использовать для управления вектором тяги в каждой ЖРДУ по одному четырехкамерному рулевому двигателю. Технические требования ЦСКБ можно полностью выполнить за счет изменения внутридвигательных параметров как маршевых двигателей, так и рулевого.

Управление вектором тяги ЖРДУ III ступени можно обеспечить поворотом маршевых камер или рулевых сопел (камер).

В другом варианте РН поставленная цель достигается тем, что в ней на I и II ступени установлены маршевые однокамерные двигатели, тяга каждого из которых равна тяге рулевого четырехкамерного двигателя I ступени, а на III ступени установлен маршевый четырехкамерный двигатель тягой, равной тяге рулевого четырехкамерного двигателя I ступени, при этом камеры маршевых двигателей I и II ступени, выполненные с укороченными соплами, и камеры маршевого двигателя III ступени снабжены общими сопловыми насадками.

На фиг. 5 представлена конструктивно-компоновочная схема РН (второй вариант), на фиг. 6 - вид Г, на фиг. 7 - сечение Е-Е, на фиг. 8 - сечение Д-Д, на фиг. 9 - сечение Ж-Ж, где:
11 - ЖРДУ с общим сопловым насадком I ступени РН;
12 - ЖРДУ с общим сопловым насадком II ступени РН;
13 - ЖРДУ с общим сопловым насадком III ступени РН;
14 - маршевый двигатель с общим сопловым насадком I ступени;
15 - маршевый двигатель с общим сопловым насадком II ступени;
16 - камера с укороченным соплом двигателя I и II ступени;
17 - общий сопловой насадок двигателя I и II ступени;
18 - маршевый четырехкамерный двигатель с общим сопловым насадком III ступени;
19 - общий сопловой насадок двигателя III ступени.

Первая ступень РН (см. фиг. 6) состоит из четырех боковых ЖРДУ 11, каждая из которых содержит четыре маршевых однокамерных двигателя 14 с общим сопловым насадком и один рулевой двухкамерный двигатель 6.

Вторая ступень РН состоит из центральной ЖРДУ 12, начинающей работать от Земли, которая содержит четыре маршевых однокамерных двигателя 15 с общим сопловым насадком и один рулевой четырехкамерный двигатель 7.

В ЖРДУ I и II ступени камеры 16 (см. фиг. 7) выполнены с укороченными соплами, к которым присоединен общий сопловой насадок 17.

ЖРДУ 13 (см. фиг. 8) III ступени РН состоит из одного маршевого четырехкамерного двигателя 18, камеры с земным соплом 9 (см. фиг. 9) которого присоединены к общему сопловому насадку 19.

Три или четыре модульных однокамерных маршевых двигателя с укороченными соплами I и II ступени и камеры маршевого четырехкамерного двигателя III ступени в районе выходных сечений соединены с общими сопловыми насадками, имеющими в сечении, перпендикулярном оси двигателя, форму эпициклоиды с тремя или четырьмя ветвями. Общий сопловой насадок по сравнению с полноразмерными частями этих сопел имеет ~ на 34% меньшую массу.

Использование общего соплового насадка позволяет увеличить удельный импульс тяги (уменьшить высоту двигателя) за счет максимального использования миделя ракеты, регулирования по высоте геометрической степени расширения сопла (при изломе контура сопел и насадка) и уменьшения донного сопротивления РН.

Применение предложенного изобретения позволяет эффективно унифицировать маршевые и рулевые двигатели трех ступеней РН, уменьшить массу конструкции, повысить ее надежность, снизить стоимость создания РН.

Изготовление (модернизация) предлагаемой РН не требует специальных технологий и реализуется известными методами.

Изобретение относится к области ракетостроения и может быть использовано при создании (модернизации) ракеты-носителя (РН), содержащей жидкостные ракетные двигательные установки трех ступеней. Ракета-носитель содержит на I и II ступенях маршевые однокамерные двигатели, тяга каждого из которых равна тяге рулевого двигателя I ступени, а на III ступени - маршевый четырехкамерный двигатель тягой, равной тяге рулевого двигателя I ступени, при этом камеры маршевого четырехкамерного двигателя III ступени снабжены высотными сопловыми насадками, образующими излом контура сопла. Ракета-носитель содержит на I и II ступенях маршевые однокамерные двигатели, тяга каждого из которых равна тяге рулевого двигателя I ступени, а на III ступени - маршевый четырехкамерный двигатель тягой, равной тяге рулевого двигателя I ступени, при этом камеры маршевых двигателей I и II ступени, выполненные с укороченными соплами, и камеры маршевого двигателя III ступени снабжены общими сопловыми насадками. Применение предложенного изобретения позволяет эффективно унифицировать маршевые и рулевые двигатели трех ступеней РН, уменьшить массу конструкции, повысить ее надежность, снизить стоимость создания РН. 2 с.п. ф-лы, 9 ил.

1. Ракета-носитель, содержащая на I и II ступенях маршевые и рулевые двигатели и на III ступени маршевый четырехкамерный двигатель с четырьмя рулевыми соплами, отличающаяся тем, что в ней на I и II ступенях установлены маршевые однокамерные двигатели, тяга каждого из которых равна тяге рулевого двигателя I ступени, а на III ступени установлен маршевый четырехкамерный двигатель тягой, равной тяге рулевого двигателя I ступени, при этом камеры маршевого четырехкамерного двигателя III ступени снабжены высотными сопловыми насадками, образующими излом контура сопла. 2. Ракета-носитель, содержащая на I и II ступенях маршевые и рулевые двигатели и на III ступени маршевый четырехкамерный двигатель с четырьмя рулевыми соплами, отличающаяся тем, что в ней на I и II ступенях установлены маршевые однокамерные двигатели, тяга каждого из которых равна тяге рулевого двигателя I ступени, а на III ступени установлен маршевый четырехкамерный двигатель тягой, равной тяге рулевого двигателя 1 ступени, при этом камеры маршевых двигателей I и II ступени, выполненные с укороченными соплами, и камеры маршевого двигателя III ступени снабжены общими насадками.