ЗАРЯД ТВЕРДОГО ТОПЛИВА ДЛЯ РАКЕТНОГО ДВИГАТЕЛЯ Российский патент 2002 года по МПК F02K9/18 

Изобретение относится к области ракетной техники и может быть использовано при проектировании, отработке и изготовлении РДТТ и вкладных зарядов к ним, в частности, для авиационных ракет.

При боевом применении ракет, предназначенных для вооружения самолетов, одним из отрицательных факторов является воздействие реактивной струи двигателя ракеты на силовую установку носителя и его планер. В частности, существуют ограничения по величине частиц топлива, выбрасываемых в конце работы из двигателя ракеты (дегрессивные остатки).

Особенностью двигателей ракет рассматриваемого класса является их высокая тяговооруженность при весьма малых временах работы, что обусловлено необходимостью обеспечить достаточную скорость схода ракет с направляющих и малые подлетные времена до цели. Обеспечить высокую тяговооруженность (при малых временах работы) возможно за счет применения канальных зарядов, горящих как по каналу, так и по наружной поверхности. При этом для обеспечения минимальных остатков несгорающего топлива желательно применение зарядов с центральным цилиндрическим (круговым) каналом (фиг. 1). Однако у таких зарядов слабо развита поверхность горения, что не обеспечивает форсированного режима работы двигателя в начальный период, когда и требуется максимальная тяговооруженность. Поэтому в известных конструкциях (Н. М. Шапиро и др. "Теория ракетных двигателей на твердом топливе". М. , 1966 г. , стр. 44) применяют заряды со звездообразным профилем канала (фиг. 2). Такие заряды обеспечивают большую поверхность горения в начальный период по сравнению с зарядами с цилиндрическим каналом.

Недостатком вкладных зарядов со звездообразным каналом является наличие существенных остатков топлива (дегрессивных остатков), выбрасываемых через сопло в конце работы двигателя. Кроме того, в таких РДТТ существуют ограничения по величине наружного диаметра заряда, связанные с необходимостью обеспечения максимально допустимых скоростей газа в зазоре между наружной поверхностью заряда и камерой двигателя. При малой величине зазора скорости потока газа становятся столь велики, что наступает разрушение камеры сгорания (за счет потери ее несущей способности в результате интенсивного прогрева). Увеличение же зазора, с целью снижения скорости потока и обеспечения прочности камеры сгорания, приводит к уменьшению весового совершенства двигателя, его энергетических характеристик (суммарного импульса тяги).

Наиболее близкими по конструкции к патентуемому изобретению являются конструкции зарядов, приведенные в патентах ФРГ 2347295 от 24.09.73 г. и Франции 1279419 от 13.11.67 г. По патенту ФРГ заряд выполнен бесканальным, весьма сложной и нетехнологичной конструкции с низкой эксплуатационной надежностью (в части воздействия механических нагрузок). По патенту Франции задача уменьшения дегрессивных остатков в основном решается (но не оптимизируется). В силу скрепления с корпусом двигателя эффект весового совершенства двигателя не достигается, так как углубления на наружной поверхности заряда заполнены металлическими вставками, увеличивающими пассивный вес двигателя. При этом конструкция заряда по данному патенту выполнена скрепленной по наружной поверхности с камерой двигателя и горение осуществляется только по каналу, что снижает тяговооруженность двигателя.

Технической задачей изобретения является уменьшение выброса дегрессивных остатков топлива в конце работы двигателя и повышение несущей способности (прочности) камеры сгорания при работе двигателя, а также обеспечение его высокой тяговооруженности.

Указанная задача решается за счет следующих особенностей конструкции заряда (фиг. 3):
1) заряд (3) выполняется вкладным всестороннего горения с профилированным каналом;
2) поперечный профиль канала выполняется звездообразным (5);
3) вдоль образующих наружной поверхности заряда, лежащих на осях симметрии выступов звездообразного профиля канала, выполнены углубления (4);
4) ширина выступов звездообразного канала не превышает толщину свода горения заряда.

Наличие углублений на наружной поверхности заряда, ориентированных над выступами канала и по числу им равных, позволяет существенно уменьшить массу выбрасываемых остатков топлива (фиг. 4). В то же время наличие указанных углублений увеличивает площадь свободного прохода газов в зазоре "заряд-камера сгорания", что приводит к уменьшению скорости потока в зазоре, уменьшению прогрева камеры и повышению ее несущей способности. При этом величина реализуемого импульса тяги двигателя не снижается, так как исключаемая из процесса горения (за счет углублений) масса топлива не участвует в создании тяги, а выбрасывается через сопло (фиг. 4). С точки зрения повышения жесткости конструкции число лучей канала (и углублений) выбирается нечетным. С целью уменьшения массы выбрасываемых остатков топлива до минимума профили наружной поверхности между углублениями и поверхности канала между выступами выполнены с совпадающими эволютами (эволюта - геометрическое место центров кривизны для всех точек кривой). Данный отличительный признак - совпадение эволют профилей наружной поверхности и поверхности канала - в конструкциях аналога и прототипа отсутствует. В то же время он имеет принципиальный характер для зарядов рассматриваемого класса. В случае отклонения от данного условия в ту или другую сторону неизбежно возрастает выброс остатков топлива в конце работы: в одном случае за счет увеличения дегрессивных остатков А, в другом - за счет преждевременного перегорания топливного кольца в точках A₁ и А₂ и выброса остатков В и несколько уменьшенных остатков А (фиг. 5). Таким образом, условие совпадения эволют минимизирует выброс остатков топлива. При этом для получения положительного эффекта необходимо дополнительно наложить ограничение на ширину выступов канала (2в), которая не должна превышать толщину свода заряда (2е) между выступами (фиг. 5).

Сравнение патентуемой конструкции по сходным признакам с аналогичными приведено в таблице.

С учетом выполненного сравнения прототипом заявляемой конструкции является конструкция по патенту 1279419 - Франция, как совпадающая с патентуемой по максимальному числу сходных признаков.

Технический результат патентуемого изобретения характеризуется:
1) уменьшением выброса дегрессивных остатков топлива в конце работы двигателя;
2) повышением несущей способности камеры сгорания, либо повышением импульса тяги двигателя.

Последний эффект может также выразиться в уменьшении толщины теплозащитного покрытия (ТЗП) камеры сгорания, в уменьшении длины участка камеры сгорания, покрытого ТЗП и т. п.

На фиг. 1 изображен заряд (поперечное сечение) всестороннего горения с цилиндрическим профилем канала:
1 - заряд.

На фиг. 2 изображен заряд (поперечное сечение) всестороннего горения с каналом звездообразного профиля:
1 - заряд.

На фиг. 3 показана заявляемая конструкция заряда в камере ракетного двигателя:
1 - заряд;
2 - сопловой блок;
3 - камера сгорания;
4 - углубления на наружной поверхности заряда;
5 - выступы профиля канала.

На фиг. 4 приведено сравнение остатков топлива для аналога (а) и заявляемой конструкции (б):
6 - профиль наружной поверхности;
7 - профиль горящей поверхности канала в конце работы заряда;
8 - эволюта горящей поверхности канала;
9 - эволюта наружной поверхности.

На фиг. 5 продемонстрировано увеличение дегрессивных остатков при отклонении от оптимального профиля поперечного сечения заряда:
А, В - дегрессивные остатки;
A₁, A₂ - точки перегорания топливного кольца в конце работы;
2е - толщина свода заряда между выступами;
2в - ширина выступов канала.

Эффективность технического решения характеризуется:
1. Уменьшением выброса остатков топлива в 5-6 раз по сравнению с аналогами.

2. Увеличением площади прохода газов в зазоре до 10%. Это позволяет уменьшить толщину стенки камеры сгорания и снизить массу двигателя в целом.

Работоспособность патентуемой конструкции заряда проверена в процессе стендовых и летных испытаний в составе двигателя и ракеты.

Заряд твердого топлива для ракетного двигателя со звездообразным каналом и углублениями вдоль образующих на наружной поверхности, расположенными по осям симметрии выступов звездообразного канала, выполнен вкладным и всестороннего горения. Профили участков канала заряда между выступами звездообразного канала и наружной поверхности между углублениями выполнены с совпадающими эволютами. Ширина выступов не больше толщины свода горения заряда. Изобретение позволяет уменьшить выброс дегрессивных остатков топлива в конце работы двигателя и повысить несущую способность камеры сгорания при работе двигателя. 5 ил.

Заряд твердого топлива для ракетного двигателя со звездообразным каналом и углублениями вдоль образующих на наружной поверхности, расположенными по осям симметрии выступов звездообразного канала, отличающийся тем, что заряд выполнен вкладным и всестороннего горения, при этом профили участков канала заряда между выступами звездообразного канала и наружной поверхности между углублениями выполнены с совпадающими эволютами, а ширина выступов не больше толщины свода горения заряда.