СОПЛОВОЙ БЛОК РАКЕТНОГО ДВИГАТЕЛЯ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА С УСТАНОВЛЕННЫМ НА НЕМ БЛОКОМ СТАБИЛИЗАТОРОВ Российский патент 2002 года по МПК F02K9/97 

Изобретение относится к области ракетной техники, а именно к ракетным двигателям твердого топлива, и конкретно к ракетам реактивных систем залпового огня (РСЗО).

К основным направлениям развития ракет РСЗО относится повышение точности и кучности стрельбы. Достижение этой цели обеспечивается, в первую очередь, совершенствованием конструкции блока стабилизаторов ракеты.

Известен сопловой блок ракетного двигателя твердого топлива с блоком стабилизаторов ракеты М-13, включающий односопловой блок из низкоуглеродистой стали без тепловой защиты и блок стабилизаторов, установленный на обтекателе соплового блока (см., например А. А. Шишков и др. Рабочие процессы в ракетных двигателях твердого топлива. - М.: Машиностроение, 1989, с. 10), принятый за аналог. Задачей данного технического решения являлось достижение требуемой точности и кучности стрельбы ракетами с двигателями, топливо зарядов которых имеет низкие энергетические характеристики, сравнительно невысокие температуры газа и малые времена работы. Однако применение подобных сопловых блоков в ракетах с большой дальностью стрельбы, а следовательно, со значительным временем работы неэффективно из-за нагрева соплового блока до высоких температур, вызывающих деформацию соплового блока и обтекателя, а следовательно, отклонение формы блока стабилизаторов от расчетной, что обусловливает снижение точности и кучности стрельбы.

Общими признаками с предлагаемым сопловым блоком с установленным на нем блоком стабилизаторов является наличие в составе аналога односоплового блока, обтекателя и блока стабилизаторов.

Наиболее близким по технической сути и достигаемому техническому результату к заявляемому изобретению является сопловой блок с установленным на нем блоком стабилизаторов ракеты М-210Ф (см., например, Боевая машина 9П138. Техническое описание и инструкция по эксплуатации, часть 3. М.: Воениздат, 1986, с. 10), принятая за прототип.

Он содержит дозвуковую и сверхзвуковую части с элементами тепловой защиты, лопасти, оси и обтекатель с пазами, размещенный на сопловом блоке ракеты.

Сопловой блок с установленным на нем блоком стабилизаторов, принятый за прототип, функционирует следующим образом. После зажжения заряда двигателя продукты сгорания, истекая через сопловой блок, создают реактивную силу, ракета выходит из направляющей, лопасти блока стабилизаторов раскрываются и фиксируются в обтекателе, обеспечивая аэродинамическую стабилизацию ракеты на траектории.

Движение высокоскоростного воздушного потока, втекающего через пазы обтекателя в полость между обтекателем и наружной поверхностью соплового блока, обеспечивает снижение температур элементов соплового блока до допустимых значений, при которых не происходит деформация соплового блока, а следовательно, обтекателя и лопастей.

Однако сопловым блокам с блоком стабилизации подобной конструкции присущ ряд недостатков, основным из которых является недопустимый уровень деформаций соплового блока, установленного в двигателях с зарядами из современных высокоэнергетических топлив. Причиной этого является интенсивный нагрев соплового блока ракеты, являющегося опорным элементом обтекателя, к которому, в свою очередь, крепятся лопасти блока стабилизаторов. В силу снижения прочностных характеристик конструкционных материалов соплового блока при высоких температурах под действием интенсивных аэродинамических сил и моментов, действующих на блок стабилизаторов в сочетании с моментом, создаваемым косопоставленным оперением, при недостаточно эффективном охлаждении соплового блока происходит нарушение заданной геометрической формы блока стабилизаторов и соосности блока стабилизаторов и ракеты. Процесс нагрева соплового блока и нарушения заданной формы блока стабилизаторов происходит наиболее интенсивно при растрескивании вкладыша критического сечения соплового блока под действием термических напряжений от воздействия высокотемпературного потока продуктов сгорания при нерациональном выборе соотношения наружного диаметра вкладыша и внутреннего диаметра элемента его крепления. Действие указанных факторов приводит к ухудшению кучности и точности стрельбы.

Задачей известного технического решения (прототипа) явилось повышение точности и кучности стрельбы ракетами с зарядами из топлив сравнительно низких энергетических характеристик.

Общими признаками с предлагаемым сопловым блоком ракетного двигателя твердого топлива с блоком стабилизаторов является наличие дозвуковой и сверхзвуковой частей с элементами тепловой защиты, лопастей, осей и обтекателя с пазами, установленного на сопловом блоке.

В отличие от прототипа в предлагаемом сопловом блоке с блоком стабилизаторов с внутренней стороны обтекателя установлены турбулизаторы, выполненные в виде расположенных в 4-6 поперечных сечениях обтекателя пластин, перпендикулярных внутренней поверхности обтекателя, причем в каждом поперечном сечении размещено 6-12 пластин с одинаковым шагом, суммарная площадь пластин составляет 0,02-0,04 площади внутренней поверхности обтекателя, причем сопловой блок содержит вкладыш в критическом сечении, установленный в облицовке входного конуса соплового блока с радиальным зазором δ, равным 0,0005-0,010 наружного диаметра вкладыша D₁, а внутренний диаметр D облицовки входного конуса в месте стыка с вкладышем составляет 0,92-0,98 диаметра вкладыша D₂ в месте стыка.

Это позволяет сделать вывод о наличии причинно-следственной связи между совокупностью существенных признаков заявляемого технического решения и достигаемым техническим результатом.

Указанные признаки, отличающиеся от прототипа и на которые распространяется испрашиваемый объем, во всех случаях достаточны.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение точности и кучности стрельбы реактивными снарядами.

Указанный технический результат достигается тем, что в сопловом блоке с установленным на нем блоком стабилизаторов, содержащем дозвуковую и сверхзвуковую части с элементами тепловой защиты, лопасти, оси и обтекатель с пазами, с внутренней стороны обтекателя установлены турбулизаторы, выполненные в виде расположенных в 4-6 поперечных сечениях обтекателя пластин, перпендикулярных внутренней поверхности обтекателя, причем в каждом поперечном сечении размещено 6-12 пластин с одинаковым шагом, суммарная площадь пластин составляет 0,02-0,04 площади внутренней поверхности обтекателя, причем сопловой блок содержит вкладыш в критическом сечении, установленный в облицовке входного конуса соплового блока с радиальным зазором, равным 0,0005-0,010 наружного диаметра вкладыша, а внутренний диаметр облицовки входного конуса в месте стыка с вкладышем составляет 0,92-0,98 диаметра вкладыша в месте стыка.

Новая совокупность конструктивных элементов, а также наличие связей между узлами соплового блока с блоком стабилизаторов позволяет, в частности, за счет выполнения:
- с внутренней стороны обтекателя турбулизаторов в виде расположенных в 4-6 поперечных сечениях обтекателя пластин, перпендикулярных внутренней поверхности обтекателя, и размещения в каждом поперечном сечении 6-12 пластин с одинаковым шагом, с суммарной площадью пластин, составляющей 0,01-0,02 площади внутренней поверхности обтекателя, обеспечить эффективный теплоотвод от наружной поверхности соплового блока, снизить температуру соплового блока при применении зарядов двигателя из высокотемпературных топлив, а также температуру обтекателя до значений, исключающих потерю заданной геометрической формы блока стабилизаторов, чем достигаются высокие характеристики точности и кучности стрельбы. При уменьшении числа сечений, в которых расположены турбулизаторы, менее 4 снижается равномерность теплоотвода от наружной поверхности соплового блока, при увеличении числа сечений свыше 6 возрастают газодинамические потери при движении воздушного потока в полости между обтекателем и сопловым блоком, а следовательно, и скорость потока, что снижает эффективность охлаждения соплового блока и обтекателя. При размещении в каждом поперечном сечении менее 6 пластин снижается равномерность теплоотвода в области соплового блока и обтекателя, прилегающих к данному сечению, при увеличении числа пластин свыше 12 снижается скорость движения воздушного потока, что также ухудшает эффективность охлаждения. С уменьшением суммарной площади пластин менее 0,02 площади внутренней поверхности обтекателя снижается уровень турбулизяции воздушного потока, с увеличением площади пластин свыше 0,04 площади внутренней поверхности обтекателя снижается скорость движения воздушного потока за счет увеличения газодинамических потерь, что в совокупности также снижает эффект охлаждения соплового блока и обтекателя;
- соплового блока, содержащего вкладыш в критическом сечении, установленного в облицовке входного конуса соплового блока с радиальным зазором, равным 0,0005-0,010 наружного диаметра вкладыша, обеспечить расчетный температурный режим соплового блока, исключить растрескивание вкладыша из недефицитных марок графитов, применяемых в двигателях снарядов РСЗО, за счет термических напряжений, возникающих при нагреве вкладыша. При уменьшении радиального зазора менее 0,0005 наружного диаметра вкладыша радиальное расширение вкладыша при нагреве до диаметра посадочного места в облицовке и последующий нагрев обусловливают возникновение термических напряжений сжатия, превышающих допустимые значения, что вызывает растрескивание вкладыша. При увеличении радиального зазора свыше 0,010 наружного диаметра вкладыша вкладыш при нагреве расширяется до диаметра, меньшего, чем диаметр посадочного места в облицовке, что приводит к появлению растягивающих термических напряжений и растрескиванию вкладыша. Появление трещин во вкладыше вызывает нерасчетный режим нагрева и деформацию соплового блока, а следовательно, нарушение заданной геометрической формы блока стабилизаторов и ухудшение технического рассеивания;
- внутреннего диаметра облицовки входного конуса в месте стыка с вкладышем, равным 0,92-0,98 диаметра вкладыша в месте стыка, использовать для снижения нагрева вкладыша эффект "завесного" охлаждения, при котором газообразные продукты разложения облицовки с температурой в несколько раз ниже, чем температура продуктов сгорания, создают низкотемпературный пристеночный слой при обтекании вкладыша, что снижает уровень тепловых потоков и нагрев вкладыша, а также вероятность растрескивания вкладыша, исключая тем самым возможность появления деформаций блока стабилизаторов и ухудшение характеристик рассеивания ракет. При уменьшении указанных соотношений менее 0,92 увеличивается неоднородность распределения газодинамических параметров, что приводит к возрастанию газодинамического эксцентриситета, при увеличении соотношения свыше 0,98 уменьшается время действия "завесного" охлаждения, что в совокупности ухудшает характеристики рассеивания.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где изображен общий вид предложенного соплового блока ракетного двигателя твердого топлива с установленным на нем блоком стабилизаторов ракеты.

Предлагаемый сопловой блок ракетного двигателя твердого топлива с установленным на нем блоком стабилизаторов содержит обтекатель 1 с пазами 2, лопасти 3, оси 4, турбулизаторы 5, сопловой блок 6, облицовку входного конуса 7, вкладыш 8.

На сопловом блоке 6 размещен обтекатель 1 с пазами 2, на котором с помощью осей 4 установлены лопасти 3. На внутренней стороне обтекателя 1 с пазами 2, установленного на сопловом блоке 6, размещены турбулизаторы 5, выполненные в виде расположенных в 4-6 поперечных сечениях обтекателя 1 пластин, перпендикулярных внутренней поверхности обтекателя 1, причем в каждом поперечном сечении размещено 6-12 турбулизаторов 5 с одинаковым шагом, суммарная площадь турбулизаторов составляет 0,02-0,04 площади внутренней поверхности обтекателя 1, причем сопловой блок 6 содержит вкладыш 8 в критическом сечении, установленный в облицовке входного конуса 7 соплового блока 6 с радиальным зазором δ, равным 0,0005-0,010 наружного диаметра D₁ вкладыша 8, а внутренний диаметр D облицовки входного конуса 7 в месте стыка с вкладышем 8 составляет 0,92-0,98 диаметра вкладыша 8 D₂ в месте стыка.

Предложенное выполнение блока стабилизаторов позволило на 20-30 процентов улучшить характеристики точности и технического рассеивания ракет.

Функционирование предложенного блока стабилизаторов происходит следующим образом. При движении ракеты на активном участке траектории сопловой блок 6 подвержен интенсивному тепловому воздействию продуктов сгорания. За счет выбранного соотношения внутреннего диаметра D облицовки входного конуса 7 и внутреннего диаметра D₂ вкладыша 8 в месте стыка обеспечивается омывание внутренней поверхности вкладыша 8 низкотемпературными продуктами разложения облицовки 7, что снижает нагрев вкладыша 8. При тепловом расширении вкладыша 8 на величину радиального зазора δ, равного 0,0005-0,010 наружного диаметра D₁ вкладыша 8, достигается минимум термических напряжений вкладыша 8, что исключает его растрескивание. При движении ракеты воздушный поток, затекающий в пазы 2 обтекателя 1, при обтекании турбулизаторов 5 интенсивно турбулизируется, следствием чего является повышение уровня турбулентных пульсаций и резкое увеличение коэффициента теплоотдачи от наружной поверхности соплового блока 6 к охлаждаемому воздушному потоку. Отсутствие нагрева соплового блока 6 свыше допускаемых температур исключает деформации соплового блока 6, а следовательно, обтекателя 1 и лопастей 3, что в совокупности обеспечивает высокие значения точности и кучности стрельбы ракет с предлагаемым блоком стабилизаторов.

Полученный положительный эффект подтвержден в ходе летных испытаний ракет с блоком стабилизаторов предложенной конструкции.

Сопловой блок ракетного двигателя твердого топлива реактивных систем залпового огня содержит установленный на нем блок стабилизаторов. С внутренней стороны обтекателя, имеющего пазы, установлены турбулизаторы, выполненные в виде расположенных в 4-6 поперечных сечениях обтекателя пластин, перпендикулярных внутренней поверхности обтекателя. В каждом поперечном сечении размещено 6-12 пластин с одинаковым шагом. Суммарная площадь пластин составляет 0,02-0,04 площади внутренней поверхности обтекателя. Сопловой блок содержит вкладыш в критическом сечении, установленный в облицовке входного конуса соплового блока с радиальным зазором, равным 0,0005-0,010 наружного диаметра вкладыша. Внутренний диаметр облицовки входного конуса в месте стыка с вкладышем составляет 0,92-0,98 диаметра вкладыша в месте стыка. Сопловой блок также содержит дозвуковую и сверхзвуковую части с элементами тепловой защиты, лопасти, оси. Изобретение позволяет создать ракетную часть для реактивного снаряда с высокими значениями точности и кучности стрельбы. 1 ил.

Сопловой блок ракетного двигателя твердого топлива с установленным на нем блоком стабилизаторов, содержащий дозвуковую и сверхзвуковую части с элементами тепловой защиты, лопасти, оси и обтекатель с пазами, отличающийся тем, что в нем с внутренней стороны обтекателя установлены турбулизаторы, выполненные в виде расположенных в 4-6 поперечных сечениях обтекателя пластин, перпендикулярных внутренней поверхности обтекателя, причем в каждом поперечном сечении размещено 6-12 пластин с одинаковым шагом, суммарная площадь пластин составляет 0,02-0,04 площади внутренней поверхности обтекателя, причем сопловой блок содержит вкладыш в критическом сечении, установленный в облицовке входного конуса соплового блока с радиальным зазором, равным 0,0005 -0,010 наружного диаметра вкладыша, а внутренний диаметр облицовки входного конуса в месте стыка с вкладышем составляет 0,92-0,98 диаметра вкладыша в месте стыка.