ДВИГАТЕЛЬНАЯ УСТАНОВКА Российский патент 2002 года по МПК F02K9/82 

Изобретение относится к ракетной технике, а именно к двигательным установкам (ДУ) на твердых или пастообразных топливах с газодинамическими органами управления.

Известны и широко применяются ДУ с газодинамическими органами управления, содержащими каналы подачи текучей среды в сверхзвуковую часть сопла и электроклапаны управления [1]. Боковая управляющая сила при взаимодействии струй создается за счет импульса вдуваемой струи и перераспределения давления на стенках сопла. При высоких скоростях движения ракеты в воздухе аналогичный управляющий эффект достигается и при подаче текучей среды на наружную поверхность корпуса.

К недостаткам известных ДУ относятся относительно высокая инерционность и сложность конструкции органов управления, обусловленная наличием в электроклапанах подвижных механических элементов. Так, при временах срабатывания лучших электромагнитных устройств на уровне 3 мксек достигнуто время одиночного импульса работы не менее 10 мсек (реализованное на жидкостных ракетных двигателях ориентации летательного аппарата "Апполон" фирмы "Марквардт" [2].

Также известны системы следящего электро- (ЭР) и магнитореологического (МР) гидропривода, использующие свойство ЭР- и МР-суспензий изменять в широких пределах эффективную вязкость при воздействии электрического и магнитного полей соответственно [3]. Отсутствие подвижных механических элементов в управляющих потоком текучей среды МР- и ЭР-дросселях (типа описанных в [4 - 6] ) обеспечило частоту пропускания до 400 Гц в тяжелонагруженных гидроприводах систем активной виброзащиты и времена быстродействия до 0.5 мсек в оптических затворах лазеров. Помимо высокого быстродействия ЭР-дроссели характеризуются незначительным потреблением электроэнергии: так, потребная мощность опробованных ЭР-дросселей доведена до нескольких (2...5) Вт, а токи утечки между электродами при максимальном напряжении не превышают 1 мА.

Целью изобретения является повышение эффективности ДУ с газодинамическими органами управления за счет использования ЭР- и/или МР-эффекта.

Поставленная цель в ДУ с газодинамическими органами управления, содержащими каналы подачи текучей среды на обтекаемые сверхзвуковым потоком газа поверхности и электроклапаны управления, достигается тем, что в качестве текучей среды использована ЭР- или МР-жидкость, содержащая до 95 мас.% пастообразного ракетного топлива, а в качестве электроклапанов управления - ЭР- или МР-дроссели соответственно.

Замена подвижных механических элементов электрогидравлических клапанов прямым воздействием электрического или магнитного полей на ЭР- или МР-суспензии обеспечивает существенное (трех- - пятикратное) улучшение частотной характеристики органа управления ДУ, упрощает его конструкцию и повышает надежность. Повышению быстродействия способствуют также малая протяженность гидравлических магистралей ДУ по сравнению с известными системами активной виброзащиты - от 20 до 100 мм для ДУ различных компоновочных схем и габаритов. Необходимость введения в состав ЭР- или МР-суспензий пастообразного ракетного топлива - до 95 мас.% - обусловлено низкими энергетическими характеристиками известных ЭР- и МР-суспензий при использовании их в качестве текучих сред для впрыска в сверхзвуковую часть сопла, что обуславливает повышенный расход суспензий и ухудшает габаритно-массовые показатели ДУ, а прямое использование известных, используемых в ДУ для впрыска в сопло химически активных жидкостей - фреонов, четырехокиси азота, перекиси водорода и др., - неприемлемо из-за отсутствия у них требуемых ЭР- и МР-свойств.

Пастообразные ракетные топлива являются высоконаполненными суспензиями, включающими инертные или активные жидкие горючие-связки (минеральные и органические масла, полиэфиры, хлорные соли полиэтиленполиамина в растворах этиленгликоля, углеводороды, кремнийорганические жидкости и др.), твердые окислители различных фракций (перхлораты аммония, калия, нитросоединения и др. ), энергетические добавки (металлические порошки алюминия, магния, октоген и др.), загустители, поверхностно-активные вещества и технологические добавки (регуляторы скорости горения, окислы металлов, порошки проводящих полимеров, аэросил, стабилизаторы и др. ), и обеспечивающие необходимый комплекс энергетических, внутрибаллистических, реологических характеристик и стабильность свойств зарядов в течение до 15 - 20 лет эксплуатации двигателей.

Подбор и отработка рецептур пастообразных топлив, применяемые ингредиенты, методология и технология создания стабильных нерасслаивающихся суспензий близки или аналогичны технологиям изготовления ЭР- и МР-суспензий. Введение в состав топлива структурирующихся при наложении электрического поля ингредиентов - неполярной дисперсной фазы с высокой диэлектрической проницаемостью (кремнезема, силикагелей, аэросила, диатомита, алюмосиликатов, окислов металлов, крахмала, желатина, сажи), активаторов (глицерина, диэтиленгликоля, аминов) и поверхностно-активных веществ - не вызывает принципиальных затруднений, поскольку они известны и используются в химии топлив как технологические и специальные добавки.

Проведенные топливной организацией экспериментальные исследования подтвердили реализуемость МР-эффекта (изменения эффективной вязкости при наложении магнитного поля) в пастообразных топливах при введении в них ферромагнитных частиц. Экспериментально подтверждены приемлемые энергетические, внутрибаллистические и диэлектрические характеристики (в частности достигнуто удельное электрическое сопротивление на уровне 1.1 х 10¹⁵ Ом/м) пастообразных топлив на основе полиэтилсилоксановой жидкости и каучукового загустителя с молекулярной массой 600000 для использования в качестве энергетической добавки ЭР-суспензий.

ЭР- или МР-суспензии с добавками обычных пастообразных ракетных топлив до 20 - 40 мас.% не обладают свойствами самоподдерживающего горения в бескислородной среде, при более высоком содержании - ведут себя как низкоэнергетические ракетные топлива, т.е. горят в бескислородной среде по поверхности параллельными слоями. Компоновкой рецептуры может регулироваться вязкость - от десятков до 30 - 40 тыс. Па.сек. При размещении высоковязкой суспензии в камере ДУ (вокруг утопленной части сопла) могут не потребоваться формообразующее устройство (бак) и тепловая защита заднего днища корпуса. Более холодные продукты горения ЭР- или МР-пастообразных топлив (относительно основного заряда ДУ) могут использоваться для охлаждения пристеночных зон сопла. Компенсация меняющихся во времени работы ДУ таких параметров, как перепад давления (до 10 - 25 МПа) на управляющих дросселях, вязкость пастообразного топлива из-за нагрева, деформации при выдавливании, акустическом воздействии и вибрации, регулируются изменением амплитудно-фазово-частотных характеристик управляющих электрических сигналов. Диапазон введения в ЭР- или МР-суспензии энергетических добавок (пастообразных топлив) в количестве до 95 мас.% обусловлен необходимостью оптимизации комплекса "быстродействие органов управления - энергомассовые характеристики - стоимость" для каждой конкретной ДУ. Верхнее значение границы 95 мас.% получено пересчетом экспериментальных данных по удержанию (стабилизации) поверхности высокоэнергетических МР-пастообразных топлив в поле массовых сил.

Одной из принципиальных особенностей работы ДУ с ЭР- или МР-пастообразным топливом (т.е. ЭР- или МР-суспензий с высоким содержанием энергетической добавки) является необходимость его непрерывной подачи в сопло со скоростью не менее скорости горения топлива (при давлении в зоне впрыска). Это предотвращает перемещение фронта горения топлива из зоны впрыска в подающий канал. Т.о., управляющие дроссели работают в нормально открытом положении - от минимального расхода до максимального при подаче на дроссели соответственно максимального и минимального управляющего сигнала. Хотя минимальная скорость горения существующих топлив при атмосферном давлении доведена до 0.1 - 0.2 мм/сек, для ряда ДУ наличие постоянной утечки впрыскиваемой жидкости может явиться существенным ограничением.

Наличие постоянных малых симметричных возмущений пограничного слоя в сечении впрыска уменьшает потери удельного импульса тяги ДУ высотных ступеней при прохождении ракетой плотных слоев атмосферы - при перерасширении в сопле газового потока последний отрывается вблизи сечения с давлением, равным атмосферному, и, т. о., газодинамический орган управления с нормально открытыми дросселями может выполнять роль регулятора степени расширения сопла, уменьшая или исключая необходимость использования конструктивно сложных сопел переменной степени расширения - с раскрывающимися в полете телескопическими насадками или с установленными в сопле удаляемыми вставками.

Дальнейшие усовершенствования относятся к конкретизации изобретения применительно к вариантам исполнения ДУ.

Предложено ЭР- или МР-жидкость размещать в полости корпуса установки, каналы подачи среды совмещать с поверхностями разъема корпуса и сопла и выполнять их в виде щелевых дуг или кольца.

Такое исполнение исключает необходимость размещения на ДУ или ракете дополнительного силового бака для хранения жидкости с системой ее подачи, поскольку жидкость может вытесняется через каналы в сверхзвуковую часть сопла давлением газов камеры сгорания, а также упрощает реализацию органа управления вектором тяги ДУ с эффективной круговой диаграммой управляющих сил. Наличие текучей среды в щелевом зазоре разъема решает проблему его тепловой защиты и герметизации. Безусловно, количество хранящейся жидкости должно несколько превышать потребное для управления, поскольку прорыв газов из полости ДУ в каналы подачи текучей среды ведет к разрушению конструкции.

Предложено ЭР- или МР-дроссели выполнять с общим электродом или магнитопроводом соответственно
Общим электродом ЭР-дросселей может служить одна из электропроводящих поверхностей щелевых каналов в разъеме, например, поверхность металлического закладного фланца корпуса или углерод - углеродной детали сопла. Соответственно, для МР-дросселей в качестве общего магнитопровода также могут использоваться кольцевые силовые детали разъема из ферромагнитных сортов стали; магнитопроводы соленоидов МР-клапанов при этом встраиваются в ответную часть разъема. Такое решение упрощает компоновку дросселей, сокращает количество электрических кабелей и разъемов, особенно при реализации круговой диаграммы управления вектором тяги по всем плоскостям стабилизации: количество дросселей для управления по каналам тангажа и рыскания (курса) составляет не менее 8 при впрыске через 45 градусов по окружности и не менее 2 - 4-х дросселей для управления по крену впрыском жидкости с разных сторон разделительных ребер, установленных в раструбе сопла.

Простота и надежность конструкции, реализация управления непосредственно средствами микропроцессорной техники позволяют использовать принципы описанной ДУ в разнообразных газогенерирующих устройствах переменной производительности, в частности в управляемых по программам ЭВМ генераторах дымов, сигнальных и праздничных фейерверках, инфракрасных (тепловых) ловушках летательных аппаратов и т.п. Для повышения зрелищного эффекта предложено каналы подачи ЭР- или МР-суспензий запитывать от отдельных емкостей, в которых хранятся суспензии различного химического состава, например, красителей. При использовании химически активных составов или пастообразных топлив последняя замыкающая подачу порция суспензии представляет из себя химически нейтральную высоковязкую смесь типа консистентной смазки. Этим исключаются проникновение пламени в подающий канал и возможность разрушения из-за воспламенения остатков активных жидкостей в емкости. По окончании работы гидравлическая система газогенератора промывается и заправляется вновь.

Сущность изобретения поясняется на чертежах, где показаны:
на фиг.1 - общий вид ДУ в разрезе;
на фиг.2 - вид на ДУ со стороны сопла (вид А на фиг.1);
на фиг.3 - узел впрыска с ЭР-дросселем (выносной элемент Б на фиг.1);
на фиг. 4 - вариант выполнения узла впрыска с МР-дросселем (выносной элемент Б на фиг.1).

Приведенная на фиг. 1 ДУ содержит корпус 1 с передним 2 и задним 3 днищами, сопло 4 с формообразующим устройством 5, заглушкой с воспламенителем 6 и с утопленной в полость камеры сгорания 7 входной частью 8, газодинамические органы управления 9. В корпусе 1 размещен пастообразный топливный заряд 10 с устройством компенсации температурного расширения (на фиг.1 условно не показан), а в кольцевой полости вокруг утопленной входной части 8 сопла 4 и ограниченной разделительной мембраной 11 - заряд 12 ЭР- (или МР-) суспензии с пастообразным топливом. Кольцевая полость сообщена со сверхзвуковой частью сопла 4 системой щелевых каналов 13 (см. фиг.2), равномерно распределенных по периметру разъема 14 сопла 4 и заднего днища 3 корпуса ДУ, и двумя парами симметричных каналов 15 и 16, размещенных с противоположных сторон продольных ребер 17 сопла 4.

Узел впрыска с ЭР-дросселем 18 в увеличенном масштабе приведен на фиг.3. Дроссель имеет один общий кольцевой электрод 19, образованный внутренней поверхностью металлического закладного фланца 20 корпуса 1, и второй электрод 21 в форме дуги, размещенный на наружной поверхности разъема сопла 4 и электроизолированный от нее. Щелевой канал 13 образован поверхностями 19, 21 и боковыми перемычками разъема 14.

Вариант исполнения узла впрыска с МР-дросселем 22 (см.фиг.4) содержит соленоид 23, размещенный в гнезде закладного фланца 20 из ферромагнитной стали, и общий кольцевой магнитопровод 24, размещенный на наружной поверхности разъема сопла 4.

Работа ДУ. При подаче электроимпульса на задействование воспламенителя 6 последний подает форс раскаленных продуктов сгорания в полость формообразующего устройства 5, прожигает его разделительную мембрану и воспламеняет заряд 10. По мере нарастания давления в полости камеры сгорания 7 из сопла 4 вылетает сопловая заглушка с остатками несгоревшего каркаса воспламенителя 6, и под действием давления, передаваемого через заряд 10 и мембрану 11, начинается вытеснение ЭР-(МР-) пастообразного толива заряда 12 через каналы 13, 15 и 16 в закритическую часть сопла 4.

При отсутствии электрического (магнитного) поля ЭР-(МР-) суспензия беспрепятственно протекает через дроссель 9 и поступает в полость сопла 4, где воспламеняется и в результате взаимодействия со сверхзвуковым потоком сопла образует на раструбе зону повышенного давления и соответственно боковое управляющее усилие. При подаче напряжения на электроды 19 и 21 ЭР-дросселя 18 (на обмотку соленоида 23 МР-дросселя 22) электрическое (магнитное) поле воздействует на суспензию, протекающую по каналу. При взаимодействии происходит процесс адсорбции полярного вещества на поверхностях частиц, диспергированных в изолирующей жидкости ЭР- (частиц ферромагнетика в МР-) суспензии и образуется структура из частиц дисперсной фазы, ориентированная поперек потока суспензии, вследствие чего эффективная вязкость суспензии возрастает и соответственно уменьшается ее расход и управляющее усилие на сопле. Регулированием подачи электрических сигналов на управляющие дроссели 9, размещенные по окружности разъема 14, обеспечивается стабилизация ракеты по круговой диаграмме по каналам тангажа и рыскания (при подаче электропитания в дроссели 9, размещенные в соответствующих плоскостях стабилизации), и по каналу крена (при изменении расхода суспензии в каналах 15 или 16).

По окончании горения заряда 10 давление в плоскости камеры 7 сгорания выравнивается с окружающим и вытеснение суспензии в закритическую часть сопла 4 прекращается.

Предложенное изобретение предназначено для использования в перспективных ДУ высокоточных и маневренных ракетных систем различного назначения.

Литература
1. Конструкции ракетных двигателей на твердом топливе (под ред. Л.Н. Лаврова). - М.: Машиностроение - 1993 г. Стр.147-149.

2. Кокорин В.В., Рутовский Н.Б., Соловьев Е.В. Комплексная оптимизация двигательных установок систем управления. - М.: Машиностроение. - 1983 г. Стр.40.

3. Мадорский Л.С., Столбанов Н.Н. "Магнитореологический следящий привод" и статья "Высоковольтное устройство управления активной системой виброзащиты с электрореологическими демпферами". В сб. "Реофизика полимерных и дисперсных жидкостей". - Минск, ИТМО им.А.В.Лыкова АН БССР. - 1986 г. Стр. 40-43 и 58-60.

4. Авт. св. СССР 1024637 "Магнитореологический дроссель", МПК F 16 K 31/02.

5. Заявка ФРГ 3614484 "Электрогидравлический преобразователь", МПК F 15 C 1/06, G 11 C 28/00.

6. Патент США 2661598, НКИ 60-52, 1951.

Двигательная установка с газодинамическими органами управления, относящаяся к ракетной технике, содержит каналы подачи текучей среды на обтекаемые потоком газа поверхности и электроклапаны управления. В качестве текучей среды использована электро- или магнитореологическая жидкость, содержащая до 95 мас.% пастообразного ракетного топлива, а в качестве электроклапанов управления - электро- или магнитореологические дроссели, соответственно. Электро- или магнитореологическая жидкость может быть размещена в полости корпуса установки, а каналы подачи жидкости совмещены с поверхностями разъема корпуса и сопла и выполнены в виде щелевых дуг или кольца. Электро- или магнитореологические дроссели могут быть выполнены с общим электродом или магнитопроводом, соответственно. Каналы подачи электро- или магнитореологической жидкости могут быть запитаны от отдельных емкостей. Изобретение позволяет повысить эффективность двигательной установки с газодинамическими органами управления за счет использования электро- и/или магнитореологического эффекта. 3 з.п.ф-лы, 4 ил.

1. Двигательная установка с газодинамическими органами управления, содержащая каналы подачи текучей среды на обтекаемые потоком газа поверхности и электроклапаны управления, отличающаяся тем, что в качестве текучей среды использована электро- или магнитореологическая жидкость, содержащая до 95 мас. % пастообразного ракетного топлива, а в качестве электроклапанов управления - электро- или магнитореологические дроссели соответственно. 2. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что электро- или магнитореологическая жидкость размещена в полости корпуса установки, каналы подачи жидкости совмещены с поверхностями разъема корпуса и сопла и выполнены в виде щелевых дуг или кольца. 3. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что электро- или магнитореологические дроссели выполнены с общим электродом или магнитопроводом соответственно. 4. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что каналы подачи электро- или магнитореологической жидкости запитаны от отдельных емкостей.