СОПЛОВОЙ БЛОК РАКЕТНОГО ДВИГАТЕЛЯ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА Российский патент 2002 года по МПК F02K9/97 

Изобретение относится к области ракетной техники, а именно к ракетным двигателям твердого топлива (РДТТ), и может быть использовано для автоматической стабилизации тяги в условиях различных начальных температур и разброса параметров топлива, например для уменьшения рассеяния попаданий по дальности неуправляемых ракет и уменьшения рассеяния попаданий ручных гранатометов.

Известен твердотопливный двигатель, содержащий топливный заряд, размещенный в корпусе, авторегулирующее реактивное сверхзвуковое сопло с размещенным в нем подпружиненным центральным телом, закрепленным на пилонах в закритической части сопла [В.Ф.Присняков. Динамика ракетных двигателей твердого топлива. - М., 1984. - 320 с., см. с.19, рис.1.9,б. УДК 629.015].

Наличие подпружиненного центрального тела, настроенного на расчетное давление в камере горения, удерживает давление в камере горения на заданном расчетном уровне и тем самым уменьшает разброс в полтора - два раза при изменениях начальной температуры горения t_н от минус 50^oС до плюс 50^oС, а также частично компенсирует разбросы химических параметров твердого топлива и механические дефекты твердого топлива. Из сказанного следует, что подпружиненное центральное тело не решает задачи стабилизации тяги твердотопливного двигателя в полной мере. Кроме того, исследования показали, что данная конструкция склонна к неустойчивому (автоколебательному) режиму работы.

Прототипом настоящего изобретения является сопловой блок известного ракетного двигателя твердого топлива, содержащий центральное тело сверхзвукового сопла, закрепленное на тонкостенной обжимной трубке, надетой на направляющий стержень. Сверхзвуковое сопло подпружинено относительно корпуса, установлено в телескопической направляющей и соединено жестко с поршнем, расположенным в цилиндре. Цилиндр закреплен на корпусе. Рабочие полости цилиндра, разделенные поршнем, соединены с камерой горения двигателя каналами, выполненными в горловине сверхзвукового сопла, с дроссельными отверстиями и образуют газовый демпфер с дроссельным каналом, выполненным в поршне. Тонкостенная обжимная трубка связана с подвижным торцом топливной шашки посредством рычагов, перемещающих центральное тело пропорционально температуре твердого топлива. Полости демпфера соединены с закритической частью сверхзвукового сопла через выпускные дроссельные отверстия, соединенные каналом, проходящим в горловине сверхзвукового сопла в закритическую часть сопла [патент РФ 2151317, МПК 6 F 02 К 9/36, 9/57, 24.06.00].

Это устройство позволяет обеспечить устойчивую работу стабилизатора тяги с разомкнутым управлением по начальной температуре твердого топлива и замкнутым управлением по давлению в камере горения и ускорению ракеты.

Недостатком данной конструкции прототипа является наличие механических стальных пружин значительной жесткости, имеющих большую массу и габариты.

Задачей настоящего изобретения является уменьшение массогабаритных показателей соплового блока.

Поставленная задача решается тем, что сопловой блок ракетного двигателя твердого топлива, содержащий центральное тело и сверхзвуковое сопло, установленное в телескопической направляющей и соединенное жестко с поршнем, расположенным в цилиндре, закрепленном на корпусе, причем рабочие полости цилиндра, разделенные поршнем, соединены с камерой горения двигателя каналами, выполненными в горловине подвижного сопла с дроссельными отверстиями, полости цилиндра образуют газовый демпфер с дроссельным каналом, выполненным в поршне.

Задняя рабочая полость демпфера снабжена подпружиненным сбросовым клапаном, соединяющим заднюю рабочую полость цилиндра с окружающей средой и поддерживающим в ней постоянное давление, а передняя рабочая полость соединена с окружающей средой через дроссель переменного критического сечения, величина которого зависит от осевого перемещения поршня.

Кроме того, дроссель переменного критического сечения выполнен в виде щели на стенке цилиндра и частично перекрыт поршнем.

Наличие задней рабочей полости цилиндра с постоянным давлением, выполняющей функцию газовой пружины, позволяет отказаться от механических пружин, имеющихся в прототипе.

На чертеже приведен схематический продольный половинный разрез соплового блока ракетного двигателя твердого топлива с газовой пружиной в виде полости с дросселем переменного критического сечения, выполненным в виде щели на внешней стенке неподвижного цилиндра, частично перекрываемой поршнем.

Сопловой блок, закрепленный на корпусе 1 ракетного двигателя твердого топлива, содержит центральное тело 2, соединенное с рычагом (не показан), перемещающимся пропорционально изменению температуры топливного заряда, и цилиндр 3 с размещенным в нем поршнем 4, жестко соединенным с горловинной частью сверхзвукового подвижного сопла 5. Рабочее пространство цилиндра 3 разделено поршнем 4 на две полости: заднюю полость постоянного давления 6 и переднюю пружинную рабочую полость 7, которая соединена с окружающей средой через дроссель переменного критического сечения 8, критическая площадь которого частично перекрыта поршнем 4 и пропорциональна координате осевого перемещения поршня 4. Полость постоянного давления 6 соединена с камерой горения двигателя каналом 9 через дроссель постоянного критического сечения 10, с окружающей средой через подпружиненный сбросовый клапан 11, а с передней пружинной полостью 7 дроссельным каналом постоянного критического сечения 12 в поршне 4. Передняя рабочая полость снабжена впускным дросселем 13.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

При изменениях температуры в процессе хранения и транспортировки в соответствии с патентом прототипа центральное тело 2, соединенное с рычагом (не показан), перемещающимся пропорционально изменению температуры твердого топлива, также перемещается пропорционально изменению температуры относительно корпуса 1, а при запуске двигателя фиксируется в этом положении. Под действием перепада давлений в камере горения и окружающей среде сверхзвуковое подвижное сопло 5 смещается до упора назад, уменьшая пик давления от воспламенителя. По мере наполнения полости постоянного давления 6 через канал 9 и дроссель 10 в ней устанавливается постоянное давление, определяемое настройкой сбросового клапана 11, происходит перемещение сверхзвукового подвижного сопла 5 с поршнем 4 вперед и наполнение передней пружинной полости 7 через дросселирующий канал 12 в поршне 4 и впускной дроссель 13 при утечке газа через дроссель переменного критического сечения 8. После окончания переходного процесса силы со стороны камеры горения на торец горловинной части подвижного сверхзвукового сопла и на поверхности поршня 4 со стороны полости постоянного давления 6 и со стороны пружинной полости 7, а также со стороны расширяющейся части подвижного сверхзвукового сопла 5 уравновешиваются. При этом в камере горения ракетного двигателя твердого топлива устанавливается давление, соответствующее начальной температуре твердого топлива. Смещение сопла относительно установившегося положения равновесия сил вызывает изменение проходного критического сечения выпускного дросселя 8, что приводит к изменению давления в пружинной полости 7 пропорционально координате смещения, а следовательно, и к изменению усилия, возвращающего сопло в исходное положение. Демпфирование движения сопла с поршнем в цилиндре 3 происходит за счет перетекания рабочего тела из полости 6 в полость 7 и наоборот через канал 12 в поршне 4, а также через впускные дроссели 10, 13 и выпускной дроссель 8. Вследствие того, что подвижное сверхзвуковое сопло подпружинено относительно корпуса 1, под действием ускорения ракеты сопло смещается назад, увеличивая критическое сечение сопла. Таким образом осуществляется обратная связь по ускорению ракеты.

Применение изобретения позволяет исключить стальную механическую пружину, что позволяет сократить массогабаритные показатели соплового блока на 15...30%.

Сопловой блок ракетного двигателя твердого топлива включает в себя центральное тело и сопло. Сопло установлено в телескопической направляющей и соединено жестко с поршнем. Поршень расположен в цилиндре, закрепленном на корпусе, причем рабочие полости цилиндра, которые разделены поршнем, соединены с камерой горения двигателя каналами. Каналы выполнены в горловине подвижного сопла с дроссельными отверстиями, полости цилиндра соединены друг с другом дроссельным каналом, который выполнен в поршне. Цилиндр снабжен подпружиненным сбросовым клапаном, который соединяет заднюю рабочую полость цилиндра с окружающей средой. Передняя рабочая полость соединена с окружающей средой через дроссель переменного критического сечения, величина которого зависит от осевого перемещения поршня. Дроссель переменного критического сечения выполнен в виде щели на стенке цилиндра и частично перекрыт поршнем. Изобретение позволяет уменьшить массогабаритные показатели соплового блока, исключив механическую пружину, которая крепит сверхзвуковое сопло. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Сопловой блок ракетного двигателя твердого топлива, включающий центральное тело и сопло, установленное в телескопической направляющей и соединенное жестко с поршнем, расположенным в цилиндре, закрепленном на корпусе, причем рабочие полости цилиндра, разделенные поршнем, соединены с камерой горения двигателя каналами, выполненными в горловине подвижного сопла с дроссельными отверстиями, полости цилиндра соединены друг с другом дроссельным каналом, выполненным в поршне, отличающийся тем, что цилиндр снабжен подпружиненным сбросовым клапаном, соединяющим заднюю рабочую полость цилиндра с окружающей средой, а передняя рабочая полость соединена с окружающей средой через дроссель переменного критического сечения, величина которого зависит от осевого перемещения поршня. 2. Сопловой блок по п. 1, отличающийся тем, что дроссель переменного критического сечения выполнен в виде щели на стенке цилиндра и частично перекрыт поршнем.