КОРПУС РАКЕТНОГО ДВИГАТЕЛЯ ТВЁРДОГО ТОПЛИВА Российский патент 2003 года по МПК F02K9/34 

Изобретение относится к ракетной технике и может быть использовано при создании корпусов РДТТ, ступеней ракет и элементов конструкции, размещенных внутри других ракетных отсеков или транспортно-пусковых контейнеров, а также отсеков, имеющих аэродинамические стабилизаторы.

Известно, что при компоновке ряда ракетных систем РДТТ или ракетные ступени размещаются внутри цилиндрических стаканов, связанных с предыдущей или последующей ступенью ракеты, либо являющихся транспортно-пусковым контейнером. Радиальная фиксация внутри стакана может обеспечиваться шпангоутами, поясами обтюрации, амортизаторами или башмаками, зафиксированными на корпусе ракеты или двигателя [стр. 103, рис. 2, позиция 2. Баллистические ракеты подводных лодок России: Избранные статьи. / Под ред. И.И. Величко.- 2-е издание. - Миасс: Госуд. Ракетный центр "КБ им. академика В.П. Макеева", 1997. - 334 с., ил.]. Примером необходимости радиальной фиксации РДТТ относительно внутренней цилиндрической поверхности, являющейся каналом воздухозаборника прямоточного воздушно-реактивного двигателя (ПВРД) последующей ступени, является разгонная двигательная установка [Патент РФ 2175726]. Радиальная фиксация осуществляется с помощью локальных башмаков, зазоры между которыми обеспечивают надежную газосвязь с объемом заднего отсека.

Предлагаемое изобретение посвящено оптимизации конструкции крепления центрирующих башмаков или аэродинамических стабилизаторов (т.е. локальных элементов, воспринимающих большие нагрузки) к тонкостенному корпусу. Выполнение узлов механического крепления на тонкостенных корпусах проблематично, особенно, если они выполнены из композиционного материала (пластика). Также проблематична локальная приклейка башмаков (или аэродинамических стабилизаторов) к корпусу с обеспечением требуемых физико-механических характеристик. При этом площадь приклеиваемой поверхности, равной размеру башмаков (или аэродинамических стабилизаторов), является ограниченной.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому положительному эффекту к предлагаемому изобретению является корпус с периферийным центральным шпангоутом [рис. 2.5, стр. 55. Конструкции РДТТ. / Под ред. Л.Н. Лаврова. - М.: Машиностроение, 1993. - 215 с.]. Центральный шпангоут (позиция 3) выполнен намоткой кольцевых слоев композиционного материала на поверхность корпуса с последующей механической обработкой.

Недостатком данной конструкции является кольцевая форма шпангоута, увеличивающая его мидель, т.е. отсутствие продольных зазоров в шпангоуте, необходимых, например, для перетекания газа через шпангоут. При фрезеровании башмаков в шпангоуте, выполненном из одно- или двунаправленного композиционного материала, физико-механические характеристики башмаков получаются неудовлетворительными ввиду склонности к расслоению перерезанных кольцевых слоев. Например, деформации цельного кольцевого шпангоута отслеживают деформации корпуса при его работе и не приводят к недопустимому увеличению напряжений между корпусом и цельным кольцевым шпангоутом. Напротив, различие деформаций корпуса и локальных башмаков приводит к локализации пика напряжений по клеевой границе, т.е. башмаки просто отваливаются от корпуса. Не представляется возможным решить указанную проблему подбором схемы армирования композиционного материала, т.е. введением армирующих волокон, расположенных перпендикулярно поверхности корпуса, либо установкой металлических игл, штифтов. Это объясняется малой толщиной шпангоута (отсутствует место для третьей координаты) и технологическими трудностями трехмерного плетения на оборудовании, предназначенном для спирально-кольцевой намотки.

Технической задачей настоящего изобретения является повышение физико-механических характеристик центрирующе-силового пояса с башмаками (или с аэродинамическими стабилизаторами) при снижении габаритов (толщины узлов крепления) и массы, а также упрощение технологии его изготовления.

Сущность изобретения заключается в том, что в известном корпусе РДТТ, имеющем центрирующе-силовой пояс с башмаками (или с аэродинамическими стабилизаторами), расположенный на его цилиндрической части, башмаки (или аэродинамические стабилизаторы) механически закреплены на шпангоуте, образованном приматываемым к корпусу кольцевыми слоями композиционного материала каркасом, выполненным в виде одного или нескольких колец, скрепленных между собой продольными перемычками, при этом с крайними кольцами скреплены продольные лапки, а кольцевые слои композиционного материала расположены поверх продольных лапок и продольных перемычек каркаса. Суммарная толщина кольцевых слоев с учетом толщины продольных лапок и перемычек равна высоте колец каркаса. Каркас выполнен обрезиненным. Кольца каркаса выполнены разрезными. Башмаки (или аэродинамические стабилизаторы) крепятся к каркасу винтами, установленными в радиальные резьбовые гнезда, выполненные в кольцах каркаса, при этом башмаки (или стабилизаторы) имеют гнезда для размещения потайной головки винтов.

Технический результат достигается тем, что кольца каркаса выполнены из изотропного материала с высоким уровнем физико-механических характеристик (металла с прочностью не ниже 100 кг/мм² и модулем упругости не ниже 10000 кг/мм²) и имеют толщину, достаточную (с учетом характеристик материала) для выполнения в них узлов (резьбовых отверстий) механического крепления башмаков (или аэродинамических стабилизаторов). За счет того, что крепление центрирующе-силового пояса (т.е. каркаса) к корпусу производится примоткой кольцевых слоев поверх продольных лапок и перемычек (располагаемых между кольцами каркаса), толщина центрирующе-силового пояса равна толщине колец каркаса, т.е. получается минимально возможной. При этом каркас обеспечивает:
1. удобство надежного механического крепления башмаков (или аэродинамических стабилизаторов);
2. увеличение как кольцевой, так и местной (в районах размещения башмаков или стабилизаторов) жесткости центрирующе-силового пояса (увеличение кольцевой жесткости обеспечивается в комплексе с кольцевыми слоями композиционного материала, фиксирующего каркас);
3. плавное изменение жесткости по длине корпуса (плавность достигается за счет продольных лапок каркаса, жесткость которых уменьшается в соответствии с расстоянием от их корневого сечения, расположенного в месте их скрепления с кольцом каркаса, а также за счет возможности уменьшения толщины кольцевых слоев композиционного материала, располагаемых дальше от колец каркаса); снижение пиков напряжений на межслоевых границах, а также компенсация разности температурных деформаций достигается обрезиниванием каркаса;
4. распределение локальных нагрузок от башмака (или аэродинамического стабилизатора) на обширную область корпуса;
5. упрощение технологии изготовления центрирующе силового пояса за счет удобства установки каркаса, имеющего разрез колец, на корпус; за счет удобства намотки кольцевых слоев композиционного материала поверх элементов каркаса; а также за счет того, что чистовую мехобработку рабочей поверхности башмаков вследствие повышенной надежности их механического крепления к корпусу возможно проводить на окончательно собранном корпусе.

Данное техническое решение не известно из патентной и технической литературы.

Изобретение поясняется следующим графическим материалом:
- на фиг. 1 показан общий вид центрирующе-силового пояса с башмаками (вместо башмаков могут аналогичным образом крепится аэродинамические стабилизаторы), местный разрез корпуса в районе крепления башмака, а также местный вид на каркас с условно отсутствующими башмаком и кольцевыми слоями композиционного материала;
- на фиг.2 показан увеличенный местный разрез корпуса в районе крепления башмака;
- на фиг.3 показан в аксонометрии каркас шпангоута центрирующе-силового пояса.

Корпус 1 ракетного двигателя твердого топлива имеет центрирующе-силовой пояс, расположенный на его цилиндрической части и состоящий из шпангоута и закрепленных на нем башмаков 2. Шпангоут образован приматываемым к корпусу 1 кольцевыми слоями 3 композиционного материала каркасом 4. Каркас 4 выполнен металлическим и представляет собой одно или несколько колец 5, скрепленных между собой продольными перемычками 6, имеющими толщину, меньшую, чем толщина колец 5. С крайними кольцами 5 скреплены продольные лапки 7, толщина которых также меньше толщины колец 5. Число колец 5 может составлять 1-3 (если к шпангоуту крепятся башмаки 2), или 2-5 (если к шпангоуту крепятся аэродинамические стабилизаторы). Кольца 5 для удобства установки каркаса 4 на корпус 1 и для обеспечения полноты прилегания поверхности каркаса 4 к поверхности корпуса 1 имеют продольные разрезы 8. С целью снижения межслоевых напряжений при деформациях корпуса во время работы и с целью компенсации разности температурных деформаций поверхность каркаса 4 покрыта слоем резины 9. При изготовлении шпангоута обрезиненный каркас 4, благодаря возможности разжиматься (обусловленной разрезами 8), заводится через всю длину корпуса 1 до требуемого места его расположения, где производится его технологическая фиксация. Кольцевые слои 3 наматываются поверх продольных лапок 7 и поверх продольных перемычек 6. Таким образом, кольцевые слои 3 одновременно контактируют с поверхностью корпуса 1 (в просветах между продольными перемычками 6, между лапками 7) и поверхностью каркаса 4 (поверхностью продольных перемычек 6 и лапок 7). Кольцевые слои 3 надежно притягивают каркас 4 к поверхности корпуса 1 и, также, исключают возможность продольного сдвига каркаса 4 относительно поверхности корпуса 1. Суммарная толщина кольцевых слоев 3 с учетом толщины продольных лапок 7 и перемычек 6 выполняется равной высоте колец 5 каркаса 4. На шпангоут устанавливаются башмаки 2 (или аэродинамические стабилизаторы). Башмаки 2 крепятся к каркасу 4 винтами 10, установленными в радиальные резьбовые гнезда 11, выполненные в кольцах 5 каркаса 4. Башмаки 2 имеют гнезда 12 для размещения потайной головки винтов 10. Полностью собранный центрирующий пояс может в составе корпуса РДТТ подвергнуться окончательной чистовой мехобработке (шлифовке) наружной рабочей поверхности башмаков 2.

Устройство работает следующим образом. Эксплуатация изделия при температурах, отличных от равновесной, приводит к разности температурных деформаций разнородных материалов каркаса 4 и органопластика (1 и 3). Резиновые слои 9 значительно снижают возникающие при этом межслоевые сдвиговые напряжения. При эксплуатации изделия, сопряженной с изгибными деформациями корпуса 1, недопустимых концентраций напряжений на шпангоуте не возникает благодаря плавному изменению его жесткости по длине корпуса 1 и возможности продольных лапок 7 отслеживать изгибные деформации корпуса 1. При возникновении локальных нагрузок на башмаки 2 эти нагрузки каркасом 4 и всей структурой шпангоута распределяются на обширную область самого шпангоута и, соответственно, корпуса 1. Корпус 1 при этом сохраняет целостность формы, а благодаря тому, что точечные (локальные) силы распределяются по большой площади, уровень напряжений от действия локальных нагрузок значительно снижается. При работе корпуса 1, сопряженной с воздействием внутреннего давления, повышенная кольцевая жесткость шпангоута центрирующего пояса не приводит к концентрации напряжений по краям шпангоута. Это достигается переменностью (уменьшением) толщины кольцевых слоев 3 композиционного материала, располагаемых дальше от колец 5 каркаса 4, а также способностью продольных лапок 7 расходиться при деформациях корпуса 1 относительно жестких колец 5 по лепестковой схеме.

Технико-экономическая эффективность предлагаемого изобретения по сравнению с прототипом, в качестве которого выбран корпус с периферийным центральным шпангоутом [рис. 2.5, стр. 55. Конструкции РДТТ. / Под ред. Л.Н. Лаврова. - М. : Машиностроение, 1993. - 215 с.], заключается в повышении физико-механических характеристик центрирующе-силового пояса с башмаками (или с аэродинамическими стабилизаторами) при снижении габаритов (толщины узлов крепления) и массы, а также в упрощении технологии его изготовления.

Корпус ракетного двигателя твердого топлива имеет центрирующе-силовой пояс с башмаками (или с аэродинамическими стабилизаторами), расположенный на его цилиндрической части. Башмаки (или аэродинамические стабилизаторы) механически закреплены на шпангоуте, образованном приматываемым к корпусу кольцевыми слоями композиционного материала каркасом, выполненным в виде одного или нескольких колец, скрепленных между собой продольными перемычками. С крайними кольцами скреплены продольные лапки, а кольцевые слои композиционного материала расположены поверх продольных лапок и продольных перемычек каркаса. Кольца каркаса выполнены из изотропного материала с высоким уровнем физико-механических характеристик (металла) и имеют толщину, достаточную (с учетом характеристик материала) для выполнения в них узлов механического крепления башмаков (или аэродинамических стабилизаторов). Изобретение позволит повысить физико-механические характеристики центрирующе-силового пояса с башмаками (или с аэродинамическими стабилизаторами) при снижении его габаритов (толщины узлов крепления) и массы, а также упростить технологию изготовления центрирующе-силового пояса. 4 з.п.ф-лы, 3 ил.

1. Корпус ракетного двигателя твердого топлива, имеющий центрирующе-силовой пояс с башмаками (или с аэродинамическими стабилизаторами), расположенный на его цилиндрической части, отличающийся тем, что башмаки (или аэродинамические стабилизаторы) механически закреплены на шпангоуте, образованном приматываемым к корпусу кольцевыми слоями композиционного материала каркасом, выполненным в виде одного или нескольких колец, скрепленных между собой продольными перемычками, при этом с крайними кольцами скреплены продольные лапки, а кольцевые слои композиционного материала расположены поверх продольных лапок и продольных перемычек каркаса, причем кольца каркаса выполнены из изотропного материала с высоким уровнем физико-механических характеристик (металла) и имеют толщину, достаточную (с учетом характеристик материала) для выполнения в них узлов механического крепления башмаков (или аэродинамических стабилизаторов). 2. Корпус ракетного двигателя твердого топлива по п. 1, отличающийся тем, что суммарная толщина кольцевых слоев с учетом толщины продольных лапок и перемычек равна высоте колец каркаса. 3. Корпус ракетного двигателя твердого топлива по п. 1, отличающийся тем, что каркас выполнен обрезиненным. 4. Корпус ракетного двигателя твердого топлива по п. 1, отличающийся тем, что кольца каркаса выполнены разрезными. 5. Корпус ракетного двигателя твердого топлива по п. 1, отличающийся тем, что башмаки (или аэродинамические стабилизаторы) крепятся к каркасу винтами, установленными в радиальные резьбовые гнезда, выполненные в кольцах каркаса, при этом башмаки (или аэродинамические стабилизаторы) имеют гнезда для размещения потайной головки винтов.