РАЗДВИЖНОЕ СОПЛО РАКЕТНОГО ДВИГАТЕЛЯ Российский патент 2003 года по МПК F02K1/09 F02K9/97 

Изобретение относится к ракетной технике, а именно к соплам большой степени расширения с телескопически складываемым раструбом, и может быть использовано при создании РДТТ.

Известны сопла с изменяемой геометрией раструба в процессе функционирования двигателя, как правило, имеющие укороченную длину в транспортном положении (с телескопически сложенным насадком раструба) и увеличенную длину раструба с выдвинутым насадком в рабочем положении.

Для установки выдвигаемого насадка раструба в рабочее положение применяют различные приводы и механизмы направленного выдвижения насадков раструба с использованием различных видов энергии.

Надежность работы сопел с телескопически выдвигаемым насадком раструба обеспечивается способностью механизма направленного движения насадка противостоять боковым силам, действующим в процессе выдвижения насадка раструба, с обеспечением соосности (что особенно важно в конце пути рабочего хода) насадка с неподвижной частью раструба, что обуславливается требованиями механизма фиксации.

Известен патент США 2967393, НКИ 60-35.6, в котором на неподвижной камере сгорания жидкостного ракетного двигателя установлен конический раструб с участком наружной цилиндрической поверхности, на который опирается своей внутренней цилиндрической поверхностью телескопически выдвигаемый, конический насадок. Привод выдвижения насадка (с использованием энергии сжатого газа) выполнен в виде блока гидроцилиндров, симметрично расположенных по периферии неподвижной камеры, жестко соединенных с ее цилиндрической направляющей поверхностью и кольцевым выступом выдвигаемого конического насадка. Длина направляющей цилиндрической поверхности неподвижной камеры больше длины пути выдвижения насадка, а диаметр цилиндрической направляющей поверхности насадка равен наибольшему диаметру неподвижной части раструба камеры сгорания.

Фиксация подвижного насадка в рабочем положении осуществляется упорами в гидроцилиндрах в конце рабочего хода поршня.

Недостатками конструкции является то, что конструкция не предусматривает сбрасывание элементов направленного выдвижения раструба в рабочее положение, и это приводит к повышению полетной массы конструкции, ухудшает коэффициент весового совершенства сопла и двигателя в целом. Данная конструкция характеризуется большой трудоемкостью в изготовлении из-за необходимости точного изготовления поршневых пар гидроцилиндров для обеспечения осесимметричного приложения усилия выдвижения на гидроцилиндрах, что увеличивает расходы на изготовление.

Известна конструкция телескопического сопла ракетного двигателя (заявка Японии 60-50259 от 30.07.85, МКИ F 02 K 9/97), которая содержит неподвижный конический раструб, конический сдвигаемый насадок, который в зоне меньшего диаметра скреплен с опорным устройством направленного выдвижения, выполненного в виде тонкостенной направляющей цилиндрической оболочки, скрепленной с выпуклой в сторону неподвижного раструба диафрагмой, с размещенным на ней газогенератором.

В зоне наименьшего диаметра сопла установлена заглушка, образующая замкнутую полость, совместно с внутренней конической поверхностью неподвижного раструба сопла, внутренней поверхностью цилиндрической направляющей оболочки и диафрагмой. Указанная замкнутая полость в совокупности с размещенным газогенератором на выпуклой стороне диафрагмы выполняют роль привода выдвижения насадка.

В зоне наибольшего диаметра неподвижного раструба сопла установлен механизм фиксации насадка в рабочем положении, выполненный в виде цангового механизма.

Устройство направленного выдвижения сгорает после завершения процесса выдвижения насадка. Крепление сдвигаемого насадка в транспортном положении осуществляется разрывными связями к днищу камеры двигателя. Диаметр цилиндрической направляющей оболочки равен наибольшему диаметру неподвижной части раструба сопла.

Недостатком конструкции является то, что единственная кольцевая зона подвижного контакта (база направления) цилиндрической оболочки опорного устройства направленного выдвижения насадка выполнена относительно малой длины в осевом направлении насадка. Это может приводить к нарушению соосного движения насадка под действием боковых сил различного характера, направленных под некоторым углом к оси насадка. Ими могут быть, в частности, массовые силы инерции и скоростного напора (в случае движения в плотных слоях атмосферы).

Увеличение же направляющей базы в осевом направлении может быть осуществлено увеличением длины цилиндрических направляющих поверхностей, что приводит к воспроизведению конструкции по патенту США 2967393 и соответственно к утяжелению конструкции.

Технической задачей предлагаемого изобретения является устранение указанных недостатков конструкции путем создания направляющего устройства, способного воспринимать возмущающие боковые силы при выдвижении насадка, с обеспечением в конце пути движения насадка соосного подхода его к механизму фиксации на неподвижном раструбе.

Решение задачи осуществляется тем, что в известном сопле образована дополнительная опорная поверхность на заглушке со стороны камеры сгорания двигателя, например, в виде цилиндра, имеющая длину не менее пути выдвижения насадка, а внутри раструба установлено контактирующее с ней опорное кольцо, при этом заглушка соединена жесткими элементами с направляющим цилиндром.

Предлагаемое решение технической задачи поясняется фиг.1, где изображено сопло с выдвигаемым насадком, а на фиг.2, 3, 4 изображены варианты его исполнения.

Раздвижное сопло (см. фиг.1) содержит выдвигаемый насадок 1, коаксиально размещенный относительно неподвижного раструба 2, в котором в зоне наименьшего диаметра при помощи жестких средств крепления установлено опорное кольцо 3. Насадок 1 соединен с опорным устройством направленного выдвижения насадка, выполненным в виде жесткой конструкции направляющего цилиндра 4, соединенного с заглушкой 5 жестким элементом, например, в виде стержней или конической оболочки 6. Заглушка 5 герметизирована шнуром 7 и снабжена направляющей опорной поверхностью 8, подвижно контактирующей с опорным кольцом 3. Длина дополнительной направляющей опорной поверхности 8 больше или равна пути выдвижения насадка,
L_нас≥L_выдв
Приводом выдвижения насадка 1 является заглушка 5, использующая перепад давлений между внутренней полостью двигателя и наружной средой. Перепад давления может быть осуществлен исходным давлением воздуха (например, 1 атм) в камере двигателя, находящимся на момент сборки изделия, и давлением в окружающей среде к моменту начала выдвижения насадка, которое значительно меньше, чем в полости двигателя.

Предлагаемое техническое решение позволяет при отработке конструкции осуществить регулировку движущей силы на насадке 1 для получения заданной кинетической энергии фиксации насадка. Это достигается выполнением дополнительной опорной поверхности 8 с отверстиями 10 (см. фиг.2), которые обеспечивают истечение через них газа с взаимодействием его с конической оболочкой 6, соединяющей заглушку 5 с направляющим цилиндром 4, что изменяет в сторону увеличения или уменьшения движущую силу на насадке.

При выполнении соединения заглушки 5 с направляющим цилиндром 4 в виде конической оболочки 6 (см. фиг.2) в процессе выдвижения к движущей силе от давления на заглушку 5 добавляется сила от давления на коническую оболочку 6 газа, прошедшего через отверстия 10 в дополнительной направляющей опорной поверхности 8.

Для более глубокого регулирования движущей силы по мере выдвижения насадка 1 в конической оболочке 6 могут быть выполнены профилированные отверстия 12 (см. фиг.4). Тем самым при выдвижении насадка 1 к движущей силе от давления на заглушку 5 добавляется сила от истекающего газа, прошедшего через отверстия 10, на коническую оболочку 6 меньшей площади.

С открытием отверстий 10 в направляющей опорной поверхности 8 и их различным сочетанием с отверстиями 10 в конической оболочке 6 и отверстий 11 в направляющем цилиндре 4 (см. фиг.4) может быть значительно расширена область регулирования скорости движения насадка по пути его движения за счет изменения величины движущей силы.

Сопло по варианту 1 работает следующим образом.

После подачи команды на раздвижку до запуска двигателя устраняются жесткие связи насадка 1 с раструбом неподвижным 2 (на фиг.1 не показаны), насадок 1 вместе с направляющим цилиндром 4 и заглушкой 5 с направляющей опорной поверхностью 8 перемещаются до фиксации насадка 1 на раструбе неподвижном 2. Боковые силы, действующие на насадок 1 и стремящиеся вывести его из соосного положения с раструбом неподвижным 2, воспринимаются направляющим устройством на увеличенной направляющей базе L_баз (расстояние между опорным кольцом 3 и срезом раструба неподвижного 2), которая остается постоянной до конца пути выдвижения насадка (см. фиг.1). По окончании раздвижки цилиндр 4 сбрасывается (например, отгоранием в потоке газов или разрушением по калибровочной перемычке от инерционных сил в момент фиксации насадка 1) и одновременно с ним сбрасываются заглушка 5 с направляющей опорной поверхностью 8, коническая оболочка 6 (см. фиг.2).

В случае раздвижки раструба сопла по варианту 2 (см. фиг.3) после прохождения профилированных отверстий 10 на направляющей опорной поверхности 8 заглушки 5 через опорное кольцо 3 к движущей силе от давления на заглушку добавляется сила от давления на коническую оболочку 6 газа (воздуха), прошедшего в полость 9.

В конструкции сопла по варианту 3 (см. фиг.3), регулируя давление в полости заглушки с помощью вскрываемых отверстий 10 в направляющей опорной поверхности 8 и отверстий 11 в направляющем цилиндре 4 по мере выдвижения насадка 1, можно задать любой закон движения (скорость) насадка.

Конструкция сопла по варианту 4 (см. фиг.4) предусматривает выполнение отверстий 12 в конической оболочке 6 для сбрасывания давления газа из полости 9.

Данная конструкция направляющего устройства позволяет иметь постоянную направляющую базу на пути движения насадка, обеспечивая его соосное движение в широком диапазоне возмущающих боковых сил, и, тем самым, обеспечивать надежную стыковку с раструбом неподвижным.

Использование внутренней полости двигателя для размещения части направляющего устройства на заглушке позволяет не увеличивать габариты сопла и двигателя.

Использование заглушки в качестве привода выдвижения насадка исключает необходимость наличия специального приводного устройства и средств его задействования с системой управления. Это ведет к снижению полетной массы сопла и двигателя в целом. Кроме того, сбрасывание частей устройства направленного выдвижения насадка снижает полетную массу сопла.

Раздвижное сопло ракетного двигателя содержит неподвижный раструб, размещенный на направляющем цилиндре выдвижной конический насадок, заглушку, привод выдвижения и элементы фиксации насадка. На заглушке со стороны камеры сгорания двигателя выполнена дополнительная направляющая опорная поверхность, имеющая длину не менее пути выдвижения насадка. В раструбе установлено контактирующее с ней опорное кольцо, при этом заглушка соединена жестким элементом, выполненным, например, в виде конической оболочки, с направляющим цилиндром. Изобретение позволит иметь постоянную направляющую базу на пути движения насадка, обеспечивая его соосное движение в широком диапазоне возмущающих боковых сил. 3 з.п.ф-лы, 4 ил.

1. Раздвижное сопло ракетного двигателя, содержащее неподвижный раструб, размещенный на направляющем цилиндре выдвижной конический насадок, заглушку, привод выдвижения и элементы фиксации насадка, отличающийся тем, что на заглушке со стороны камеры сгорания двигателя выполнена дополнительная направляющая опорная поверхность, имеющая длину не менее пути выдвижения насадка, а в раструбе установлено контактирующее с ней опорное кольцо, при этом заглушка соединена жестким элементом, например, в виде конической оболочки, с направляющим цилиндром. 2. Раздвижное сопло ракетного двигателя по п. 1, отличающееся тем, что дополнительная направляющая опорная поверхность выполнена в виде цилиндра, на боковой поверхности которого выполнены профилированные отверстия. 3. Раздвижное сопло ракетного двигателя по любому из п. 1 или 2, отличающееся тем, что на направляющем цилиндре конического насадка образованы профилированные отверстия. 4. Раздвижное сопло ракетного двигателя по любому из пп. 1- 3, отличающееся тем, что на конической оболочке выполнены профилированные отверстия.