СОПЛОВОЙ БЛОК РАКЕТНОГО ДВИГАТЕЛЯ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА Российский патент 2004 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 неуправляемых ракет по дальности и уменьшения рассеяния попаданий ручных гранатометов.

Известно регулируемое сопло, содержащее кинематически связанную с приводом, установленную на направляющих центрального тела тарель для изменения проходного сечения, причем для повышения надежности направляющие тарели выполнены винтовыми, а привод в виде поршня помещен в цилиндр, выполненный в тарели, и установлен на винтовых направляющих центрального тела, противоположных по закрутке направляющим тарели, а последняя и поршень связаны между собой с возможностью осевого относительного перемещения [Авторское свидетельство СССР №560077, МКИ F 02 К 1/8, 30.03.77, Б.И. №20, 1977 г.]. В связи с тем, что поршень и тарель совмещены, габариты и вес регулировочного сопла значительно уменьшены, а виброустойчивость и нечувствительность к ударным нагрузкам обеспечиваются тем, что связь между поршнем и тарелью выполнена в виде винтовых направляющих противоположной закрутки, а массы поршня и тарели выбраны равными.

Однако это регулируемое сопло является только исполнительным элементом. Для автоматического регулирования тяги необходимо иметь сложную систему управления с датчиком начальной температуры, датчиком давления в камере горения и исполнительным приводом золотника, что делает все устройство дорогим и неконкурентоспособным.

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. стр.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 тяги в полтора-два раза при изменениях начальной температуры горения t_н от минус 50°С до плюс 50°С, а также частично компенсирует разбросы химических параметров твердого топлива и механические дефекты твердого топлива. Из сказанного следует, что подпружиненое 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.

Известен твердотопливный двигатель, содержащий корпус с размещенным в нем воспламенителем и зарядом в виде шашки твердого топлива, сверхзвуковое сопло с центральным телом, закрепленным на тонкостенной трубке, связанной с подвижным торцом топливной шашки, и направляющую, закрепленную на дне корпуса со стороны, противоположной соплу [Я.М.Шапиро, Г.Ю.Мазинг, Н.Е.Прудников. Теория ракетного двигателя на твердом топливе. Военное издательство. М., 1966. - 324 с. См. стр.174-176, рис.5.9-5.10. УДК 629.015].

Данная конструкция осуществляет автоматическую настройку сопла в соответствии с начальной температурой горения твердого топлива, т.е. независимое разомкнутое регулирование по начальной температуре горения твердого топлива.

Недостатком данной конструкции является большая длина шашек твердого топлива, отсутствие стабилизации тяги при разбросе химических параметров твердого топлива и его механических дефектов в виде трещин и сколов, а также недостаточно точной установке центрального тела в критическом сечении реактивного сопла при разомкнутом регулировании по температуре.

Прототипом настоящего изобретения является ракетный двигатель твердого топлива, содержащий корпус с размещенными в нем воспламенителем и зарядом в виде топливной шашки, сверхзвуковое сопло с центральным телом, закрепленным на тонкостенной обжимной трубке, связанной с подвижным торцом топливной шашки, и направляющую, закрепленную на дне корпуса со стороны, противоположной соплу, отличающийся тем, что двигатель снабжен подпружиненным относительно корпуса штоком, установленным в трубчатой направляющей, а тонкостенная трубка упруго подвешена на штоке и охватывает его с возможностью фиксации на нем, причем шток снабжен демпфером, корпус которого закреплен на направляющей, а тонкостенная трубка связана с подвижным торцом топливной шашки посредством рычагов, неподвижный упор которых размещен на корпусе, короткое плечо опирается на топливную шашку, а длинное плечо шарнирно соединено с тонкостенной трубкой, дроссельный канал выполнен в поршне, выпускные дроссельные отверстия газового демпфера соединены с его осевым каналом и осевым каналом, проходящим через центральное тело [Патент Российской Федерации №2148726, Ракетный двигатель твердого топлива, по заявке №99105408 от 18.03.1999. Авторы изобретения: Лебеденко Игорь Сергеевич, Лебеденко Юрий Игоревич, Лебеденко Виктор Игоревич, опубл. 10.05.2000 г., бюл. №13].

Поставленная изобретением цель (уменьшение габаритных и массовых показателей) достигается тем, что в сопловом блоке ракетного двигателя твердого топлива, содержащем расширяющееся сопло, жестко соединенное с корпусом, подвижное центральное тело, установленное на телескопической направляющей, терморегулятор, перемещающийся пропорционально изменению температуры твердого топлива, и тонкостенную трубку-фиксатор на цилиндрическую часть основания центрального тела, жестко соединенного с корпусом двигателя и снабженного жестко соединенной направляющей втулкой с центральным выхлопным каналом и неподвижным поршнем, надето подвижное центральное тело с внутренней подвижной перегородкой так, что образуются три полости переменного объема: передняя пружинная полость переменного давления Рп, средняя полость постоянного давления Рс и задняя полость низкого давления Рн, причем передняя пружинная полость переменного давления соединена с камерой горения каналом и дроссельным отверстием постоянного сечения, а с выхлопным каналом выхлопными окнами в виде продольных щелей, перекрываемых с переднего края золотниковым плунжером, установленным в центральном канале и проходящим через тонкостенную обжимную стопорную втулку, соединенную с терморегулятором, а с задней стороны - подвижной перегородкой центрального тела; средняя полость постоянного давления соединена с камерой горения каналом и дроссельным отверстием постоянного сечения, с передней полостью переменного давления каналом с отверстием постоянного сечения, а с задней полостью низкого давления через сбросовый клапан; задняя полость низкого давления соединена с полостью постоянного давления через сбросовый клапан, а с центральным выхлопным каналом через выхлопное отверстие (окно) в направляющей втулке, обеспечивающее равенство давлений в задней полости и выхлопном канале.

На чертеже приведена конструктивная схема соплового блока.

Основание центрального тела 1 жестко соединено с направляющей втулкой 2 и колосниковой решеткой 3, которая в свою очередь жестко соединена с корпусом ракетного двигателя твердого топлива 4, выполненным зодно с расширяющимся соплом. Центральное тело 5, жестко соединенное с поршневой перегородкой 6, на скользящей посадке имеет возможность осевого перемещения по направляющей втулке 2. На направляющей втулке 2 жестко закреплен неподвижный поршень 7. В результате, внутри центрального тела образовались три полости переменного объема: передняя пружинная полость с переменным давлением Рп, средняя полость постоянного давления Рс и задняя полость низкого давления Рн. В неподвижном поршне 7 установлен сбросовый подпружиненный клапан 8, поддерживающий постоянное давление Рс в средней полости. В центральном теле 5 выполнен канал 9, который соединяет камеру горения твердого топлива с давлением Рк с передней пружинной полостью Рп через дроссельное отверстие 10 и со средней полостью Рс через дроссельное отверстие 11. В направляющей втулке 2 выполнен осевой выхлопной канал низкого давления 12 с давлением Рн, выходящий на срез сопла. В стенках направляющей втулки 2 выполнены выхлопные окна 13, соединяющие полость низкого давления Рн, в которой установлен сбросовый клапан 8, с выхлопным каналом низкого давления 12; выхлопные окна переменного критического сечения 14, соединяющие пружинную полость Рп с выхлопным каналом 12. В переднем конце канала никого давления 12 на скользящей посадке установлен золотниковый плунжер 15, соединенный с терморегулятором (на чертеже не показан) отверстием 16, который перемещает его пропорционально температуре твердого топлива при транспортировке и хранении. Передний конец золотникового плунжера проходит сквозь тонкостенную обжимную стопорную трубку-фиксатор 17, которая фиксирует его положение при повышении давления в камере горения при срабатывании воспламенителя (на чертеже не показан). Задний конец золотникового плунжера 15 частично перекрывает выхлопное окно 14 пропорционально изменениям температуры твердого топлива.

Передняя пружинная полость Рп соединена с полостью постоянного давления Рс дросселирующим каналом 18, выполненным в поршневой перегородке 6.

Работает сопловой блок следующим образом.

При изменениях температуры твердого топлива во время хранения или транспортирования терморегулятор, описанный в прототипе, перемещает золотниковый плунжер 15 назад, прикрывая выхлопное окно 14 при увеличении (повышении) температуры, и, наоборот, смещается вперед (налево), приоткрывая выхлопное окно 14 при понижении температуры. При запуске двигателя срабатывает воспламенитель (на чертеже не показан) и давление в камере горения резко повышается до 2,5...15 МПа. При повышении давления обжимная тонкостенная трубка-фиксатор 17 сжимается и фиксирует установившееся под действием температуры положение золотникового плунжера 15. Под действием возникшего перепада давлений центральное тело 5 смещается назад (вправо) до упора, а по каналу 9 в центральном теле 5 через дросселирующие отверстия 10 и 11 поступает газ в переднюю пружинную рабочую полость Рп и среднюю полость постоянного давления Рс. Наполнение средней полости Рс вследствие ее меньшего объема и отсутствия выхода газа через закрытый пружиной сбросовый клапан 8 происходит значительно быстрее, чем заполнение передней пружинной полости Рп вследствие ее максимального объема и максимально открытого выхлопного окна 14. Под действием силы перепада давлений F=(Pc-Pп)·Sп (где Sп-эффективная площадь поршневой перегородки) центральное тело начинает перемещаться вперед (влево) по направляющей втулке 2, преодолевая сопротивление в камере горения на лобовую часть центрального тела. При смещении центрального тела вперед (влево) в передней пружинной полости начинает ускоренно нарастать давление за счет добавочного поступления газа из средней полости постоянного давления Рс по каналу 18, уменьшения объема передней пружинной полости и прикрытия выхлопного окна 14. При некотором смещении центрального тела вперед с перерегулированием наступает равновесие сил, действующих на центральное тело, и оно останавливается. Установившееся положение центрального тела в сопле зависит от давления в камере горения и начального положения золотникового плунжера 15. Чем выше температура твердого топлива, тем дальше назад сместится золотниковый плунжер 15, тем дальше от переднего упора остановится центральное тело 5, и наоборот, при пониженной температуре твердого топлива центральное тело останавливается ближе к переднему упору, так как необходимо скомпенсировать открытие выхлопного окна 15, открытого золотниковым плунжером, перекрытием выхлопного окна 14, перемещением подвижной поршневой перегородки, перекрывающей это окно. Вследствие того, что давление горения твердого тела при пониженной температуре твердого тела должно быть повышенным, смещение золотникового плунжера при смещении вперед должно учитывать, кроме температурного смещения, еще и смещение на поджатие газовой пружины для получения повышенного давления в камере горения. Так как выходное отверстие выхлопного канала 12 находится на выходном срезе сопла в сверхзвуковой струе, давление в выхлопном канале 12 Рн будет близким к вакууму (Рн≈0), что немного улучшает работу устройства. Кроме того, отработавшие в газовом приводе газы утилизируются как добавочная масса, разгоняемая до скорости выхлопной струи двигателя. Жесткость газовой пружины определяется суммарной шириной выхлопных окон 14 и величиной дросселирующего окна 10, а также величиной постоянного давления в средней полости Рс. Демпфирующие свойства устройства определяются конкретными значениями размеров отверстий впуска 10 и 11, а также выпуска 14, 18 и седла под сбросовым клапаном 8.

Благодаря газовой пружине центральное тело компенсирует скачки давления в камере горения при сколах топлива и разбросах химического состава топлива, а также реагирует на ускорения в результате сброса давления. Как и в прототипе, система работает по разомкнутому циклу при регулировании по начальной температуре и по замкнутому циклу при регулировании по давлению.

Применение изобретения в ракетных двигателях твердого топлива позволит улучшить массогабаритные показатели в два-три раза и в такой же пропорции увеличить быстродействие системы стабилизации тяги по сравнению с прототипом за счет уменьшения массы подвижных частей и малых объемов рабочих полостей.

Сопловой блок ракетного двигателя твердого топлива содержит расширяющееся сопло, подвижное центральное тело, терморегулятор и трубку-фиксатор. Подвижное центральное тело включает три полости переменного объема: переднюю пружинную полость переменного давления, среднюю полость постоянного давления и заднюю полость низкого давления. Передняя пружинная полость переменного давления соединена каналом и дроссельным отверстием с камерой горения и выхлопными окнами с выхлопным каналом. Выхлопные окна выполнены в виде продольных щелей, перекрываемых золотниковым плунжером с переднего края и подвижной перегородкой центрального тела задней стороны. Средняя полость постоянного давления соединена каналом и дроссельным отверстием с камерой горения, каналом с передней полостью переменного давления и через сбросовый клапан с задней полостью низкого давления. Задняя полость низкого давления соединена с полостью постоянного давления через сбросовый клапан, а с центральным выхлопным каналом через выхлопное отверстие (окно) в направляющей втулке, обеспечивающее равенство давлений в задней полости и выхлопном канале. Изобретение позволит улучшить быстродействие системы стабилизации тяги за счёт уменьшения массы подвижных частей и малых объёмов рабочих полостей. 1 ил.

Сопловой блок ракетного двигателя твердого топлива, содержащий расширяющееся сопло, жестко соединенное с корпусом, подвижное центральное тело, установленное на телескопической направляющей, терморегулятор, перемещающийся пропорционально изменению температуры твердого топлива, и тонкостенную трубку-фиксатор, отличающийся тем, что на цилиндрическую часть основания центрального тела, жестко соединенного с корпусом двигателя и снабженного жестко соединенной направляющей втулкой с центральным выхлопным каналом и неподвижным поршнем, надето подвижное центральное тело с внутренней подвижной перегородкой так, что образуются три полости переменного объема: передняя пружинная полость переменного давления Рп, средняя полость постоянного давления Рс и задняя полость низкого давления Рн, причем передняя пружинная полость переменного давления соединена с камерой горения каналом и дроссельным отверстием постоянного сечения, а с выхлопным каналом - выхлопными окнами в виде продольных щелей, перекрываемых с переднего края золотниковым плунжером, установленным в центральном канале и проходящим через тонкостенную обжимную стопорную втулку, соединенную с терморегулятором, а с задней стороны - подвижной перегородкой центрального тела, средняя полость постоянного давления соединена с камерой горения каналом и дроссельным отверстием постоянного сечения с передней полостью переменного давления каналом с отверстием постоянного сечения, а с задней полостью низкого давления через сбросовый клапан, задняя полость низкого давления соединена с полостью постоянного давления через сбросовый клапан, а с центральным выхлопным каналом через выхлопное отверстие (окно) в направляющей втулке, обеспечивающее равенство давлений в задней полости и выхлопном канале.