ТЕЛЕСКОПИЧЕСКИЙ ТВЕРДОТОПЛИВНЫЙ ЗАРЯД ДЛЯ РАКЕТНОГО ДВИГАТЕЛЯ Российский патент 2004 года по МПК F02K9/18 F02K9/28 

Изобретение относится к области ракетной техники, а именно к разработке, проектированию и изготовлению твердотопливных зарядов к ракетным двигателям.

Одной из актуальных проблем при разработке ракетного двигателя твердого топлива (РДТТ) является обеспечение высокого уровня их тяговооруженности при использовании в ракетных системах залпового огня (РСЗО), а также для стартовых ступеней ракет различного назначения. Как правило, для указанных систем используют твердотопливные вкладные заряды в виде шашек всестороннего горения (см. например, Н.М.Шапиро, Г.Ю.Мазинг, Н.Е.Прудников "Теория ракетных двигателей на твердом топливе", М., 1966, стр.44, рис.2.5, 2.6; патент РФ №2178092). Наиболее близкой к патентуемому заряду является конструкция телескопического заряда, приведенная на рис.2.7 в ист. Н.М.Шапиро, Г.Ю.Мазинг, Н.Е.Прудников "Теория ракетных двигателей на твердом топливе", М., 1966, стр.44, принятая авторами за прототип (Фиг.1).

Конструкция прототипа реализуется в виде центральной (внутренней) стержневой небронированной шашки, размещенной в канале внешней шашки, бронированной по наружной поверхности, с обеспечением равных толщин горящего свода для внутренней и внешней шашек. Достоинством прототипа является возможность осуществления близкой к нейтральной кривой "давление - время" при приемлемом для определенного класса ракетных систем уровне тяги РДТТ. Недостатками прототипа являются ограниченный уровень тяговооруженности, пониженная технологичность заряда, связанная с необходимостью бронирования внешней шашки, пониженные весогабаритные характеристики заряда и уровень надежности функционирования в составе ракетного двигателя в связи с использованием бронепокрытия для внешней шашки. Кроме того, из-за существенных осевых перепадов давления по длине камеры сгорания ракетного двигателя, присущих зарядам данного класса, для исключения потери зарядом осевой устойчивости стержневая конструкция центрального заряда - прототипа жестко крепится в камере двигателя.

Технической задачей изобретения является создание вкладного заряда твердого топлива с высокой плотностью заряжания, надежного в эксплуатации и эффективного в части создания высокого уровня тяги ракетного двигателя (высокой тяговооруженности).

Технический результат достигается путем разработки телескопического заряда в виде двух свободно вложенных друг в друга внешней и внутренней цилиндрических канальных шашек всестороннего горения с равной толщиной горящего свода, при этом внешняя шашка выполнена в габаритах, близких к диаметру камеры сгорания двигателя, а внутренняя размещена в канале внешней шашки. Конструкция патентуемого заряда и прототипа показана на Фиг.1, 2, 3, 4, 5:

Фиг.1 - конструкция прототипа: 1 - внешняя шашка; 2 - внутренняя шашка; 3 - бронировка.

Фиг.2 и Фиг.3 - конструкция патентуемого заряда (в обстановке, тонкими линиями показаны контуры камеры сгорания РДТТ): 1 - внешняя шашка; 2 - внутренняя шашка; 3 - бронировка; 4 - продольные выступы (зиги); h₁ - высота выступов на наружной поверхности внешней шашки; h₂ - высота выступов на наружной поверхности внутренней шашки или на поверхности канала внешней шашки; δ ₁ - толщина зазора между внешней шашкой и камерой РДТТ; δ ₂ - толщина зазора между внутренней и внешней шашками; D_k - диаметр камеры сгорания ракетного двигателя; D₁ - наружный диаметр внешней шашки; d₁ - диаметр канала внешней шашки; D₂ - внешний диаметр внутренней шашки; 2е - толщина горящего свода; В - ширина зигов (выступов) по хорде.

Фиг.4 - поперечное сечение патентуемого заряда (вариант): 1 - внешняя шашка; 2 - внутренняя шашка; 4 - продольные выступы (зиги).

Фиг.5 - поперечное сечение патентуемого заряда (вариант): 1 - внешняя шашка; 2 - внутренняя шашка.

Для обеспечения жесткости конструкции, развития поверхности горения в начальный период, обеспечения надежности зажжения заряда (Фиг.2, Фиг.3) на поверхностях как внутренней, так и внешней шашек выполняются продольные зиги (выступы), центрирующую внешнюю шашку относительно камеры сгорания двигателя, а внутреннюю - в канале внешней шашки. Высота выступов выбирается из условия

h₁≤_{δ 1=(Dk-D1)/2; h2≤δ 2=(d1-D2)/2,}

где h₁ - высота выступов на наружной поверхности внешней шашки;

h₂ - высота выступов на наружной поверхности внутренней шашки или на поверхности канала внешней шашки;

δ ₁ - толщина зазора между внешней шашкой и камерой двигателя;

δ ₂ - толщина зазора между внутренней и внешней шашками;

D_k - внутренний диаметр камеры сгорания двигателя;

D₁ - наружный диаметр внешней шашки;

d₁ - диаметр канала внешней шашки;

d₂ - внешний диаметр внутренней шашки.

Опыт технологической и стендовой отработки патентуемого заряда с учетом обеспечения максимальной плотности заряжания позволяет рекомендовать

h₁=(0,9... 1,0)δ ₁; h₂=(0,9... 1,0)δ ₂.

Ширина выступов (В) с учетом обеспечения минимальных дегрессивных остатков назначается из условия

В≤ 2е,

где е - толщина горящего свода шашки.

Для повышения устойчивости полета ракеты на траектории за счет ограничения перемещения шашек относительно друг друга на начальном участке полета продольные выступы могут быть выполнены и на канальной поверхности внешней шашки между выступами на наружной поверхности внутренней шашки (Фиг.4). При этом выступы на наружной поверхности внутренней шашки ориентированы во впадины на профиле канала внешней шашки, а профиль впадин на канале внешней шашки выполнен эквидистантно профилю выступов на наружной ее поверхности. Применительно к конкретному ракетному двигателю профили внутренней и внешней шашек могут быть выполнены звездообразными (Фиг.5). При стабилизации полета ракеты вращением (как правило, наиболее распространенный метод стабилизации тактических ракет) выступы внутренней и внешней шашек, контактируя между собой, способствуют ограничению проворачивания шашек относительно друг друга, что в результате обеспечивает более устойчивый полет ракеты (исключаются дополнительные возмущения). В то же время само наличие выступов при этом способствует развитию поверхности горения внутренней и внешней шашек и, следовательно, более качественному и надежному зажжению заряда.

Для обеспечения диаграммы давления, близкой к нейтральной или нейтральной, часть или все торцы шашек выполняются бронированными.

Положительный эффект изобретения - повышение эффективности заряда твердого ракетного топлива: тяговооруженности, плотности заполнения камеры сгорания топливом, воспламеняемости, надежности функционирования в целом.

Конструкция патентуемого заряда состоит (Фиг.2, Фиг.3) из внешней (1) и внутренней (2) шашек, центрируемых относительно друг друга и камеры сгорания двигателя продольными выступами (зигами) (4).

Конструкция практически реализуется в виде заряда габаритной длиной 500... 700 мм с размерами шашек по наружному диаметру: внешняя - ⊘ 195... 200 мм; внутренняя - ⊘ 95... 100 мм. Высота продольных выступов 4... 8 мм.

Шашки выполняются из баллиститного твердого ракетного топлива и изготавливаются по штатной технологии.

Заряд работает следующим образом: при срабатывании головного или соплового воспламенителя воспламеняются наружные и канальные поверхности шашек, включая поверхности выступов (зигов). Истечение продуктов сгорания заряда через сопловой блок ракетного двигателя позволяет реализовать необходимую зависимость "тяга - время".

Телескопический твердотопливный заряд для ракетного двигателя состоит из внешней и внутренней цилиндрических шашек с равной толщиной горящего свода. Внешняя и внутренняя шашки выполнены свободно вложенными, канальными, всестороннего горения. На наружной поверхности внешней и внутренней шашек и/или на поверхности канала внешней шашки выполнены продольные выступы. Высота выступов на наружной поверхности внешней шашки составляет 0,9... 1,0 толщины радиального зазора между внешней шашкой и камерой сгорания. Высота выступов на наружной поверхности внутренней шашки и на поверхности канала внешней шашки составляет 0,9... 1,0 толщины зазора между внутренней и внешней шашками. Изобретение позволит повысить плотность заполнения камеры сгорания ракетного двигателя топливом, тяговооруженность, воспламеняемость и надёжность функционирования ракетного двигателя. 4 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Телескопический твердотопливный заряд для ракетного двигателя, состоящий из внешней и внутренней цилиндрических шашек с равной толщиной горящего свода, отличающийся тем, что внешняя и внутренняя шашки выполнены свободно вложенными, канальными, всестороннего горения, причем на наружной поверхности внешней и внутренней шашек и/или на поверхности канала внешней шашки выполнены продольные выступы, при этом высота выступов на наружной поверхности внешней шашки составляет 0,9...1,0 толщины радиального зазора между внешней шашкой и камерой сгорания, а высота выступов на наружной поверхности внутренней шашки и на поверхности канала внешней шашки составляет 0,9...1,0 толщины зазора между внутренней и внешней шашками.2. Телескопический твердотопливный заряд по п.1, отличающийся тем, что выступы на внутренней и/или внешней шашках выполнены в виде звездообразного профиля.3. Телескопический твердотопливный заряд по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что выступы на наружной поверхности внутренней шашки ориентированы во впадины на профиле канала внешней шашки.4. Телескопический твердотопливный заряд по п.3, отличающийся тем, что профиль впадин на канале внешней шашки выполнен эквидистантно профилю выступов на наружной ее поверхности.5. Телескопический заряд по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что некоторые или все торцы внутренней и внешней шашек бронированы.