РАЗДВИЖНОЕ СОПЛО РАКЕТНОГО ДВИГАТЕЛЯ Российский патент 2005 года по МПК F02K9/97 F02K1/09 

Изобретение относится к области ракетостроения и может быть использовано при разработке и изготовлении ракетных двигателей с соплами большой степени расширения для верхних ступеней ракет и космических аппаратов.

Известны сопла с изменяемой в процессе функционирования двигателя геометрией раструба, имеющие укороченную длину в транспортном положении (режиме “пассажира”) и увеличенную длину раструба с выдвинутым телескопическим насадком (насадками) в рабочем положении.

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

Известен патент США №2967393, НКИ 60-35.6, в котором на неподвижной камере жидкостного ракетного двигателя установлен конический раструб с участком наружной цилиндрической поверхности, на которую опирается своей внутренней цилиндрической поверхностью телескопически выдвигаемый конический насадок. Привод выдвижения насадка выполнен в виде блока гидроцилиндров, симметрично расположенных по периферии неподвижной камеры, жестко соединенных с ее цилиндрической направляющей поверхностью и кольцевым выступом выдвигаемого насадка. Фиксация подвижного насадка в рабочем положении осуществляется упорами в гидроцилиндрах в конце рабочего хода поршня. Недостатком конструкции является то, что в ней не предусматривается сбрасывание элементов направленного выдвижения раструба, а это приводит к повышению полетной массы конструкции и ухудшению коэффициента весового совершенства сопла и изделия в целом.

Известна конструкция телескопического сопла ракетного двигателя (заявка Японии 60-50259 от 30.07.85, МКИ F 02 К 9/97), которая содержит неподвижный раструб, выдвигаемый конический насадок, который в зоне меньшего диаметра скреплен с опорным устройством направленного выдвижения, выполненным 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 совместно с внутренней поверхностью неподвижного раструба, внутренней поверхностью направляющей цилиндрической оболочки и диафрагмой замкнутую полость. Указанная замкнутая полость в совокупности с размещенным на диафрагме газогенератором выполняют роль привода выдвижения насадка.

Недостатком конструкции является малая в осевом направлении длина кольцевой зоны подвижного контакта (базы направления) направляющей цилиндрической оболочки выдвигаемого конического насадка и неподвижного раструба. Это может приводить к нарушению соосного движения насадка и, в результате, к заклиниванию его, или неполной фиксации после раздвижки. Увеличение же направляющей базы в осевом направлении увеличением длины цилиндрических направляющих поверхностей приводит к воспроизведению конструкции по патенту США №2967393 и, соответственно, к утяжелению конструкции. Кроме того, к увеличенной массе приводит и использование диафрагмы, перекрывающей весь диаметр неподвижного раструба (а при наличии двух или более выдвигаемых насадков - внутренний диаметр наибольшего из них).

Технической задачей предлагаемого изобретения является устранение указанных недостатков конструкции путем создания устройства, имеющего уменьшенную массу конструкции, обеспечивающего соосное выдвижение насадков для их надежной фиксации в рабочем положении в конце пути движения.

Технический результат достигается тем, что в раздвижном сопле ракетного двигателя, содержащем неподвижный раструб, выдвигаемые насадки (один или несколько), направляющие цилиндры, установленные в насадке и сбрасываемые после раздвижки, привод раздвижки состоит из нескольких соосных цилиндрических стаканов, вставленных друг в друга. На наружном и внутреннем стаканах выполнены донышки, обращенные в разные стороны. Таким образом, они образуют замкнутую полость изменяемого объема. Один из стаканов с донышком свободно опирается на внутреннюю поверхность неподвижного раструба, второй стакан с донышком имеет жесткую связь с направляющими цилиндрами насадков. Стаканы могут раздвигаться друг относительно друга вдоль оси, при этом на открытых торцах всех стаканов выполнены упоры, препятствующие их разъединению после раздвижки.

Эффективность данного решения не зависит от количества выдвигаемых насадков и по уменьшению массы конструкции обеспечивается за счет того, что все элементы, обеспечивающие раздвижку сопла, сбрасываются сразу после окончания процесса раздвижки и фиксации сопла в рабочем положении, а обеспечение соосного выдвижения насадков для их надежной фиксации в рабочем положении в конце пути движения достигается за счёт центрального размещения привода раздвижки.

Предлагаемая конструкция раздвижного сопла ракетного двигателя приведена на фиг.1.

Раздвижное сопло содержит неподвижный раструб 1, выдвигаемые насадки 2, 3 с закрепленными на каждом из них в зоне наименьшего диаметра направляющими цилиндрами 4, 5, которые соосно размещены на неподвижном раструбе. Направляющие цилиндры скреплены с выдвигаемыми насадками таким образом (например, с помощью утапливаемых фиксаторов), что при выдвижении и фиксации насадка в рабочем положении происходит отстыковка направляющего цилиндра от насадка. Привод раздвижки состоит из цилиндрических стаканов 6, 7, 8, которые соосно вставлены друг в друга. На наружном стакане 8 и внутреннем стакане 6 выполнены донышки, обращенные в разные стороны. Стакан 6 свободно опирается на неподвижный раструб. Наружный стакан 8 имеет жесткую связь 9 (в данном случае -стержневую) с направляющими цилиндрами 4, 5, на открытых торцах стаканов выполнены упоры 10, 11, которые позволяют стаканам раздвигаться друг относительно друга вдоль оси и, в то же время, не дают им разъединяться после раздвижки.

Показанная конструкция имеет два выдвигаемых насадка. При исполнении конструкции с одним выдвигаемым насадком не будет выдвигаемого насадка 3, направляющего цилиндра 5, соответствующей части жесткой связи 9 и соответственно уменьшится количество цилиндрических стаканов привода раздвижки. При выполнении конструкции с большим (3…4) количеством выдвигаемых насадков добавятся, соответственно, направляющие цилиндры, элементы жесткой связи и увеличится количество цилиндрических стаканов привода раздвижки.

Учитывая, что раздвижные сопла применяются, в основном, на верхних ступенях ракет (при очень низком наружном давлении, фактически в вакууме), энергия для обеспечения раздвижки сопла обеспечивается запасом воздуха в полости, образованной стаканами, или, при необходимости, газогенератором 12, установленным на одном из стаканов и работающим во внутреннюю их полость.

При подаче команды на раздвижку сопла происходит расфиксация выдвигаемых насадков и, при необходимости, срабатывание газогенератора. За счет избыточного давления (по отношению к наружному) проходит раздвижка цилиндрических стаканов привода, движение которых через жесткую связь и направляющие цилиндры передается выдвигаемым насадкам. В процессе раздвижки сопла при установке выдвигаемого насадка в рабочее положение происходит расфиксация соответствующего направляющего цилиндра. Такое промежуточное положение показано на фиг.2, где внутренний выдвигаемый насадок уже встал в рабочее положение, его направляющий цилиндр расфиксирован и продолжает движение с раздвигаемым внешним насадком и цилиндрическими стаканами. После того как все выдвигаемые насадки встанут в рабочее положение, и направляющие цилиндры расфиксируются от своих насадков, система раздвижки, включающая в себя направляющие цилиндры, цилиндрические стаканы привода раздвижки и жесткие связи между ними, за счет накопленного при раздвижке количества движения выбрасывается из сопла, как показано на фиг.3. Таким образом, за счет сброса всей системы раздвижки, достигается значительное уменьшение полетной массы сопла.

Обеспечение соосного выдвижения насадка для его надежной фиксации в конце пути раздвижки достигается тем, что в начале процесса раздвижки база направления движения насадка имеет большую длину и фактически равна длине цилиндрического стакана (размер L_н.б. на фиг.1). На схеме фиг.4 показано, что в дальнейшем при выдвижении насадка, благодаря центральному приложению усилия раздвижки (сила F_p на схеме), при перекосе движения насадка (показано штриховыми линиями) возникает плечо I_к и угол α_к рассогласования направления действия силы F_p с осью насадка. При этом сила F_p с учетом приложения ее на плече I_к и с углом α_к стремится компенсировать возникший перекос и привести направление движения насадка к номинальному – соосному с неподвижным раструбом.

Использование предлагаемого изобретения позволяет значительно снизить массу конструкции раздвижного сопла и повысить его надежность.

Раздвижное сопло ракетного двигателя содержит неподвижный раструб, один или несколько выдвигаемых насадков, установленные в каждом из насадков и сбрасываемые после раздвижки, направляющие цилиндры и привод раздвижки. Привод раздвижки состоит из нескольких вставленных друг в друга соосных цилиндрических стаканов. Внутренний и наружный стаканы выполнены с донышками, обращенными в разные стороны. Один из двух стаканов с донышком свободно опирается на неподвижный раструб. Второй стакан с донышком имеет жесткую связь с направляющими цилиндрами. На открытых торцах стаканов выполнены упоры, позволяющие им раздвигаться вдоль оси, но препятствующие их разъединению после раздвижки. Изобретение позволит обеспечить соосное выдвижение насадков при их надежной фиксации в конце пути движения и уменьшить массу конструкции сопла. 4 ил.

Раздвижное сопло ракетного двигателя, содержащее неподвижный раструб, один или несколько выдвигаемых насадков, направляющие цилиндры, установленные в каждом из насадков и сбрасываемые после раздвижки, привод раздвижки, отличающееся тем, что привод раздвижки состоит из нескольких соосных цилиндрических стаканов, вставленных друг в друга, при этом внутренний и наружный стаканы выполнены с донышками, обращенными в разные стороны, один из двух стаканов с донышком свободно опирается на неподвижный раструб, второй стакан с донышком имеет жесткую связь с направляющими цилиндрами, а на открытых торцах стаканов выполнены упоры, позволяющие им раздвигаться вдоль оси, но препятствующие их разъединению после раздвижки.