ЗАРЯД ТВЕРДОГО РАКЕТНОГО ТОПЛИВА Российский патент 2005 года по МПК F02K9/18 F02K9/28 

Изобретение относится к области ракетной техники, а именно к разработке, проектированию и изготовлению твердотопливных зарядов, обеспечивающих высокую тяговооруженность ракетных двигателей (РД), в первую очередь для тактических ракет, а также для стартовых ступеней ракет различного назначения.

Как правило, для указанных устройств используют твердотопливные шашки 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); пат. RU №2178092.

Наиболее близким к патентуемому по конструкции является заряд, в котором для достижения высокой тяговооруженности двигателя применен многошашечный твердотопливный заряд всестороннего горения с развитым профилем поперечного сечения отдельных шашек (пат. DE 1241199), принятый авторами за прототип.

Конструкция такого заряда реализуется в виде (фиг.5) комплекта бесканальных шашек центральной (11) и периферийных (12) шестиугольного сечения с продольными узкими канавками (13) с внешней стороны шашек. При этом более глубокие канавки по периметру шашек чередуются с менее глубокими.

Недостатками прототипа являются сложность формообразующей технологической оснастки для прессования шашек и весьма значительные технологические затруднения при прессовании, связанные с высоким уровнем внешнего трения массы твердого топлива в процессе прессования через формообразующую оснастку. Кроме того, конструкции прототипа присущи дегрессивные остатки каждой отдельной топливной шашки, умножаемые их количеством, и значительные тепловые (газодинамические) нагрузки на камеру сгорания РД.

Технической задачей патентуемого технического решения является создание многошашечной конструкции заряда твердого топлива с высокой плотностью упаковки поперечного сечения камеры сгорания двигателя топливом, высокоэффективного с точки зрения высокой тяговооруженности, при обеспечении минимума дегрессивных остатков топлива в конце работы двигателя, высокотехнологичного в изготовлении (прессовании) и обеспечивающего пониженные тепловые нагрузки на камеру сгорания РД.

Технический результат изобретения достигается за счет использования в конструкции многошашечного заряда твердого ракетного топлива канальных шашек всестороннего горения фигурного как по каналу, так и по наружной поверхности профиля.

Конструкции патентуемого заряда, аналогов и прототипа приведены на фиг.1, 2, 3, 4, 5.

Фиг.1. Конструкция патентуемого заряда:

1 - периферийные шашки;

2 - галтели на профиле канала;

3 - наружный профиль периферийных шашек;

4 - эволюты профиля наружной поверхности и канала периферийных шашек;

5 - центральная шашка;

6 - зиги;

2e₁, 2е₂ - двойная толщина горящего свода центральной и периферийных шашек соответственно.

Фиг.2. Конструкция многошашечного заряда с круговыми шашками

7 - контур корпуса камеры сгорания двигателя;

8 - шашка.

Фиг.3. Конструкция заряда-моноблока:

7 - контур корпуса камеры сгорания двигателя;

9 - заряд-моноблок.

Фиг.4. Профиль центральной шашки патентуемого заряда с эквидистантными горящими поверхностями:

10 - дегрессивные остатки;

2e₁ - двойная толщина горящего свода;

b - ширина зигов у нижнего основания наружного профиля шашки.

Фиг.5. Конструкция прототипа:

11 - центральная шашка прототипа;

12 - периферийные шашки прототипа;

13 - продольные канавки.

В патентуемой конструкции (фиг.1) в состав заряда твердого ракетного топлива входит набор канальных шашек всестороннего горения: периферийных (1) с каналами треугольного профиля, вершины которых сглажены галтелями (2), и центральная шашка (5).

Наружный профиль (3) периферийных шашек выполняется из условия совпадения его эволют (4) с эволютами профилей канала.

Центральная шашка (5) выполняется с круговым профилем канала и толщиной горящего свода (e₁), близкой к толщине горящего свода (е₂) периферийных шашек или равной ей (на практике за счет технологических и конструктивных допусков удается обеспечить e₂/e₁=1,0...1,1). Для повышения плотности заполнения камеры сгорания двигателя топливом на наружной поверхности центральной шашки дополнительно выполнены зиги (6) (зиги - продольные выступы на наружной поверхности твердотопливной шашки) треугольного профиля, по числу равные количеству периферийных шашек и с длиной основания по хорде наружного профиля центральной шашки не более размера двойной толщины горящего свода центральной шашки. В рамках реально отрабатываемой конструкции это дает возможность на 3...4% увеличить массу заряда в габаритах камеры сгорания РД и соответственно суммарный импульс тяги двигательной установки (ДУ) по сравнению с конструкцией заряда с круговыми цилиндрическими шашками (фиг.2). Патентуемая конструкция позволяет реализовать выходные характеристики ДУ на уровне, соответствующем характеристикам заряда-прототипа (фиг.5), но при этом существенно снизить тепловые воздействия на корпус ДУ за счет пропуска значительного количества газов по каналам шашек.

На заряде-моноблоке (фиг.3) и прототипе (фиг.5) подавляющее количество высокотемпературных газов перемещается в зазоре между корпусом (7) и наружной поверхностью заряда (8), что обуславливает высокую теплонапряженность камеры сгорания РД.

По сравнению с прототипом в патентуемом заряде дегрессивные остатки у периферийных шашек практически отсутствуют. Для сведения к минимуму (фиг.4) дегрессивного остатка (9) при горении центральной шашки патентуемого заряда размеры зигов по ширине (b) у нижнего основания, примыкающего к внешнему контуру шашки, выполняются не более двойной толщины горящего свода (2e₁).

Для повышения эффективности ДУ с патентуемым зарядом шашки могут быть выполнены с бронированными торцами (нейтральный характер кривых Р (t) - "давление-время", R (t) - "тяга-время").

Для улучшения запуска (воспламенения заряда) центральная шашка может быть выполнена с небронированными торцами, что при условии бронирования торцев периферийных шашек практически не скажется на характере кривых Р(t), R(t), но при этом способствует форсированию воспламенительного процесса заряда.

Положительный эффект изобретения - повышение эффективности РД для неуправляемых тактических ракет, а также для стартовых ступеней ракет различного назначения.

Конструкция патентуемого заряда состоит (фиг.1) из периферийных шашек (1) и центральной шашки (5). Периферийные шашки имеют каналы треугольного профиля с галтелями в вершинах треугольников. Центральная шашка имеет зиги (6), расположенные между периферийными шашками.

Патентуемая конструкция практически реализована в следующем варианте (фиг.1):

- 6 периферийных канальных шашек фигурного (треугольного) профиля;

- центральная канальная шашка с зигами на наружной поверхности;

- габариты комплекта заряда: по длине - 600 мм, по диаметру - 200 мм;

- масса заряда - 28 кг;

- реальные соотношения толщин горения сводов шашек e₂/e₁ составили 1,05...1,08.

Шашки изготавливались из топлива баллиститного типа по штатной технологии.

Заряд работает следующим образом: при срабатывании головного или соплового воспламенителя воспламеняются поверхности каналов шашек, их наружные поверхности. Истечение продуктов сгорания заряда через сопловой блок ДУ и закономерное горение топливных шашек позволяет реализовать оптимальную зависимость "тяга-время" при минимуме дегрессивных остатков топлива и допустимом тепловом воздействии на камеру сгорания РД.

Заряд твердого ракетного топлива включает центральную и периферийные канальные шашки всестороннего горения с фигурным профилем. Каналы периферийных шашек имеют треугольный профиль с галтелями в вершинах. Эволюты профилей каналов периферийных шашек совпадают с эволютами наружного профиля шашек. Центральная шашка выполнена с круговым контуром осевого канала. Толщина горящего свода периферийных шашек составляет 1,0...1,1 толщины горящего свода центральной шашки. На наружной поверхности центральной шашки выполнены продольные зиги треугольного профиля в количестве, равном числу периферийных шашек с длиной основания по хорде наружного профиля центральной шашки не более размера двойной толщины горящего свода центральной шашки. Изобретение обеспечит высокую плотность упаковки топливом камеры сгорания двигателя, а также пониженные тепловые нагрузки на камеру сгорания двигателя. 2 з.п. - ф-лы, 5 ил.

1. Заряд твердого ракетного топлива, включающий центральную и периферийные шашки всестороннего горения с фигурным профилем, отличающийся тем, что шашки выполнены канальными, каналы периферийных шашек имеют треугольный профиль с галтелями в вершинах, при этом эволюты профилей каналов периферийных шашек совпадают с эволютами наружного профиля шашек, а центральная шашка выполнена с круговым контуром осевого канала, причем толщина горящего свода периферийных шашек составляет 1,0÷1,1 толщины горящего свода центральной шашки, на наружной поверхности которой выполнены продольные зиги треугольного профиля в количестве, равном числу периферийных шашек с длиной основания по хорде наружного профиля центральной шашки не более размера двойной толщины горящего свода центральной шашки.2. Вкладной заряд твердого ракетного топлива по п. 1, отличающийся тем, что шашки бронированы по торцам.3. Вкладной заряд твердого ракетного топлива по п. 1, отличающийся тем, что периферийные шашки бронированы по торцам.