РАКЕТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА Российский патент 2005 года по МПК F02K9/18 

Предлагаемое изобретение относится к ракетной технике, а именно к области создания ракетных двигателей, и может быть использовано в ракетах (ракетных снарядах) с твердотопливными двигателями.

Объект изобретения представляет собой ракетный двигатель твердого топлива, содержащий сопло, воспламенитель и заряд твердого топлива, прочно скрепленный с корпусом двигателя, имеющий внутреннюю камеру горения, образованную центральным перфорированным каналом звездообразной конструкции, характеризующийся высоким коэффициентом заполнения топливом.

Несмотря на относительно сложную геометрию заряда, внутренняя камера горения в виде звезды используется широко, поскольку дает много преимуществ.

Необходимые тяга и расход определяются в значительной степени размерами и конфигурацией звездообразного профиля канала заряда.

Для ракетных двигателей с высоким коэффициентом заполнения топливом характерны высокие эрозионные пики давления и тяги в начальный момент работы (при выходе на режим), что обуславливается увеличенным отношением начальной площади поверхности горения заряда к площади прохода для газов (площади внутреннего звездообразного поперечного сечения канала).

Как правило, существуют ограничения по максимальным значениям давления и тяги при работе ракетного двигателя.

Чтобы сохранить целостность двигателя, необходимо снизить эрозионные пики давления и тяги при выходе двигателя на рабочий режим.

Снижения уровней давления и тяг обычно добиваются за счет снижения тяговооруженности двигателя, т.е. за счет или увеличения поперечного сечения канала заряда, или за счет уменьшения длины заряда, или за счет частичного уменьшения поверхности горения заряда путем ее флегматизации (бронирования), действующей непродолжительное время.

Известны конструкции РДТТ, содержащие корпус, прочно скрепленный с корпусом заряд твердого топлива с центральным каналом звездообразного сечения, сопло, воспламенитель (см., например, патент США №4442666, кл. 102-90, патент РФ №2125175, публикация “Эрозионное горение в РДТТ”, в “Экспресс-Информации Астронавтика и ракетодинамика”, №38, 1991 г., ВИНИТИ, г.Москва, стр. 19).

Наиболее близкой предлагаемому изобретению по ограничительным признакам является конструкция, представленная в публикации “Эрозионное горение в РДТТ” (см. выше), принимаемая авторами за прототип.

Отличительными признаками прототипа являются:

- звездообразный профиль канала заряда, имеющий постоянный диаметр, описывающей окружности;

- вершины соседних щелей звезды соединены между собой отрезками прямых и дуг окружностей между прямыми.

Конструкция РДТТ, принятая за прототип, функционирует следующим образом:

- при срабатывании воспламенителя и воспламенении заряда образующийся поток продуктов сгорания движется ускоряясь в направлении сопла по центральному каналу заряда звездообразного сечения, обтекая поверхности, образованные лучами звезды и переходными участками между лучами.

Технической задачей, решаемой прототипом, является уменьшение скорости газового потока, воздействующего на горящую поверхность топлива (для снижения эрозионного пика давления и тяги).

Эта задача решается в прототипе за счет варьирования длиной двигателя в пределах 2Д (диаметр двигателя)...5Д.

Подбор длины двигателя и соответственно заряда дает возможность вместить увеличивающееся при продвижении к соплу количество газа при сохранении его скорости, не превосходящей критическую (при которой резко увеличивается эрозионное горение за счет сдувания горящего слоя топлива, приводящего к нерасчетному характеру горения и соответственно к невыполнению заданных параметров).

Недостатком данной конструкции является то, что линии в канале, соединяющие вершины соседних щелей, имеют наибольшую кривизну на участке, наиболее близком к оси канала, т.е. к ядру потока газов при работе двигателя.

Это видно из конструкции двигателя-прототипа, которая показана на фиг.1, где обозначены:

в-а-в - вершины щелей;

в-с-к-с-в - соединение вершин щелей.

Проведенными исследованиями установлено, что эрозионное горение топлива (горение с повышенной скоростью) проявляется как на отдельных участках с повышенной кривизной, вогнутых внутрь канала и лежащих на линии, соединяющих вершины щелей, так и на участках, наиболее близких к оси канала, на которые тем больше воздействует газовый поток, чем ближе они к ядру потока, т.е. к оси канала.

Повышение скорости эрозионного горения топлива на этих участках приводит к увеличению пика давления и тяги в начальный момент работы двигателя.

В рассматриваемой конструкции двигателя, принятой за прототип, не использованы все возможности повышения коэффициента заполнения топливом без дополнительного увеличения пиков давления и тяги. Указанные недостатки прототипа снижают функциональную надежность двигателя и ограничивают область его применения.

Общими признаками прототипа и предлагаемого изобретения является наличие в них корпуса, прочно скрепленного с корпусом заряда твердого топлива с центральным каналом звездообразного сечения, сопла и воспламенителя.

Целью предлагаемого изобретения является повышение функциональной надежности двигателя твердого топлива в результате снижения пика давления и тяги в начальный момент его работы в условиях ярко выраженного эрозионного горения топлива и увеличение коэффициента объемного заполнения камеры при сохранении начальной площади горения топлива.

Сущность изобретения поясняется чертежом, представленным на фиг.1, на котором также, наряду с прототипом, изображена и предлагаемая конструкция заряда.

На фиг.1 для предлагаемой конструкции заряда приняты обозначения:

с-а-с - вершина щели;

c-d-d-c - дуга окружности.

Как видно из фиг.1, в поперечном сечении канала вершины соседних щелей с-а-с соединены между собой дугами окружностей c-d-d-c, вогнутых внутрь канала. При этом отношение суммарной длины дуг окружностей c-d-d-c (L_д) к периметру канала П_к находится в пределах 0,5...1,0.

У предлагаемой конструкции двигателя в канале заряда отсутствуют участки с повышенной кривизной (кривизна постоянна и минимальна на всей линии с-d-d-с), а также увеличено минимальное расстояние от поверхности топлива до оси канала и повышен коэффициент объемного заполнения топливом.

В результате этого снижен эрозионный пик давления и тяги в начальный момент работы двигателя, увеличена энергетика заряда, при этом за счет снижения давления повышена функциональная надежность заряда.

Предельным случаем указанного соотношения является конструкция двигателя, в котором заряд имеет канал, состоящий только из дуг окружностей с-d-d-с, соединенных между собой. Вершинами такой звезды являются точки пересечения этих дуг, т.е. длина вершин равна нулю, а сумма длин дуг окружностей равна периметру канала, а отношение равно 1,0.

Появление и увеличение длины вершин с-а-с приводит к увеличению кривизны дуг окружностей, а также к уменьшению доли газоприхода от поверхности канала, образованной дугами окружностей с-d-d-с в общем газоприходе от всей поверхности канала. При указанном соотношении менее 0,5 кривизна дуг окружностей с-d-d-с увеличивается и доля газоприхода от этих участков поверхности уменьшается настолько, что значительно снижает эффект от предлагаемого вида соединения вершины в канале по сравнению с другими видами соединения.

В результате проведенных исследований установлена зависимость давления Р в двигателе на эрозионном пике от соотношения длины дуг окружностей L_д и периметра П_к в поперечном сечении канала заряда.

На фиг.2 показан характер указанной зависимости давления Р в двигателе от отношения L_д/П_к с учетом случайных отклонений давления. Приведенная зависимость графически иллюстрирует доказательство критичности заявляемых в формуле изобретения отношений.

При отношении L_д/П_к=0,5...1 имеет место существенное уменьшение эрозионного пика давления. При этом коэффициент объемного заполнения камеры двигателя растет с увеличением отношения L_д/П_к При отношении L_д/П_к<0,5 и L_д/П_к>1 регулирование эрозионным горением за счет выравнивания эпюры скоростей потока в поперечном сечении не происходит и давление в начальный момент времени определяется начальной площадью прохода звездообразного канала заряда.

На фиг.3 представлен предлагаемый ракетный двигатель 1 с коэффициентом заполнения топливом не менее 0,9, содержащий сопло 4, воспламенитель 3 и заряд 2, имеющий конструкцию звездообразного канала, в котором вершины каждой пары соседних щелей сопряжены дугами окружностей, вогнутых внутрь канала, при этом отношение суммарной длины дуг окружностей с-d-d-с (L_д), к периметру канала П_к выбрано 0,5<L_д/П_к<1,0.

Примером конкретного выполнения предлагаемого изобретения является показанная на фиг.4 конструкция двигателя, в котором канал заряда выполнен в виде пятилучевой звезды, с соотношением длины суммы дуг окружностей с-d-d-с (L_д) к периметру канала П_к, равным 0,7, обеспечивающим однорежимную диаграмму тяги двигателя с минимальным спадом. Для данной конструкции достигнут максимальный коэффициент объемного заполнения топливом - 0,9.

Согласно предлагаемому изобретению ракетный двигатель твердого топлива с коэффициентом заполнения 0,9, в котором реализовано предлагаемое изобретение, испытан.

При этом получен положительный эффект, выразившийся в увеличении энергетической характеристики двигателя при одновременном снижении эрозионных пиков давления и тяги, что обеспечило необходимое повышение функциональной надежности двигателя.

Ракетный двигатель на твердом топливе содержит сопло, воспламенитель и прочно скрепленный с корпусом двигателя заряд твердого топлива с центральным каналом звездообразного сечения. Вершины каждой пары соседних щелей канала сопряжены дугой окружности, вогнутой внутрь центрального канала. Отношение суммарной длины дуг окружностей L_д к периметру канала П_к составляет 0,5<L_д/П_к<1,0. Изобретение позволит уменьшить скорость газового потока, воздействующего на горящую поверхность топлива. 4 ил.

Ракетный двигатель на твердом топливе, содержащий сопло, воспламенитель и прочно скрепленный с корпусом двигателя заряд твердого топлива с центральным каналом звездообразного сечения, отличающийся тем, что в нем вершины каждой пары соседних щелей канала сопряжены дугой окружности, вогнутой внутрь этого канала, при этом отношение суммарной длины дуг окружностей L_д к периметру канала П_к составляет 0,5<L_д/П_к<1,0.