РАКЕТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА Российский патент 2005 года по МПК F02K9/10 

Изобретение относится к области ракетной техники, а именно к ракетным двигателям твердого топлива с малым (десятые доли секунды) временем работы, и может найти применение в стартовых двигателях неуправляемых снарядов и управляемых ракет.

Известен ракетный двигатель твердого топлива, принятый авторами за прототип [1], состоящий из камеры сгорания с размещенным в ней зарядом твердого топлива, закрепленным с помощью опорных решеток, соплового блока и воспламенителя.

Благодаря применению в двигателе многошашечного заряда, состоящего из нескольких цилиндрических канальных шашек, собранных в один пакет и вложенных в камеру сгорания, обеспечивается малое время работы двигателя, что позволяет увеличить кучность попадания неуправляемых снарядов в связи с увеличением скорости их схода с направляющих пусковой установки, так как при ограниченном времени работы обеспечивается большой удельный секундный расход и тяга двигателя при заданном уровне предельного давления в камере сгорания.

Однако для фиксации многошашечного заряда в камере сгорания необходимы опорные решетки с большой площадью опорной поверхности и большими проходными сечениями, что усложняет конструкцию двигателя и увеличивает ее пассивную массу. К недостаткам прототипа следует отнести сложность фиксации шашек заряда от радиального перемещения и вращения относительно продольной оси при транспортировании. Это приводит к тому, что заряд трется об опорные поверхности решеток, что ведет к образованию пороховой стружки в камере и недопустимому повышению давления при срабатывании двигателя. Кроме того, при изменении температурного режима хранения двигателя стружка налипает на боковые поверхности заряда и шашки могут склеиваться между собой, что приводит к нерасчетному режиму работы двигателя.

К недостаткам двигателя с вкладным многошашечным зарядом можно отнести также увеличение пассивной массы конструкции при изменении геометрии камеры сгорания. Так, в цилиндрической камере сгорания при использовании вкладного многошашечного заряда возможно реализовать величину коэффициента объемного заполнения до 0,70 (заряд занимает до 70% свободного объема камеры сгорания двигателя). При использовании вкладного многошашечного заряда в цилиндроконической камере сгорания коэффициент объемного заполнения с увеличением длины конического участка камеры снижается до 0,50 (заряд занимает не более 50% свободного объема камеры сгорания двигателя, так как конический участок камеры сгорания не заполняется периферийными шашками заряда). Это ведет к необходимости увеличения длины камеры сгорания (ее пассивной массы) для размещения заряда потребной массы. При этом длина шашек ограничена условием отсутствия эрозионного горения в центральном канале и в зазорах между центральными шашками пакета. При увеличении длины шашек увеличение скорости потока в канале ведет не только к эрозионному горению, но и к возникновению радиального и осевого перепада давления (давление в канале и у заднего торца ниже, чем снаружи шашки и у ее переднего торца). Это может привести к более быстрому выгоранию шашек у заднего торца (возникновению в процессе работы двигателя конусности шашек), уменьшению площади опорной поверхности и разрушению шашек вследствие потери ими устойчивости при одновременном воздействии в процессе работы двигателя осевого и радиального сжимающих усилий.

Задачей предлагаемого изобретения является обеспечение максимально допустимого коэффициента объемного заполнения камеры сгорания ракетного двигателя, имеющей произвольную геометрию, при возможности получения прогрессивного либо нейтрального закона изменения тяги двигателя с вкладным зарядом всестороннего горения, работоспособного в широком температурном диапазоне применения при допустимых разбросах выходных характеристик с высокой надежностью.

Поставленная задача достигается тем, что в ракетном двигателе твердого топлива, состоящем из камеры сгорания с размещенным в ней зарядом твердого топлива, закрепленным с помощью опорных решеток, соплового блока и воспламенителя, в отличие от прототипа, заряд выполнен в виде шашки всестороннего горения, состоящей из концентрично расположенных колец, соединенных между собой радиальными перемычками, толщина которых равна толщине колец, при этом выполняется условие

где

- суммарная площадь критического сечения соплового блока;

- суммарная начальная площадь горящей поверхности заряда;

- начальная площадь горящей поверхности внутреннего канала, каналов между кольцами и наружной поверхности соответственно;

- начальная проходная площадь внутреннего канала, каналов между кольцами и между наружной поверхностью заряда и стенкой камеры сгорания соответственно;

q(λ)_доп - экспериментальное значение допустимой величины относительного расхода для применяемого в заряде топлива, определяемое экспериментально с помощью стендовых установок, на внутренней поверхности центрального кольца заряда могут быть выполнены выступы.

Совокупность конструктивных элементов, их взаимное расположение и наличие оптимальных соотношений их геометрических размеров позволяет:

- реализовать величину коэффициента объемного заполнения цилиндрической камеры сгорания 0,70-0,75 (заряд занимает 70-75% свободного объема камеры сгорания двигателя), цилиндроконической камеры сгорания - не менее 0,60-0,70 (заряд занимает 60-70% свободного объема камеры сгорания двигателя, т.к. конический участок камеры занимают радиальные перемычки). Увеличение количества перемычек между кольцами ведет к увеличению коэффициента объемного заполнения. Выполнение на внутренней поверхности центрального кольца заряда выступов также позволяет повысить величину коэффициента объемного заполнения камеры сгорания;

- обеспечить возможность получения прогрессивного характера изменения тяги для двигателя с цилиндрической камерой сгорания. При этом необходимая степень прогрессивности обеспечивается выбором количества перемычек между кольцами (с увеличением количества перемычек прогрессивность возрастает). Постоянство тяги во время работы двигателя может быть обеспечено за счет конической заточки на наружной поверхности заряда. Таким образом, степень прогрессивности тяги двигателя регулируется количеством перемычек, а также длиной и углом заточки на наружной поверхности заряда. Уменьшение степени прогрессивности может быть достигнуто также за счет выполнения на внутренней поверхности центрального кольца заряда выступов;

- обеспечить работоспособность в широком температурном диапазоне применения при допустимых разбросах выходных характеристик двигателя с высокой надежностью за счет выполнения соотношения между площадями горящих поверхностей и проходных сечений. Выполнение указанного соотношения позволяет реализовать безэрозионный режим горения топлива в каналах заряда, так как при этом максимальная скорость потока над горящей поверхностью может реализоваться только в кольцевом зазоре между наружной поверхностью заряда и стенкой камеры сгорания. Так как доля наружной поверхности в общей поверхности горения незначительна, то даже при наличии эрозионного горения (превышении допустимого значения q(λ)_доп) в зазоре между наружной поверхностью заряда и стенкой камеры сгорания возможные разбросы давления не приведут к недопустимым отклонениям выходных характеристик двигателя. При нарушении указанного соотношения возможно возникновение эрозионного горения топлива во внутренних каналах заряда, доля поверхности которых в общей поверхности горения превышает долю наружной поверхности. Это может привести к нерасчетному повышению давления, неодновременности сгорания заряда по длине и радиусу и в конечном итоге либо к разрушению заряда и двигателя, либо к недопустимым отклонениям выходных характеристик двигателя. При реализации указанного соотношения между площадями горящих поверхностей и проходных сечений в процессе работы на заряд воздействует радиальный перепад давления, направленный от оси двигателя, что обеспечивает оптимальный прочностный режим работы заряда. Растягивающие напряжения передаются перемычками на наружное кольцо и так как давление в каналах между кольцами и кольцевом зазоре ниже, чем во внутреннем канале заряда, отсутствуют сжимающие усилия на внешнее кольцо на участках между перемычками;

- исключить образование пороховой стружки в камере за счет возможности конструктивного исполнения опорных решеток с ограничителями вращения заряда, входящими в часть каналов заряда, и исключить тем самым недопустимое повышение давления при срабатывании двигателя.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется графическими материалами, где на фиг.1, 2, представлена конструкция двигателя с цилиндрической камерой сгорания, на фиг.3, 4 - конструкция двигателя с цилиндроконической камерой сгорания, с опорной решеткой, выполненной с ограничителями вращения заряда, входящими в часть каналов заряда, на фиг.5 представлены зависимости степени прогрессивности S/S₀ и коэффициента объемного заполнения камеры двигателя Δ_w от конструктивного исполнения предлагаемого заряда - количества перемычек n.

Предлагаемый двигатель включает камеру сгорания 1 с размещенным в ней зарядом твердого топлива 2, переднюю 3 и заднюю 4 опорные решетки, сопловой блок 5 и воспламенитель 6. Наружное кольцо 7 соединено с внутренним кольцом заряда 8 радиальными перемычками 9. На задней опорной решетке могут быть выполнены ограничители вращения заряда 13 входящими в часть каналов заряда, а на внутренней поверхности центрального кольца 8 заряда 2 могут быть выполнены выступы 14. Толщины внутреннего 8, наружного 7 колец h и перемычек 9 равны.

Заряд 2 может быть изготовлен из существующих баллиститных твердых ракетных топлив с использованием типовых технологических процессов.

Возможность изготовления заряда из баллиститных твердых топлив с количеством колец более двух ограничено требованиями по допустимому уровню разбросов выходных характеристик двигателя. При количестве колец более двух иглы инструмента, формирующие каналы между кольцами, должны иметь большой вылет на пилонах относительно наружной или внутренней формообразующих поверхностей. В результате снижается жесткость пилонов и возможны колебания игл при прессовании, что приводит к недопустимой разнотолщинности колец и перемычек и к недопустимому увеличению разбросов выходных характеристик двигателя. Кроме того, при количестве колец более двух трудно обеспечить постоянство характеристик топлива в заряде в радиальном направлении, так как кольца разного уровня будут прессоваться с разным усилием.

Функционирование предложенного двигателя осуществляется следующим образом. После срабатывания воспламенителя 6 происходит зажжение заряда 2, размещенного в камере сгорания 1. Продукты сгорания топлива с поверхности заряда, проходя через внутренний канал 10, каналы между кольцами 11 и кольцевой зазор между зарядом и стенками камеры сгорания 12, истекают через сопло 5, создавая тягу, характер изменения которой определяется степенью прогрессивности заряда (количеством перемычек).

Предложенное выполнение ракетного двигателя твердого топлива позволит обеспечить максимальный коэффициент объемного заполнения камеры сгорания ракетного двигателя, имеющей произвольную геометрию, при возможности получения прогрессивного либо нейтрального закона изменения тяги двигателя с вкладным зарядом всестороннего горения, работоспособного в широком температурном диапазоне применения при допустимых разбросах выходных характеристик с высокой надежностью.

Источник информации.

1. Основы устройства и конструирования летательных аппаратов. В.Н.Новиков, Б.М. Авхимович, В.Е.Вейтин - М.: Машиностроение, 1991 г, стр.119.

Ракетный двигатель твердого топлива состоит из камеры сгорания с размещенным в ней зарядом твердого топлива, закрепленным с помощью опорных решеток, соплового блока и воспламенителя. Заряд выполнен в виде шашки всестороннего горения, состоящей из концентрично расположенных колец, соединенных между собой радиальными перемычками, толщина которых равна толщине колец. При этом выполняется защищаемая изобретением зависимость между суммарной площадью критического сечения соплового блока, суммарной начальной площадью горящей поверхности заряда, начальными площадями горящей поверхности внутреннего канала, каналов между кольцами и наружной поверхности соответственно, начальными проходными площадями внутреннего канала, каналов между кольцами и между наружной поверхностью заряда и стенкой камеры сгорания, соответственно, и экспериментальным значением допустимой величины относительного расхода для применяемого в заряде топлива. Изобретение обеспечивает максимально допустимый коэффициент объемного заполнения камеры сгорания ракетного двигателя произвольной формы при возможности получения прогрессивного либо нейтрального закона изменения тяги двигателя. 1 з.п.ф-лы, 5 ил.

1. Ракетный двигатель твердого топлива, состоящий из камеры сгорания с размещенным в ней зарядом твердого топлива, закрепленным с помощью опорных решеток, соплового блока и воспламенителя, отличающийся тем, что заряд выполнен в виде шашки всестороннего горения, состоящей из концентрично расположенных колец, соединенных между собой радиальными перемычками, толщина которых равна толщине колец, при этом выполняется условие:

где - суммарная площадь критического сечения соплового блока;

- суммарная начальная площадь горящей поверхности заряда;

- начальная площадь горящей поверхности внутреннего канала, каналов между кольцами и наружной поверхности соответственно;

- начальная проходная площадь внутреннего канала, каналов между кольцами и между наружной поверхностью заряда и стенкой камеры сгорания соответственно;

q(λ)_доп - экспериментальное значение допустимой величины относительного расхода для применяемого в заряде топлива.