ЗАРЯД ТВЕРДОГО РАКЕТНОГО ТОПЛИВА Российский патент 2006 года по МПК F02K9/10 

Изобретение относится к области ракетной техники и может быть использовано при проектировании, отработке и изготовлении зарядов твердого топлива к ракетным двигателям (РД) катапультных кресел (КК) для систем аварийного спасения (САС) летчиков, а также в других ракетных устройствах.

Особенностями указанных зарядов и ракетных двигателей являются:

1) малые времена работы (˜0,2...0,4 с) при высокой тяговооруженности (максимальная тяга РД ˜3,5 ТС и более), реализуемой, как правило, за счет вкладной многошашечной конструкции заряда в виде канальных шашек кругового профиля всестороннего горения;

2) высокие осевые нагрузки на шашки заряда, обусловленные газодинамическим процессом, присущим данному классу РД.

Аналоги патентуемой конструкции приведены в патентах:

US 2469739, SU 1087749, RU 2000460, RU 2023956, RU 2069091, RU 2100065, RU 2154769, RU 2158392, US 3908358, FR 2461201, US 4036456, US 3202385, RU 2145566, RU 2133864, RU 2005902, RU 2178092, US 3731628, ЕР 0142247.

В качестве ближайшего аналога-прототипа патентуемой конструкции заряда авторами выбрана конструкция, описанная в источнике: Шапиро Н.М., Мазинг Г.Ю., Прудников Н.Е. Теория ракетных двигателей на твердом топливе, М., 1966, стр.45...47. Конструкция заряда-прототипа (фиг.1) реализуется в виде комплекта одноканальных цилиндрических небронированных шашек (1) кругового профиля, размещенных в камере сгорания (2) ракетного двигателя. Для фиксации шашек в камере сгорания (КС) РД рассматриваемого класса перед сопловым блоком (3) устанавливают опорную решетку (4) с проходными отверстиями (5).

Недостатком прототипа является низкий коэффициент фактически используемого для реализации суммарного импульса тяги топлива шашек заряда. Указанный недостаток прототипа обусловлен существенным выбросом недогоревших остатков топлива из КС через отверстия опорной решетки и соплоблок, в связи с разрушением шашек в конце горения под действием присущего таким зарядам и РД существенного продольного перепада давления. Под воздействием указанного перепада остающиеся в конце работы РД тонкосводные элементы топливных шашек, как правило, разрушаются, либо из-за малой продольной устойчивости, либо по причине малой опорной поверхности. Попытки снизить напряжения на опорных торцах шашек, за счет увеличения фактической опорной поверхности, путем уменьшения проходных отверстий в опорной решетке неэффективны, т.к. приводят к росту продольного перепада давления и, следовательно, осевой нагрузки на шашки. Увеличение же проходных отверстий в опорной решетке, как известно из технической литературы, снижает продольный перепад давления, но существенно уменьшает фактическую опорную поверхность торцов шашек, что также в свою очередь способствует дроблению шашек в конце горения и увеличению выброса несгоревшего в камере сгорания РД твердого топлива.

Как известно из литературы (см. например БСЭ, 3 изд. М., Советская энциклопедия, 1977, т.26, стр.482, колонка 1, статья "Устойчивость продольная"), устойчивость шашек (стержней) определяется формулой Эйлера:

р_кр=π²EI(μl)²,

где применительно к патентуемому решению: р_кр - критическое усилие, Е - модуль упругости на сжатие твердого топлива шашки, I - момент инерции поперечного сечения шашки, l - длина шашки, μ - коэффициент.

Из формулы следует, что уровень критического усилия (р_кр), а следовательно, уровень разрушающих напряжений, можно повысить за счет увеличения момента инерции (I) профиля поперечного сечения шашки.

Технической задачей изобретения является создание эффективной, с высокой тяговооруженностью, конструкции многошашечного заряда для РД катапультных кресел САС летчиков, обеспечивающей повышенную надежность функционирования и минимальный выброс несгоревших остатков топлива. Актуальность указанной технической задачи обусловлена традиционно предъявляемыми к САС жесткими ограничениями по надежности.

Патентуемое изобретение поясняется следующими графическими материалами.

Фиг.1 Конструкция заряда прототипа (в обстановке в составе РД)

1 - шашка твердого топлива;

2 - камера сгорания;

3 - сопловой блок;

4 - опорная решетка (диафрагма);

5 - отверстия.

Фиг.2 Патентуемая конструкция заряда (в обстановке в составе РД).

Фиг.3, 4, 5 Профили горящей поверхности патентуемого заряда

фиг.3 для условий: D=18,0 мм, d=4,0 мм, L=25

Фиг.4 для условий: D=18,0 мм, d=4,0 мм, L=27

Фиг.5 для условий: D=18,0 мм, d=4,0 мм, L=29

6 - эквидистантные профили горящей поверхности патентуемого заряда;

7 - дегрессивный остаток топлива заряда.

Технический результат изобретения заключается в выполнении заряда твердого ракетного топлива (фиг.2, 3, 4, 5) в виде комплекта твердотопливных канальных шашек (1) всестороннего горения, при этом внешний контур каждой из шашек выполнен соответствующим внешнему контуру двух "утопленных" друг в друга круговых цилиндров равного диаметра, а по оси каждого цилиндра выполнены каналы равных диаметров, расстояние (L) между осями которых составляет: 2е<L<2е+d, где е - толщина горящего свода шашек.

При соблюдении соотношения: 2е<L<2е+d удается обеспечить как оптимальные геометрические параметры ("торец шашки - отверстия в опорной решетке", минимальный дегрессивный остаток (7) топлива), так и пониженный уровень продольного перепада давления (осевая нагрузка на заряд), что позволяет на 10...15% повысить фактически реализуемый суммарный импульс тяги РД в принятых габаритах КС.

Сущность изобретения заключается в увеличении момента инерции (I) профиля поперечного сечения шашки. При этом, в связи с увеличением опорной поверхности торцев шашек, создается возможность использования опорной решетки с увеличенными проходными отверстиями, обеспечивающими уменьшенный осевой перепад давления по длине камеры сгорания РД и заряда, что соответственно снижает напряжения на опорных торцах зарядов. За счет оптимального выбора геометрических параметров шашек удается обеспечить минимальные дегрессивные остатки топлива.

Положительный эффект изобретения - повышение эффективности и надежности функционирования зарядов твердого топлива к РД САС.

Патентуемая конструкция практически реализована в виде многошашечного заряда из баллиститного топлива к РД выброса КК со следующими параметрами:

- размеры топливной шашки: D=18 мм, d=4 мм, L=28 мм

- количество шашек в комплекте заряда - 2×25 шт.

- профиль шашек - в соответствии с фиг.2, 3, 4, 5.

Изобретение относится к области ракетной техники и может быть использовано при проектировании, отработке и изготовлении зарядов твердого ракетного топлива для ракетных двигателей выброса катапультных кресел систем аварийного спасения летчика. Заряд твердого ракетного топлива для двигателя катапультного кресла системы аварийного спасения летчиков содержит комплект твердотопливных канальных шашек всестороннего горения. Внешний контур каждой из шашек выполнен соответствующим внешнему контуру двух "утопленных" друг в друга круговых цилиндров равного диаметра. По оси каждого из цилиндров выполнены круговые каналы равных диаметров. Расстояние между осями цилиндров выбирается из соотношения, согласно которому расстояние между осями больше двух толщин горящего свода шашек и меньше величины, равной двум толщинам горящего свода шашек вместе с диаметром кругового канала. Изобретение позволяет повысить надежность функционирования и уменьшить выброс несгоревших остатков топлива. 5 ил.

Заряд твердого ракетного топлива для двигателя катапультного кресла системы аварийного спасения летчиков, включающий комплект твердотопливных канальных шашек всестороннего горения, отличающийся тем, что внешний контур каждой из шашек выполнен соответствующим внешнему контуру двух "утопленных" друг в друга круговых цилиндров равного диаметра D, при этом по оси каждого из цилиндров выполнены круговые каналы равных диаметров d, а расстояние L между осями цилиндров составляет:

2e<L<2e+d,

где е - толщина горящего свода шашек.