СОПЛО С ВЫСОТНОЙ КОМПЕНСАЦИЕЙ Российский патент 2006 года по МПК F02K1/52 F02K9/97 

Область применения

Предлагаемое изобретение относится к области ракетостроения, а более конкретно - к соплам с высотной компенсацией.

Предшествующий уровень техники

Известно сопло с высотной компенсацией, включающее группу конических металлических секций, концентрично расположенных вокруг жесткой части сопла. Отдельные секции взаимосвязаны, поддерживаются и выдвигаются множеством соединительных кронштейнов.

При подаче команды на выдвижение одновременно приводятся в действие пневмоцилиндры на каждом из опорных кронштейнов, и происходит поочередное выдвижение конических секций.

Предлагаемая конструкция сопла обеспечивает эффективную работу ЖРД только на больших высотах сразу после разделения ступеней ракеты.

Такое решение позволяет сократить длину последующих ступеней ракеты (см. патент США №3526365, НКИ 239-265.43, 1970 г.).

Прототипом заявляемого изобретения является сопло ракетного двигателя с высотной компенсацией, обеспечивающее его эффективную работу на различных высотах над землей (см. патент США №3469787, НКИ 239-127.3, 1969 г.).

На части раструба этого сопла с внешней поверхности выполнена обечайка, разделенная стойками на ряд секций, в каждой из которых в стенке сопла имеется кольцевая щель.

При движении ракеты на относительно небольших высотах происходит инжекция наружного воздуха в сопло, который поступает в воздухозаборник, выполненный на срезе сопла, и поступает в полости секций, находящиеся между стенкой сопла и обечайкой, а затем - в указанные щели. Этим предотвращается значительное перерасширение газообразных продуктов сгорания и отрыв пограничного слоя, т.е. исключаются потери удельной тяги двигателя.

Однако наличие с наружной стороны сопла коллектора с перегородками, препятствующего передаче давления напрямую через каждую кольцевую щель, ухудшает тяговые характеристики двигателя на режимах перерасширения газа в сопле. Это связано с тем, что при подъеме ракеты на высоту и снижении атмосферного давления воздух перестает поступать внутрь сопла, так как газ с повышенным давлением проходит через первую кольцевую щель, расположенную ближе к критическому сечению, в коллектор, а затем в другие кольцевые щели.

Вследствие этого давление газа внутри коллектора (снаружи каждого сечения, где расположена кольцевая щель) не равно переменному атмосферному давлению, а равно постоянному давлению газа в сечении, где расположена первая щель. Поэтому в дальнейшем не происходит регулирования высотности реактивного сопла на режимах перерасширения газа.

Задачей настоящего изобретения является повышение среднего по траектории удельного импульса двигательной установки летательного аппарата.

Эта задача решена за счет того, что в сопле с высотной компенсацией, содержащем в сверхзвуковой части одну или несколько перекрываемых кольцевых щелей, сверхзвуковая часть сопла выполнена из земного сопла и одного или нескольких сопловых насадков, а указанные щели выполнены в виде радиальных зазоров между срезом земного сопла, срезами сопловых насадков и выходными поверхностями соответствующих насадков, причем насадки подвижны относительно оси земного сопла и соединены с ним механизмом их осевого перемещения.

Другими отличиями заявляемого изобретения является то, что:

- величина указанных радиальных зазоров изменяется в зависимости от величины осевого смещения насадков, которая не должна превышать двух радиусов критического сечения сопла;

- входные поверхности насадков выполнены в виде цилиндров, а срез земного сопла и срезы насадков снабжены направляющими стержнями, закрепленными по их периметру и параллельно оси сопла.

Технический результат, достигаемый заявляемым изобретением, состоит в повышении среднего по траектории удельного импульса ракетного двигателя.

Краткое описание чертежей

Суть изобретения поясняется фиг.1, 2, 3а, 3б и 4.

На фиг.1 представлено сечение сопла с высотной компенсацией.

На фиг.2 - сечение А-А.

На фиг.3а и 3б представлены высотные характеристики сопла с высотной компенсацией кислородно-водородного (3а) и кислородно-керосинового (3б) ЖРД.

На фиг.4 приведен график зависимости прироста тяги в сопле с регулируемой высотностью от режима его работы.

Пример реализации изобретения

Сопло с высотной компенсацией 1 (фиг.1) включает земное сопло 2 и два сопловых насадка 3 и 4. Входные поверхности насадков 3 и 4 выполнены в виде цилиндров 5 и 6 соответственно. На срезе 7 сопла 2 и срезе 8 соплового насадка 3 жестко закреплены направляющие металлические стержни 9 и 10. Указанные стержни установлены параллельно оси О-О сопла 2 и не выступают за кольцевой контур среза 7 сопла 2 и среза 8 соплового насадка 3.

Каждый насадок имеет шарнирно-рычажный механизм 11 и 12 с приводом, которые закреплены на сопле 2.

При выполнении радиальных зазоров (кольцевых щелей) δ₁ и δ₂ между срезом сопла 2 и входной поверхностью цилиндра 5, а также между срезом насадка 3 и входной поверхностью цилиндра 6, указанные насадки с помощью механизмов 11 и 12 смещаются в сторону сужающейся части земного сопла на некоторое расстояние L от того положения, при котором они являются продолжением расширяющейся части контура высотного сопла (показан пунктиром).

Расчеты показывают, что величина L осевого смещения насадков не должна превышать двух радиусов критического сечения земного сопла (R_кр).

Работа устройства

При старте ракеты-носителя с Земли и полете ее в плотных слоях атмосферы внешнее давление превышает внутреннее в зонах радиальных зазоров (щелей) δ₁ и δ₂, и в сопле 1 происходит принудительный отрыв потока газа от его стенки. Благодаря отрыву потока в сопле уменьшается перерасширение газа. Сопловой насадок 3 за первым радиальным зазором δ₁ как бы отключается (он не создает тягу и не вносит потерь), и сопло работает близко к расчетному режиму.

При полете в верхних слоях атмосферы и снижении внешнего давления скачок уплотнения уходит с кромки первого радиального зазора δ₁ (первой щели), и поток отрывается от стенки в сечении, где расположен второй радиальный зазор δ₂ (вторая щель).

В это время для устранения потерь тяги из-за образования донного давления за кольцевым уступом (за первым кольцевым зазором δ₁) сопловой насадок 3 за первой щелью с помощью механизма 11 выдвигается до образования единого контура с соплом 2, при этом цилиндр 5 скользит по направляющим стержням 9.

Наконец, на большой высоте скачок уходит с кромки второго кольцевого зазора δ₂(второй щели) и высотное сопло работает полностью. В это время сопловой насадок 4 сопла за вторым кольцевым зазором δ₂ с помощью механизма 13 выдвигается также до образования единого контура с соплом 2, при этом цилиндр 6 скользит по направляющим стержням 11.

Благодаря последовательному включению в работу отдельных участков многощелевого сопла высотная характеристика такого сопла близка к характеристике сопла с непрерывно регулируемой высотностью.

На фиг.3 представлена высотная характеристика сопла с регулируемой высотностью от режима его работы для кислородно-водородного ЖРД (фиг.3а) и кислородно-керосинового ЖРД (фиг.3б). По оси ординат отложен прирост тяги ДР соплового блока, отнесенный к тяге идеально регулируемого круглого сопла, а по оси абсцисс - высота h полета ракеты. Из графиков видно, что при использовании предлагаемого сопла обеспечивается прирост тяги в широком диапазоне изменения высоты полета летательного аппарата.

Расчеты показывают, что в щелевом сопле по сравнению с гладким соплом с давлением на срезе р_а=0.02 МПа выигрыш тяги при одинаковых условиях может составить на Земле до 8%, в космосе - 3,65%.

Тяга на Земле круглого сопла с давлением на срезе р_а=0.06 МПа и щелевого сопла с давлением на срезе р_а=0.02 МПа одинаковая, а в космосе выигрыш тяги в щелевом сопле может составить 7-9% за счет увеличения геометрической степени расширения щелевого сопла.

На фиг.4 представлен график зависимости прироста тяги сопла с высотной компенсацией от режима его работы. По оси ординат отложен прирост тяги ДР соплового блока, отнесенный к тяге идеально регулируемого круглого сопла, а по оси абсцисс Р_α/Р_Н - отношение давлений окружающей среды и истекающей струи газа. Из графика видно, что при использовании предлагаемого сопла обеспечивается прирост тяги в широком диапазоне изменения высоты полета летательного аппарата.

Смещение контура за щелью практически не влияет на величину прироста тяги, которая составляет 6-7% (фиг.4). Однако в сопле со смещенным контуром диапазон изменения давления значительно шире из-за того, что скачок уплотнения дольше задерживается на кромке щели за счет передачи давления по пограничному слою. Испытания также показали, что при смещенном контуре передача через щель атмосферного давления внутрь сопла оказывает слабое влияние на прирост тяги. Объясняется это тем, что основной вклад в прирост тяги вносит разрыв контура.

Предлагаемое изобретение обеспечивает возможность увеличения полезного груза, выводимого на Орбиту, или дальности полета летательного аппарата за счет прироста тяги двигателя, все это, несомненно, дает экономический эффект.

Промышленная применимость

Изобретение может найти применение в ракетной технике и, в частности, в однокамерных и многокамерных ЖРД первых ступеней ракет.

Изобретение относится к области ракетостроения, а более конкретно - к соплам с высотной компенсацией. В сопле с высотной компенсацией, содержащем в сверхзвуковой части одну или несколько перекрываемых кольцевых щелей, сверхзвуковая часть сопла выполнена из земного сопла и одного или нескольких сопловых насадков, а указанные щели выполнены в виде радиальных зазоров между срезом земного сопла, срезами сопловых насадков и выходными поверхностями соответствующих насадков, причем насадки подвижны относительно оси земного сопла и соединены с ним механизмом их осевого перемещения. Изобретение обеспечивает возможность увеличения полезного груза, выводимого на орбиту, или дальности полета летательного аппарата за счет прироста тяги двигателя в широком диапазоне изменения высоты полета летательного аппарата. 2 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Сопло с высотной компенсацией, содержащее в сверхзвуковой части одну или несколько перекрываемых кольцевых щелей, отличающееся тем, что сверхзвуковая часть сопла выполнена из земного сопла и одного или нескольких сопловых насадков, а указанные щели выполнены в виде радиальных зазоров между срезом земного сопла, срезами сопловых насадков и выходными поверхностями соответствующих насадков, причем насадки подвижны относительно оси земного сопла и соединены с ним механизмом их осевого перемещения.2. Сопло по п.1, отличающееся тем, что величина указанных радиальных зазоров изменяется в зависимости от величины осевого смещения насадков, которая не должна превышать двух радиусов критического сечения земного сопла.3. Сопло по п.1, отличающееся тем, что входные поверхности насадков выполнены в виде цилиндров, а срез земного сопла и срезы насадков снабжены направляющими стержнями, закрепленными по их периметру и параллельно оси сопла.