ЗАРЯД РАКЕТНОГО ДВИГАТЕЛЯ Российский патент 2006 года по МПК F02K9/18 

Изобретение относится к области ракетостроения и может быть использовано при проектировании и отработке зарядов для ракетных двигателей на твердом топливе (РДТТ).

В предлагаемом изобретении разработан заряд, обеспечивающий устойчивую работу РДТТ к продольным акустическим колебаниям.

Общие тенденции в развитии ракетной техники: повышение энерговооруженности двигателей, применение быстрогорящих топлив, использование зарядов сложной геометрической формы привели к тому, что все чаще перед отработчиками встает проблема возникновения в камере акустических колебаний.

Колебания давления распространяются на элементы конструкции и при достаточной интенсивности могут привести к их разрушению, к выводу из строя системы управления.

Наиболее часто причинами возникновения колебаний в РДТТ являются вибрационное горение топлива и газодинамические процессы в камере, такие как срыв вихрей на конических и щелевых участках канала и на элементах конструкции, встреча потоков (гидродинамические источники акустических колебаний). Сложность проблемы в том, что даже при известных причинах возникновения неустойчивости исключить их, при сохранении требуемых тактико-технических, баллистических характеристик, невозможно. Поэтому универсальных методов борьбы с акустической неустойчивостью нет. Практически в каждом случае отработчику приходится решать проблему применительно к конкретному изделию.

Известен ряд методов подавления акустических колебаний в РДТТ:

- изменение конструкции двигателя;

- изменение состава топлива;

- изменение конструкции соплового блока;

- применение механических демпфирующих устройств.

Жесткие требования по тактико-техническим характеристикам двигателя обуславливают то, что первые два из перечисленных методов, как правило, неприемлемы.

Патентно-информационные исследования показали, что разработано достаточно большое количество механических демпфирующих устройств, обеспечивающих частичное или полное подавление колебаний. Эти устройства можно классифицировать следующим образом:

1. Резонансные стержни (см., например, патент США №378633 по классу 60-255 за 1973 г.; патент США №4750326 по классу F 02 К 9/10, 1989 г.), установленные в канале заряда. Устанавливаются консольно и проходят по всей длине канала.

2. Противорезонансные диафрагмы и перегородки или демпфирующие кольца (см., например, патент США №3327481 по классу 60-255 за 1966г.; а.с. №255340 СССР, МКИ⁴ F 02 К 9/08 за 1986 г.; а.с. №285475 СССР, МКИ⁴ F 02 К 9/09 за 1988 г.; патент РФ №2102623 по классу F 02 К 9/26 за 1996 г.). Устанавливаются во внутреннем поле газового потока, заливаются в заряд либо устанавливаются между секциями заряда.

3. Консольные пластины с одним или несколькими отверстиями (см., например, Р.Ж. "Авиационные и ракетные двигатели", 1974 г., 4.34.136). Устанавливаются, как правило, в щелях заряда.

4. Резонаторы четвертьволновые, резонаторы Гельмгольца, а также активные резонаторы (см., например, патент США №3665706 по классу 60-356 за 1970 г,; а.с. №194217 СССР, МКИ⁴ F 02 К 9/08 за 1983 г.; а.с. №271312 СССР, МКИ⁵ F 02 К 9/08 за 1987 г.). Устанавливаются консольно на днище двигателя либо во входном раструбе сопла.

Основным недостатком вышеназванных устройств является их низкая эффективность при низких частотах акустических колебаний в камере, сложность реализации в реальных конструкциях РДТТ, сложность настройки на резонансную частоту камеры РДТТ.

В настоящее время широкое применение в РДТТ получили прочноскрепленные с корпусом конструкции зарядов с осевым цилиндрическим каналом, имеющим на части канала со стороны переднего или заднего торца заряда продольные щелевые вырезы (см., например, патент США №4738100 по классу F 02 К 9/00 за 1988 г.; патент США №4936092 по классу F 02 К 9/28 за 1988 г.; патент РФ №2145673 по классу F 02 К 9/18 за 1999 г.; патент РФ №2145674 по классу F 02 К 9/18 за 1999 г.; патент РФ №18092 по классу F 02 К 9/10 за 2000 г.; патент РФ №17715 по классу F 02 К 9/10 за 2001 г.; патент РФ №2190113 по классу F 02 К 9/34 за 2000 г.; патент РФ №2196916 по классу F 02 К 9/18 за 2001 г.; патент РФ №28896 по классу F 02 К 9/10 за 2002г.; Европейский патент ЕР 059142 А1 по классу F 02 К 9/10 за 1982 г.).

Канально-щелевые конструкции зарядов позволяют обеспечить в течение всего времени горения топлива практически постоянную поверхность горения заряда, а следовательно, постоянный уровень тяги в течение всего времени работы РДТТ, что позволяет их использовать для различных классов ракет с широкими функциональными возможностями. Основным недостатком данных конструкций зарядов является наличие газодинамических источников акустических колебаний в потоке продуктов сгорания в основании щелей, выходящих на цилиндрическую часть канала. В результате этого в камере РДТТ возникают акустические колебания.

Как правило, щелевая часть канала заряда располагается со стороны заднего торца заряда в районе входного раструба сопла. Делается это с целью избежания эрозионного горения топлива при высоких скоростях потока продуктов сгорания в канале заряда. Однако, в определенных случаях (при числе Маха потока продуктов сгорания более М≥0,1) в основании щелей, выходящих на цилиндрическую часть канала заряда, возникает пространственная гидродинамическая неустойчивость основного потока продуктов сгорания (срыв потока с кромок основания щелей). Если градиент скоростей достаточно большой, тогда слой смешения является неустойчивым и малое возмущение в начале слоя смешения обуславливает появление крупномасштабных, упорядоченных периодических (когерентных) кольцевых вихревых структур. Энергия когерентных вихревых структур передается акустическому полю различными путями. Основным из них является взаимодействие дипольных источников звука, обусловленное набеганием когерентных структур на твердую поверхность в камере сгорания (в нашем случае на входной раструб сопла). В том случае, если вихревые частоты совпадают с собственными частотами акустической резонансной полости камеры двигателя, наступает резонанс - существенное повышение амплитуды колебаний давления в камере и двигатель работает неустойчиво. Поэтому в районе выхода щелевых вырезов заряда на цилиндрический канал организуют демпфирующие акустические полости (см., например, патент РФ №2125174 по классу F 02 К 9/18 за 1999 г.) либо устанавливают демпфирующие кольца (см., например, патент РФ №2102623 по классу F 02 К 9/26 за 1996 г.). Эти технические решения существенно усложняют конструкцию двигателя, увеличивают его габариты и вес.

Известен также канальнощелевой заряд ракетного твердого топлива (см. патент РФ №2150599 по классу F 02 К 9/18 за 1999 г.), принятый авторами за прототип. Задачей данного изобретения является повышение надежности функционирования и снижение разбросов энергетических характеристик заряда за счет исключения акустических колебаний в канале заряда. Указанный технический результат достигается тем, что в заряде цилиндрический участок канала выполнен с диаметром, равным наружному диаметру лучей звездообразного канала (щелевые вырезы) у конца переднего участка, минимальная площадь проходного сечения звездообразного канала в области переходного участка составляет 0,004-0,005 площади горящего участка звездообразного канала до указанного сечения, начальная толщина горящего свода заряда в области звездообразного канала у донного торца е₁ составляет (0.85-0,95)е₂, где е₂ - начальная толщина горящего свода заряда в области звездообразного канала у начала переходного участка.

Основным недостатком заряда-прототипа является достаточно большое количество геометрических параметров канала заряда: его звездообразного (щелевого), переходного и цилиндрического участков, которые должны быть строго выполнены в заданных соотношениях. Это накладывает существенное ограничение на область применения заряда в РДТТ по эксплуатационным нагрузкам (силовые, температурные, динамические и т.д.). Кроме того, данная конструкция заряда не технологична.

Технической задачей настоящего изобретения является устранение указанных недостатков и создание конструкции заряда, в канале которого отсутствуют акустические колебания давления и скорости в потоке продуктов сгорания, тем самым обеспечивая устойчивую работу РДТТ без существенных ограничений исполнения канально-щелевого заряда по геометрическим параметрам.

Технический результат предлагаемого изобретения достигается тем, что заряд ракетного двигателя на смесевом металлизированном твердом топливе выполнен прочноскрепленным с корпусом защитно-крепящим слоем, щелевая часть которого со стороны переднего торца переходит в цилиндрическую часть канала заряда, причем щелевая часть канала заряда, выполненная со стороны переднего торца, имеет поверхность горения, равную 1,2-1,4 от поверхности горения цилиндрической части канала заряда.

На чертеже изображен заряд ракетного двигателя. Он содержит корпус 1, защитно-крепящий слой 2, щелевую часть канала заряда со стороны переднего торца 3, переходящую в цилиндрическую часть канала заряда 4, смесевое металлизированное твердое топливо 5.

Известно, что при продольных низкочастотных колебаниях, соответствующих первой собственной резонансной частоте камеры РДТТ, пучность (максимальная амплитуда акустического давления) расположена в зоне переднего днища и соплового блока двигателя. Поскольку сопло двигателя обладает определенной акустической проводимостью, то наиболее опасны акустические колебания давления продуктов сгорания в зоне переднего днища.

Расчетно-экспериментальным путем авторами изобретения было установлено, что при поверхности горения щелевой части канала, выполненной со стороны переднего торца заряда не менее 1,2 от поверхности горения цилиндрической части канала заряда, в зоне переднего днища (где максимальные акустические колебания давления) в продуктах сгорания содержится достаточно большое количество конденсированной фазы (окислы алюминия), которая обеспечивает вязкую диссипацию акустической энергии продуктов сгорания.

При поверхности горения щелевой части канала заряда более 1,4 от поверхности горения цилиндрической части канала заряда в сечении канала заряда в районе выхода оснований щелевых вырезов в цилиндрическую часть канала заряда поток продуктов сгорания неоднородный и турбулентный. Это обуславливает появление мелкомасштабных вихревых структур в основном потоке продуктов сгорания. Турбулентность и вихревые структуры являются источниками широкополосных акустических колебаний давления квадрупольного типа (см. книгу В.Ф.Ахмадеева, Л.Н.Козлова "Гидродинамические источники акустических колебаний в камерах сгорания", ЦНИИНТИКПК, М., 1990 г.) и являются источниками энергии акустического поля в камере сгорания, вызывая тем самым акустическую неустойчивость работы РДТТ.

Таким образом, в предлагаемой канально-щелевой конструкции заряда для обеспечения устойчивой работы РДТТ (без акустических колебаний давления и тяги) необходимо расположение щелевой части канала заряда со стороны переднего торца, поверхность горения которой составляет 1,2-1,4 от поверхности горения цилиндрической части канала.

В настоящее время эффективность предлагаемого изобретения проверена в конструкции конкретного двигателя для ракеты противовоздушной и противоракетной обороны. Стендовые испытания в ФГУП "Научно-исследовательский институт полимерных материалов" г. Пермь четырех двигателей в диапазоне температур ±50°С с зарядом, имеющим 4 равновеликие щели со стороны переднего торца с заявленным соотношением поверхностей горения щелевой и цилиндрической частей канала заряда, дали сугубо положительные результаты. Двигатели проработали устойчиво без колебаний давления и тяги.

Изобретение относится к области ракетостроения и может быть использовано при проектировании и отработке зарядов для ракетных двигателей на твердом топливе. Заряд ракетного двигателя на смесевом металлизированном твердом топливе содержит корпус, защитно-крепящий слой, щелевую часть канала заряда со стороны переднего торца, переходящую в цилиндрическую часть канала заряда. Щелевая часть канала имеет поверхность горения, равную 1,2-1,4 от поверхности горения цилиндрической части канала заряда. Изобретение позволяет обеспечить устойчивую работу ракетного двигателя твердого топлива без колебаний давления и тяги. 1 ил.

Заряд ракетного двигателя на смесевом металлизированном твердом топливе, содержащий корпус, защитно-крепящий слой, щелевую часть канала заряда со стороны переднего торца, переходящую в цилиндрическую часть канала заряда, отличающийся тем, что щелевая часть канала имеет поверхность горения, равную 1,2-1,4 от поверхности горения цилиндрической части канала заряда.