СОПЛО РЕАКТИВНОГО ДВИГАТЕЛЯ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА Российский патент 2007 года по МПК F02K9/97 

Изобретение относится к ракетной технике, а именно к ракетным двигателям твердого топлива (РДТТ), и предназначено для использования в ракетных двигателях реактивных снарядов, запускаемых из трубчатых направляющих, в том числе реактивных снарядов систем залпового огня.

Повышение эффективности функционирования ракетных двигателей неразрывно связано с совершенствованием их сопел.

Известно сопло ракетного двигателя, конструкция которого включает дозвуковую часть, сверхзвуковую часть в вкладыш в области критического сечения, обеспечивающее высокую эффективность функционирования РДТТ (см., например, сопло РДТТ космического аппарата «Спейс шаттл»; И.Х.Фахрутдинов, А.В.Котельников. Конструкция и проектирование ракетных двигателей твердого топлива. - М., Машиностроение, 1989 г., рис.6.8, стр.137).

Задачей данного технического решения явилась разработка конструкции сопла с высокой эффективностью (минимизация потерь, обеспечение надежности работы и т.д.).

Общими признаками с предлагаемым соплом является наличие в нем дозвуковой части, сверхзвуковой части и вкладыша в области критического сечения.

Однако приведенная конструкция сопла оказывается недостаточно эффективной при использовании в современных РДТТ с топливами с высоким содержанием алюминия реактивных снарядов, запускаемых из трубчатых направляющих.

Продукты сгорания таких топлив содержат большое количество (до 40 массовых процентов) конденсированной фазы, которая при движении реактивного снаряда по направляющей осаждается на внутренней поверхности направляющей, а также вызывает интенсивное разрушение (ввиду высоких скоростей движения) элементов пусковых установок, например контактных групп.

Наиболее близкой по технической сути и достигаемому результату является сопло, содержащее дозвуковую и сверхзвуковую части, вкладыш в области критического сечения и кольцевой уступ в дозвуковой части сопла, выгорающий в течение работы РДТТ (см. патент США №3320142, кл. 239-265.15, опубл. в 1972 г.), принятое за прототип.

Как видно из этого технического решения, в сопле установлен кольцевой уступ, задерживающий определенное количество частиц конденсированной фазы.

Принятое за прототип сопло функционирует следующим образом. После зажигания заряда частицы конденсированной фазы вместе с газовым потоком движутся по соплу. При обтекании кольцевого уступа газовым потоком частицы оседают на его поверхности вследствие своей инерционности, чем снижается количество частиц, истекающих из РДТТ, взаимодействующих с направляющей при движении реактивного снаряда в направляющей. Однако при создании РДТТ с современными высоко энергетическими топливами с высоким содержанием алюминия, а соответственно и конденсированной фазы, была установлена низкая эффективность данного технического решения, что обусловлено незакономерностью процесса осаждения частиц.

Таким образом, задачей данного технического решения (прототипа) являлось создание конструкции сопла с устройством для снижения содержания конденсированной фазы в продуктах сгорания в начальный период работы РДТТ при движении реактивного снаряда по направляющей.

Общими признаками с предлагаемым авторами устройством является наличие в сопле дозвуковой и сверхзвуковой частей, вкладыша в критическом сечении сопла и кольцевого уступа.

В отличие от прототипа, в предлагаемом авторами сопле кольцевой уступ выполнен в виде осесимметричной втулки, размещенной на сверхзвуковой части сопла на расстоянии (0,1...0,3)d_кр от критического сечения сопла с минимальным внутренним диаметром, равным (0,85...0,98)d_c, а торцевая поверхность втулки, обращенная к критическому сечению сопла, выполнена содержащей цилиндрический участок и участок, перпендикулярный оси сопла, где d_кр - диаметр критического сечения сопла, d_c - диаметр сопла в месте установки кольцевого уступа.

Именно это позволяет сделать вывод о наличии причинно-следственной связи между совокупностью существенных признаков заявляемого технического решения и достигаемым техническим результатом.

Указанные признаки, отличительные от прототипа и на которые распространяется испрашиваемый объем правовой охраны, во всех случаях достаточны.

Задачей предлагаемого изобретения явилась разработка сопла с уменьшенным воздействием конденсированной фазы в продуктах сгорания на направляющую.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известном сопле, содержащем дозвуковую часть, сверхзвуковую часть, вкладыш в критическом сечении сопла и кольцевой уступ из сгорающего материала, особенность заключается в том, что в нем кольцевой уступ выполнен в виде осесимметричной втулки, размещенной на сверхзвуковой части сопла на расстоянии (0,1...0,3)d_кр от критического сечения сопла, с минимальным внутренним диаметром, равным (0,85...0,98)d_c, а торцевая поверхность втулки, обращенная к критическому сечению сопла, выполнена содержащей цилиндрический участок и участок, перпендикулярный оси сопла.

Новая совокупность конструктивных элементов, а также наличие связей между ними позволяют, в частности, за счет:

- выполнения кольцевого уступа в виде осесимметричной втулки с минимальным внутренним диаметром, равным (0,85...0,98)d_c обеспечить формирование струи продуктов сгорания, истекающей из сопла, с максимальной концентрацией конденсированных частиц в области, прилегающей к оси струи с диаметром, равным диаметру втулки, чем резко снижается воздействие конденсированной фазы на направляющую. При увеличении минимального внутреннего диаметра свыше 0,98 d_c обеспечить формирование струи продуктов сгорания, истекающей из сопла, с максимальной концентрацией конденсированных частиц в области, прилегающей к оси струи с диаметром, равным диаметру втулки, чем резко снижается воздействие конденсированной фазы на направляющую. При увеличении минимального внутреннего диаметра свыше 0,98 d_c достигаемый эффект снижается вследствие движения периферийных частиц вдоль образующей сверхзвуковой части сопла. При уменьшении указанного диаметра, менее 0,85 d_c, существенно увеличивается давление в РДТТ, превосходя допустимые значения;

- размещения втулки на сверхзвуковой части сопла на расстоянии (0,1...0,3)d_кр от критического сечения сопла обеспечить минимизацию газодинамических потерь и теплового воздействия газового потока на стенку сопла на участке газового тракта, ограниченного сечениями, проходящими через критическое сечение и отверстие втулки. При уменьшении указанного расстояния, менее 0,1 d_кр, увеличиваются газодинамические потери и давление в РДТТ за счет практически скачкообразного в этом случае изменения проходного сечения канала. При увеличении указанного расстояния свыше 0,3 d_kp на рассматриваемом участке газового тракта в области, прилегающей к стенке сопла, образуется рециркуляционная зона, что приводит к увеличению локального коэффициента теплоотдачи в несколько раз и нарушению расчетного режима функционирования вкладыша и теплозащитного покрытия;

- выполнение торцевой поверхности втулки, обращенной к критическому сечению сопла, содержащей цилиндрический участок и участок, перпендикулярный оси сопла, обеспечить формирование вихревого течения продуктов сгорания в области перехода цилиндрического участка к участку, перпендикулярному оси сопла, с резкой интенсификацией теплообмена, что обеспечивает сгорание втулки за время движения реактивного снаряда по направляющей (0,3-0,5 сек).

Признаки, отличающие предлагаемое техническое решение от прототипа, не выявлены в других технических решениях и не известны из уровня техники в процессе проведения патентных исследований, что позволяет сделать вывод о соответствии изобретения критерию "новизны".

Исследуя уровень техники в ходе проведения патентного поиска по всем видам сведений, доступных в странах бывшего СССР и зарубежных странах, обнаружено, что предлагаемое техническое решение явным образом не следует из известного уровня техники, следовательно, можно сделать вывод о соответствии критерию "изобретательский уровень".

Сущность изобретения заключается в том, что в сопле, содержащем дозвуковую часть, сверхзвуковую часть, вкладыш в критическом сечении сопла и кольцевой уступ из сгорающего материала, согласно изобретению кольцевой уступ выполнен в виде осесимметричной втулки, размещенной на сверхзвуковой части сопла на расстоянии (0,1...0,3)d_кр от критического сечения сопла, с минимальным внутренним диаметром, равным (0,85...0,98)d_c, а торцевая поверхность втулки, обращенная к критическому сечению сопла, выполнена содержащей цилиндрический участок и участок, перпендикулярный оси сопла.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где изображено предлагаемое сопло с частичным вырезом.

Предлагаемое сопло содержит дозвуковую часть 1, сверхзвуковую часть 2, вкладыш в критическом сечении 3, кольцевой уступ 4

Кольцевой уступ 4 выполнен в виде осесимметричной втулки, размещенной на сверхзвуковой части сопла 2 на расстоянии (0,1...0,3)d_кр от критического сечения сопла, с минимальным внутренним диаметром, равным (0,85...0,98)d_c, а торцевая поверхность втулки, обращенная к критическому сечению сопла, выполнена содержащей цилиндрический участок и участок, перпендикулярный оси сопла.

Предложенное сопло функционирует следующим образом.

При истечении продуктов сгорания из дозвуковой области сопла 1 поток обтекает вкладыш 3, кольцевой уступ 4 и сверзвуковую часть сопла 2. При прохождении потоком отверстия кольцевого уступа 4, меньшего диаметра критического сечения вкладыша 3, формируется струя с максимальной концентрацией конденсированных частиц в области, прилегающей к оси струи («жгут» конденсированных частиц), при этом газовая фаза двухфазного потока продуктов сгорания обтекает сверхзвуковую часть сопла 2, создавая реактивную тягу и обеспечивая движение реактивного снаряда. В силу высокой инерционности конденсированных частиц направление их движения вдоль оси сохраняется в течение всего времени движения реактивного снаряда по направляющей, тем самым резко снижается воздействие конденсированной фазы на направляющую и контактную группу, расположенную на направляющей. После схода снаряда с направляющей и сгорания втулки 4 двухфазный поток занимает всю сверхзвуковую часть сопла 2, и сопло функционирует, создавая расчетное значение реактивной силы.

Выполнение сопла в соответствии с изобретением позволило снизить в 7...9 раз массу конденсированных частиц, осаждающихся на направляющей, исключить теплоэрозионное разрушение элементов контактных групп и обеспечить тем самым функционирование пусковых установок при многократных пусках реактивных снарядов.

Изобретение может быть использовано при разработке сопел ракетных двигателей твердого топлива для ракет различных классов, в том числе сопел ракетных двигателей снарядов систем залпового огня.

Указанный положительный эффект подтвержден летными испытаниями реактивных снарядов с соплами, выполненными в соответствии с изобретением.

В настоящее время разработана конструкторская документация, проведены летные испытания реактивных снарядов с соплами, выполненными в соответствии с изобретением, намечено серийное производство.

Предлагаемое изобретение относится к ракетной технике, а именно к ракетным двигателям твердого топлива и предназначено для использования в ракетных двигателях реактивных снарядов, запускаемых из трубчатых направляющих, в том числе реактивных снарядов систем залпового огня. Сопло ракетного двигателя твердого топлива содержит дозвуковую часть, сверхзвуковую часть, вкладыш в критическом сечении сопла и кольцевой уступ из сгорающего материала. Кольцевой уступ выполнен в виде осесимметричной втулки, размещенной на сверхзвуковой части сопла на расстоянии от критического сечения сопла, равном 0,1...0,3 диаметра критического сечения сопла. Минимальный внутренний диаметр втулки равен 0,85...0,98 диаметра сопла в месте установки кольцевого уступа. Торцевая поверхность втулки, обращенная к критическому сечению сопла, выполнена содержащей цилиндрический участок и участок, перпендикулярный оси сопла. Изобретение позволяет уменьшить воздействие конденсированной фазы в продуктах сгорания на направляющую реактивного снаряда. 1 ил.

Сопло ракетного двигателя твердого топлива, содержащее дозвуковую часть, сверхзвуковую часть, вкладыш в критическом сечении сопла и кольцевой уступ из сгорающего материала, отличающееся тем, что в нем кольцевой уступ выполнен в виде осесимметричной втулки, размещенной на сверхзвуковой части сопла на расстоянии (0,1÷0,3)d_кр от критического сечения сопла, с минимальным внутренним диаметром, равным (0,85÷0,98)d_c, а торцевая поверхность втулки, обращенная к критическому сечению сопла, выполнена содержащей цилиндрический участок и участок, перпендикулярный оси сопла, где d_кр - диаметр критического сечения сопла, d_c - диаметр сопла в месте установки кольцевого уступа.