ПОВОРОТНОЕ СОПЛО ДЛЯ РАКЕТНОГО ДВИГАТЕЛЯ Российский патент 2007 года по МПК F02K9/84 

Область техники

Изобретение относится к области поворотных сопел для ракетных двигателей. Изобретение преимущественно, но не исключительно, применимо к ракетам, в частности тактическим, диаметром менее примерно 500 мм.

Уровень техники

Ракетный двигатель с поворотным соплом (соплом с управляемым вектором тяги) содержит корпус, окружающий камеру сгорания с открытой задней стенкой, по меньшей мере, одно сопло, содержащее подвижный диффузор (расширяющуюся часть) и неподвижную часть, шарнирное соединительное устройство, связывающее подвижный диффузор (сверхзвуковую часть) с неподвижной частью, и привод, воздействующий на сопло для изменения его ориентации и, следовательно, направления вектора тяги, возникающей в результате выброса из камеры сгорания газообразных продуктов горения.

В известном шарнирном соединительном устройстве используется сферический упор, образованный стопой слоев металла или композитного материала, чередующихся со слоями эластичного материала, причем смежные слои склеены друг с другом. Такое устройство обеспечивает возможность ограниченного перемещения сопла относительно корпуса в результате сдвиговой деформации эластичных слоев. Многослойный упор устанавливается таким образом, чтобы в нормальном состоянии он испытывал сжатие, вызванное давлением, оказываемым на сопло газообразными продуктами горения, поскольку его сопротивляемость силам растяжения ограничена. Однако в определенных конфигурациях многослойный упор может быть подвержен действию сил растяжения. Кроме того, многослойные упоры подвержены старению, а изготовление многослойных упоров, способных выдерживать широкий диапазон температур, является сложной задачей.

Для преодоления вышеописанных недостатков было предложено сопло с ориентируемым диффузором, содержащим сферическую поверхность, находящуюся в непосредственном контакте с соответствующей ей сферической поверхностью, предусмотренной в неподвижной части сопла (шаровой шарнир), в котором изменение ориентации диффузора сопла сопровождается скольжением одной сферической поверхности по другой. Соприкасающиеся элементы подвижной части диффузора и неподвижной части сопла обычно изготавливают из композитного материала типа углерод/углерод (С/С), обладающего высокой термомеханической прочностью, в частности при высоких температурах, и хорошей сопротивляемостью абляции. Такое устройство позволяет избежать недостатков устройств, содержащих многослойные сферические упоры, но порождает проблему, связанную с обеспечением непроницаемости для газа области расположения сферических поверхностей при любой ориентации диффузора сопла. Для ее разрешения необходимо обеспечить постоянный контакт шарового пальца шарнира с его муфтой при любом угле установки. С таким поворотным соплом были проведены предварительные испытания. Эти испытания показали жизнеспособность данной концепции, но обнаружили ограниченность пределов управляемости в плоскостях тангажа и рыскания при скреплении элементов шарового шарнира с помощью предварительно напряженных домкратов.

Раскрытие изобретения

Задача, на решение которой направлено настоящее изобретение, заключается в разработке поворотного сопла для ракетного двигателя, свободного от недостатков известных решений, использующих вышеупомянутое соединение со сферическим упором, и, в частности, в разработке шарнирного соединения, обладающего достаточной прочностью и надежностью и обеспечивающего непроницаемость для газа области соприкосновения поверхностей при любой используемой ориентации сопла.

Для решения поставленной задачи предлагается поворотное сопло (сопло с управляемым вектором тяги) для ракетного двигателя, содержащее: корпус, окружающий камеру сгорания и содержащий заднюю стенку; подвижный диффузор (подвижную расширяющуюся часть) и неподвижную часть, жестко прикрепленную к задней стенке; шарнирное соединительное устройство, связывающее подвижный диффузор сопла с неподвижной частью сопла таким образом, что подвижный диффузор и неподвижная часть сопла соприкасаются соответствующими сферическими поверхностями; и приводное устройство, воздействующее на подвижный диффузор с целью изменения направления вектора реактивной тяги двигателя путем изменения ориентации сопла при скольжении сферических поверхностей одна по другой.

При этом поворотное сопло по изобретению дополнительно содержит средства упругого возврата, расположенные между подвижным диффузором сопла и неподвижной частью сопла, воздействующие на подвижный диффузор и прижимающие его к неподвижной части сопла с целью сохранения взаимного контакта сферических поверхностей при любой требуемой ориентации сопла.

Благодаря действию упругого возвращающего усилия обеспечивается прижатие сферических поверхностей друг к другу с приблизительно постоянным усилием вне зависимости от смещений, происходящих в процессе работы. Это позволяет осуществлять перемещения в любом направлении без нарушения газонепроницаемости соединения между данными сферическими поверхностями.

Соединительное устройство может представлять собой карданное соединение, содержащее обод, два первых соединительных элемента, связывающих подвижный диффузор сопла с ободом при помощи двух первых шарниров, и два вторых соединительных элемента, связывающих неподвижную часть сопла с ободом при помощи двух вторых шарниров.

Средства упругого возврата могут быть встроены в соединительные элементы. Они могут представлять собой предварительно сжатые пружины.

По другому варианту осуществления изобретения средства упругого возврата могут, по меньшей мере, частично состоять из упругодеформируемой части соединительного устройства (например, обода карданного соединения), подвергнутой упругой деформации при сборке.

Между соприкасающимися сферическими поверхностями могут быть предусмотрены средства снижения трения. Средства снижения трения могут представлять собой смазочный материал, например графитовую смазку. По другому варианту осуществления изобретения средства снижения трения представляют собой покрытие или прокладку, расположенные в зоне соприкосновения сферических поверхностей, например покрытие из материала с низким коэффициентом трения, нанесенное на обе эти поверхности или на одну из них.

Приводное устройство может состоять из силовых цилиндров или линейных приводных элементов по известным решениям. По другому варианту осуществления изобретения, по которому соединительное устройство представляет собой карданное соединение с двумя осями поворота, приводное устройство может содержать приводы поворота, расположенные на осях карданного соединения для прямого воздействия на положение данных осей.

По сравнению с известными решениями, использующими многослойные сферические упоры, конструкция поворотного сопла по настоящему изобретению обладает значительными преимуществами:

- она более устойчива к воздействию окружающей среды и старению;

- она позволяет получать большие углы отклонения направления реактивной тяги благодаря использованию соприкасающихся сферических поверхностей большей площади в сочетании с явлением увеличения угла отклонения направления реактивной тяги, характерным для устройств с подвижным диффузором и вызванным внутренними аэродинамическими эффектами в сопле;

- она менее чувствительна к воздействию возвратных сил, т. е. сил, которые действуют на подвижный диффузор в направлении его передней части и которые способны повредить многослойные упоры, но поглощаются соприкасающимися сферическими поверхностями в сопле по изобретению;

- она избавляет от необходимости применения не только относительно дорогостоящих многослойных сферических упоров, но и элементов термической защиты, которые необходимо использовать совместно с ними.

Краткое описание чертежей

Другие свойства и достоинства настоящего изобретения станут ясны из нижеследующего описания, содержащего ссылки на прилагаемые чертежи. На чертежах:

- фиг.1 схематично изображает в перспективе часть ракетного двигателя по изобретению;

- фиг.2 изображает в продольном разрезе часть ракетного двигателя по фиг.1;

- фиг.3 представляет собой поперечный разрез по плоскости III-III на фиг.2.

Осуществление изобретения

На фиг.1-3 приведены схематичные изображения ракетного двигателя, содержащего корпус 10, окружающий камеру 12 сгорания, в котором находится блок твердого ракетного топлива (не представлен). Камера 12 открывается через заднюю стенку 14 в переднюю часть сопла, содержащего горловину 16 и диффузор 20.

Горловина 16, ограничивающая не только собственно критическое сечение сопла, но и его сужающуюся часть (конфузор) и начальную часть диффузора, прикреплена, например привинчена, к кольцу 18, жестко прикрепленному к задней стенке 14 корпуса.

Горловину 16 обычно изготавливают из композитного материала типа С/С, а кольцо 18 обычно изготавливают из теплоизолирующего композитного материала. На внутренней поверхности корпуса предусмотрены термозащитные слои. Такая конструкция камеры сгорания хорошо известна сама по себе.

Диффузор 20 (или, по меньшей мере, часть его) подвижен и соединен с неподвижной частью сопла, в частности с горловиной 16. Как также известно само по себе, осуществление поворотного сопла путем использования подвижного диффузора обладает тем преимуществом, что позволяет увеличивать отклонение реактивной тяги относительно угла реального поворота относительно главной оси диффузора.

Подвижный диффузор 20 обычно содержит наружную стенку 22, изготовленную, например, из металла, содержащую внутреннее покрытие 23 из абляционного изолирующего материала, например из композитного материала с усиливающими волокнами из углерода или кремния и матрицей из фенолоальдегидного полимера. Передняя часть подвижного диффузора 20 содержит часть 24 в форме внутреннего кольца, изготавливаемого обычно из композитного материала типа С/С.

Горловина 16 и подвижный диффузор 20 соприкасаются соответствующими сферическими поверхностями 16а и 24а, центры которых находятся на оси 11 сопла.

Следует отметить, что элементы 22, 24 и 23 подвижного диффузора могут быть объединены в единый элемент, изготовленный из композитного материала.

Подвижный диффузор сопла соединен с неподвижной частью этого сопла при помощи механического карданного соединения, содержащего обод 30, изготовленный, например, из металла, два соединительных элемента 32 и 34, которые жестко прикреплены к наружной стенке 22 подвижного диффузора сопла и концы которых связаны с ободом 30 при помощи шарниров 36, 38 соответственно, и два других соединительных элемента 42, 44, которые жестко прикреплены к ободу 30 и концы которых соединены с задней стенкой 14 корпуса 10 камеры сгорания и, следовательно, с неподвижной частью сопла при помощи двух других шарниров 46, 48 соответственно.

Соединительные элементы 32, 34 и шарниры 36, 38 расположены в точках, взаимно противоположных относительно оси 11, причем оси шарниров 36, 38 определяют ось 39 поворота, расположенную в плоскости, перпендикулярной оси 11.

Аналогичным образом соединительные элементы 42, 44 и шарниры 46, 48 расположены в точках, взаимно противоположных относительно оси 21 камеры сгорания, причем оси шарниров 46, 48 определяют ось 49 поворота, расположенную в плоскости, перпендикулярной оси 21. Шарниры 36, 38, 46, 48 распределены по ободу 30 с равномерными угловыми интервалами таким образом, что оси 39 и 49 взаимно ортогональны.

Опорные поверхности 16b, 24b частей 16 и 24 ограничивают величину возможного углового смещения осей 11 и 21 друг относительно друга.

Сопло может быть приведено в движение либо несколькими линейными приводными элементами или силовыми цилиндрами, один конец которых упирается в наружную стенку 22 подвижного диффузора 20, а другой конец упирается в корпус 10 камеры сгорания, либо несколькими вращающимися приводными элементами, расположенными на карданном соединении на осях 39 и 49 таким образом, чтобы осуществлять прямое управление положением осей поворота карданного соединения.

В приведенном примере предусмотрены только два линейных приводных элемента 50а и 50b, соединенных с корпусом 10 и наружной стенкой 22 при помощи шарниров 52а, 52b и 54а, 54b, причем между меридиональными плоскостями, содержащими оси 51а и 51b приводных элементов 50а и 50b, образуется угол, приблизительно равный 90°.

Следует отметить, что в другом варианте осуществления приводные элементы могут быть установлены между ободом 30 и подвижным диффузором 20 сопла. Также следует отметить, что число приводных элементов может быть более двух.

В соответствии с изобретением должны быть предусмотрены средства упругого возврата, воздействующие на подвижный диффузор 20 сопла в направлении, противоположном направлению течения газового потока через сопла, и обеспечивающие постоянное соприкосновение поверхностей 16а и 24а вне зависимости от требуемой ориентации диффузора сопла. В результате непроницаемость стыка между поверхностями 16а и 24а для газа сохраняется при любой ориентации оси 21 относительно оси 11.

В приведенном примере средства упругого возврата состоят из пружин 62, 64, например, типа пружинных шайб (шайб Belleville), предварительно сжатых и помещенных в соединительные элементы 32 и 34.

Более конкретно, каждый из соединительных элементов 32, 34 содержит стержень 31, 33, один конец которого соединен с шарниром 36, 38, а другой конец проходит через отверстие 26а, 28а проушины 26, 28, прикрепленной к наружной стенке 22 диффузора сопла.

Этот другой конец удерживается при помощи гайки 45, 47, навинченной на конец стержня, причем между гайкой 45, 47 и проушиной 26, 28 вставлена пружина 62, 64. Например, пружина 62, 64 может быть расположена в расширенной части втулки 66, 68, вставленной в отверстие 26а, 28а.

Втулки 66, 68 вставлены в отверстия 26а, 28а, причем стержни 31, 33 входят в них без зазора, что позволяет устранить или, по меньшей мере, уменьшить зазоры между стержнями 31, 33 и отверстиями 26а, 28а и предупредить возможное вращение подвижного диффузора вокруг его оси 21.

Предварительное сжатие пружин 62, 64 рассчитано таким образом, чтобы обеспечить возвращение поверхностей 16а, 24а в положение взаимного соприкосновения при любой возможной ориентации диффузора 20 сопла.

При приведении поворотного сопла в движение в результате воздействия на приводные элементы 50а, 50b соприкасающиеся сферические поверхности 16а, 24а трутся одна о другую. Трение между частями 16, 24 может быть сухим. Также возможно использование средств уменьшения трения, например покрытия или прокладки, предусмотренных в зоне соприкосновения сферического пальца и муфты шарового шарнира на одной из сферических поверхностей или на них обеих, изготовленных, например, из материала на основе Тефлона^® (политетрафторэтилена), или смазочного материала, например графитовой смазки, проникающей, по меньшей мере, в часть остаточных пор части 16.

Для обеспечения упругого возврата, необходимого для нормальной работы двигателя при любой возможной ориентации сопла, могут быть использованы средства, отличные от пружин. Например, этот возврат может быть обеспечен использованием упругодеформируемого элемента соединительного устройства, соединяющего подвижную часть сопла с ее неподвижной частью, причем при сборке этот элемент подвергается упругой деформации.

Так, по варианту осуществления, представленному на фиг.2 и 3, возврат обеспечивается упругой деформацией обода 30 без использования пружин 62, 64. Для этого обод 30, изготовленный, например, из стали, должен иметь такую толщину или содержать участки такой уменьшенной толщины, которая обеспечивала бы упругую деформацию под воздействием затягивания гаек 45, 47.

Изобретение относится к области поворотных сопел ракетных двигателей. Сопло содержит подвижный диффузор (20) и неподвижную часть (16), жестко прикрепленную к задней стенке камеры (12) сгорания двигателя. Карданное соединение связывает подвижный диффузор сопла с неподвижной частью, причем подвижный диффузор и неподвижная часть соприкасаются соответствующими сферическими поверхностями (24а, 16а), а приводное устройство воздействует на подвижный диффузор с целью изменения направления вектора реактивной тяги двигателя путем изменения ориентации сопла при скольжении сферических поверхностей одна по другой. Между подвижным диффузором (20) сопла и неподвижной частью (16) сопла расположены средства (62, 64) упругого возврата, воздействующие на подвижный диффузор и прижимающие его к неподвижной части с целью сохранения взаимного контакта сферических поверхностей (24а, 16а) при любой требуемой ориентации сопла. Изобретение обеспечивает прочность, надежность и непроницаемость для газов области соприкосновения поверхностей при любой используемой ориентации сопла. 10 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Поворотное сопло для ракетного двигателя, содержащее корпус (10), окружающий камеру (12) сгорания и содержащий заднюю стенку (14); подвижный диффузор (20) сопла и неподвижную часть (16) сопла, жестко прикрепленную к задней стенке; шарнирное соединительное устройство, связывающее подвижный диффузор сопла с неподвижной частью сопла таким образом, что подвижный диффузор и неподвижная часть соприкасаются соответствующими сферическими поверхностями (24а, 16а); и приводное устройство, воздействующее на подвижный диффузор с целью изменения направления вектора реактивной тяги двигателя путем изменения ориентации сопла при скольжении сферических поверхностей одна по другой, отличающееся тем, что между подвижным диффузором (20) сопла и неподвижной частью (16) сопла расположены средства (62, 64) упругого возврата, воздействующие на подвижный диффузор и прижимающие его к неподвижной части с целью сохранения взаимного контакта сферических поверхностей (24а, 16а) при любой требуемой ориентации сопла.2. Сопло по п.1, отличающееся тем, что соединительное устройство представляет собой карданное соединение, содержащее обод (30), два первых соединительных элемента (32, 34), связывающих подвижный диффузор (20) сопла с ободом при помощи двух первых шарниров (36, 38), и два вторых соединительных элемента (42, 44), связывающих обод с задней стенкой (14) корпуса при помощи двух вторых шарниров (46, 48), причем средства (62, 64) упругого возврата встроены в соединительные элементы.3. Сопло по п.2, отличающееся тем, что средства (62, 64) упругого возврата встроены в первые соединительные элементы (32, 34).4. Сопло по п.1, отличающееся тем, что средства упругого возврата представляют собой предварительно сжатые пружины (62, 64).5. Сопло по п.1, отличающееся тем, что средства упругого возврата, по меньшей мере, частично состоят из упруго деформируемой части соединительного устройства, подвергнутой упругой деформации при сборке.6. Сопло по п.5, отличающееся тем, что упруго деформируемая часть является ободом карданного соединения.7. Сопло по любому из пп.1-6, отличающееся тем, что между соприкасающимися сферическими поверхностями предусмотрены средства снижения трения.8. Сопло по п.7, отличающееся тем, что средства снижения трения представляют собой смазочный материал.9. Сопло по п.8, отличающееся тем, что смазочный материал представляет собой графитовую смазку.10. Сопло по п.7, отличающееся тем, что средства снижения трения представляют собой покрытие или прокладку, расположенные в зоне соприкосновения сферических поверхностей.11. Сопло по любому из пп.1-6, отличающееся тем, что соединительное устройство представляет собой карданное соединение с двумя осями поворота, а приводное устройство содержит приводы поворота, расположенные на осях карданного соединения для прямого воздействия на положение указанных осей.