РАЗДВИЖНОЕ СОПЛО РАКЕТНОГО ДВИГАТЕЛЯ Российский патент 2007 года по МПК F02K9/97 F02K1/09 

Изобретение относится к ракетной технике, а именно к соплам большой степени расширения с телескопически складываемым раструбом, и может быть использовано при создании РДТТ.

Известны раздвижные сопла, содержащие стационарную часть, выдвигаемый насадок, узлы стопорения насадка в сложенном (транспортном) положении, узлы направления, узлы фиксации насадка в рабочем положении и привод выдвижения насадка.

Для раздвижных сопел весьма существенно иметь элементы направления, имеющие увеличенную направляющую базу, при которой создаются лучшие условия для восприятия боковых возмущающих сил при раздвижке и противодействия перекосам, чем повышается надежность фиксации и раздвижки. Также существенно для снижения полетной массы иметь сбрасываемыми максимальное количество элементов, работающих только при раздвижке, в частности элементы направления насадка, привод выдвижения его.

Такие задачи решены в раздвижном сопле по патенту №2213239 (прототип). Здесь сопло, включающее выдвижной насадок с цилиндром на его внутренней поверхности, содержит направляющую внутри стационарной части, соединенную со стороны среза сопла с цилиндром насадка и взаимодействующую со стенкой сопла в его критическим сечении.

В этом раздвижном сопле направляющая база, как расстояние от опоры цилиндра насадка (в районе среза раструба стационарной части) до опоры направляющей (район критического сечения), составляет значительную величину и сохраняется на всем пути раздвижки. А направляющая, выполненная в виде цилиндра, заглушенного с одной стороны, выполняет и функцию привода выдвижения. После раздвижки с отделением цилиндра от насадка сбрасывается узел направления и привод выдвижения.

Что касается усилия раздвижки, то перепада давления между внутренней полостью двигателя и давлением снаружи (например, перепад около 0,1 МПа (1 кгс/см²) как разница между земным давлением внутри двигателя и вакуумом снаружи его для высотной ступени ракеты), приходящегося на площадь дна направляющей, как правило, более чем достаточно для осуществления раздвижки. Достаточно, даже если площадь дна направляющей составляет часть площади критического сечения сопла. Соответственно достаточно и энергии для раздвижки и фиксации насадка в рабочем положении.

Однако для сопла, которое имеет несколько насадков (для сопел большой степени расширения при ограниченной зоне для размещения их в ракете), энергия, сообщаемая наружным насадкам, относительно энергии внутренних насадков оказывается значительно большей (в несколько раз), а иногда и на порядок. Это происходит, во-первых, потому, что масса наружных насадков больше массы внутренних насадков, во-вторых, абсолютные пути раздвижки наружных насадков также значительно больше, чем у внутренних - они движутся и на пути внутренних насадков. И, наконец, еще и потому, что на пути движения наружных насадков, фиксируясь, отсоединяются внутренние насадки, из-за чего возрастает доля массы наружных насадков в общей движущейся массе и, соответственно, доля движущей силы, действующей на эти насадки.

Вследствие этого при стыковке наружные насадки подвергаются большим ударным нагрузкам. И несмотря на то что по соображениям огневой (термической) стойкости они могут иметь весьма малые толщины, в таких условиях для обеспечения прочности вынуждены иметь увеличенные толщины. Это, в свою очередь, дополнительно приводит к еще большему увеличению энергии удара наружных насадков, что неблагоприятно сказывается на прочности всего сопла, заставляя увеличивать его массу.

Изложенное является главным недостатком описанного технического решения. Кроме этого, есть еще недостаток для сопел с большой степенью расширения в двигателях с ограниченной длиной (например, в двигателях типа «чечевица») - малая длина внутреннего канала заряда делает невозможным размещение направляющей внутри двигателя.

Технической задачей настоящего изобретения является устранение изложенных недостатков, а именно:

- дозирование общего уровня энергии на раздвижку насадков и распределение этой энергии по насадкам;

- сокращение длины центральной направляющей и ее вдвинутости внутрь камеры двигателя.

Технический результат достигается тем, что в раздвижном сопле, содержащем стационарную часть, выдвигаемые один или несколько насадков с соосно расположенными цилиндрами на их внутренних поверхностях, установленными с возможностью их отсоединения от насадков при фиксации последних в рабочем положении, соединенных основанием между собой со стороны срезов насадков и с центральной направляющей, проходящей через критическое сечение сопла, в нем центральная направляющая проходит через сопловую заглушку, которая размещена в стакане, закрепленном внутри стационарной части, с возможностью перемещения в сторону среза сопла, при этом на направляющей выполнен упор, взаимодействующий с внешней поверхностью заглушки, а стакан со стороны среза сопла содержит упоры и фиксаторы, взаимодействующие с заглушкой в ее конечном положении.

Заглушка, помещенная в стакан, взаимодействует с упором на центральной направляющей, и на нее действует сила от перепада давления на площадь заглушки, приводящей в движение насадки, которая при необходимости может быть и больше площади критического сечения. Действует эта сила не на всем пути выдвижения насадков, а только на части его, определяемой длиной стакана, в который помещена заглушка, как правило, только на пути движения внутреннего насадка. За счет этого при сравнительно невысоком уровне общей энергии распределение энергий по насадкам получается примерно пропорционально их массам, что соответствует уровню, необходимому для гарантированного перемещения и фиксации насадков без избытка энергии, приводящего к увеличению ударных нагрузок.

Наличие стакана внутри стационарной части сопла с возможностью перемещения в ней заглушки с центральной направляющей позволяет сократить длину этой направляющей на величину пути перемещения заглушки L. Соответственно уменьшается и углубление этой укороченной центральной направляющей внутрь двигателя на величину пути перемещения заглушки L=L₂-L₁. Уменьшение углубления центральной направляющей наглядно видно на фиг.4 и 5, где показаны схемы раздвижных сопел с тремя насадками в сложенном и раздвинутом положении (штрих-пунктиром). На фиг.4 - сопло по предложенному решению, на фиг.5 - по прототипу (при наличии трех и более выдвигаемых насадков).

На фиг.1, 2, 3 изображено предложенное раздвижное сопло, на фиг.4, 5, 6 поясняется сущность достижения эффектов на примере раздвижного сопла с тремя насадками.

Раздвижное сопло (см. фиг.1) состоит из стационарной части 1 (в управляющем сопле может быть поворотной) и расположенных вокруг нее соосных насадков 2, соединенных с цилиндрами 3. Как правило, насадки большего диаметра имеют и большие длины для рационального использования пространства между соседними ступенями ракеты (например, между днищами 4 и 5 двигателей этих ступеней).

Соединение всех цилиндров 3 с насадками 2 показано на фиг.2 на примере среднего насадка, где он показан на подходе к стыковке. Это соединение выполнено с помощью фиксаторов 6, установленных на насадках, с возможностью рассоединения при фиксации насадков в рабочем положении. Достигается это, например, тем, что фиксаторы 6, поджатые пружинами 7, проходят через радиальные отверстия в цилиндре и насадке. Отверстия эти переходят в сквозные пазы Ж, выходящие на торец цилиндра, а концевые обуженные части фиксаторов 8 могут проходить через эти пазы при фиксации.

Все цилиндры 3 в их соосном положении соединены между собой и центральной направляющей 9 основанием 10 (см. фиг.1). Совокупность цилиндров и центральной направляющей, соединенных основанием, образует направляюще-сдвигающее устройство (НСУ), на котором находятся все насадки. В исходном положении НСУ застопорено относительно стационарной части 1, например, зацепами 11, охваченными бандажами 12. При рассоединении бандажа зацепы освобождаются и НСУ с насадками начинает движение.

Центральная направляющая 9, выполняемая обычно в виде заглушенной с одного конца трубы, проходит через сопловую заглушку 13, контактируя с ней своей наружной поверхностью и упором 14, расположенным со стороны среза сопла. Диаметр наружной поверхности направляющей выбирается в основном из условия гарантированного преодоления силы трения при движении НСУ с насадками за счет усилия, которое появляется на направляющей при перепаде давления между внутренней полостью двигателя и наружным пространством.

Заглушка 13, размещенная внутри закрепленного на стационарной части стакана 15, имеет возможность перемещаться в сторону среза сопла до упоров 16. Путь перемещения заглушки в стакане, как правило, находится в пределах пути раздвижки внутреннего насадка. В конечном положении на упорах заглушка 13 удерживается фиксаторами 17 (см. фиг.3). Для уменьшения ударного воздействия заглушки на стационарную часть сопла на упорах 16 могут быть установлены демпферы 18.

При движении цилиндр каждого насадка опирается на наружную поверхность внутреннего (предыдущего) насадка, например, через антифрикционные вставки 19 (см. фиг.2). Направляющая база НСУ при раздвижке, от которой зависит восприятие боковых возмущающих сил, определяется расстоянием от плоскости этих опорных вставок до места опоры центральной направляющей, которой является заглушка 13 (см. фиг.1).

В начале движения направляющая база несколько уменьшается за счет перемещения заглушки. Затем, после стыковки внутреннего насадка, эта база увеличивается - НСУ начинает скользить и опираться цилиндром следующего насадка на вставки зафиксировавшегося внутреннего насадка. После стыковки каждого последующего насадка направляющая база соответственно увеличивается.

Раздвижное сопло работает следующим образом.

После подачи команды на раздвижку и снятие стопорения НСУ с насадками под воздействием усилия от перепада давления между внутренней полостью двигателя и наружным пространством, действующего на площадь, описанную наружным диаметром заглушки (включая площадь дна направляющей), начинает ускоренное движение. При этом наибольшая часть этого усилия, приходящаяся на саму заглушку, передается через упор 14 и НСУ движется совместно с заглушкой.

К концу движения заглушки, когда она станет на упоры 16 и зафиксируется фиксаторами 17 (см. фиг.3), насадки наберут энергию, достаточную для их фиксации в рабочем положении. Распределение этой энергии между насадками соответствует их массам. Дальнейшее движение центральной направляющей 9 относительно заглушки и всего НСУ с насадками происходит практически с постоянной скоростью, поскольку силы трения при движении компенсируются перепадом давления, приходящимся на площадь дна центральной направляющей.

Первым фиксируется внутренний насадок, освобождаясь при этом от своего цилиндра (см. фиг.2). Концевые части фиксаторов 8, наталкиваясь своими скошенными местами на наклонные выступы Г, выводят основную часть фиксаторов 6 из отверстий цилиндра. Цилиндр 3, освобождаясь от фиксаторов, совместно с НСУ и остальными насадками продолжает движение. Концевые части фиксаторов 8, находясь против пазов Ж, не препятствуют движению цилиндра, а затем, опускаясь во впадины Д, фиксируют насадок.

При подходе следующих насадков к своим стыкам освобождение их от цилиндров и фиксация происходит аналогично. При стыковке последнего насадка освобождается НСУ и, продолжая поступательное движение, покидает сопло, оставляя насадки в рабочем положении (см. фиг.4). А заглушка покидает сопло, разрываясь, например, по ослабляющей проточке Е (см. фиг.3) при достижении необходимого при запуске двигателя давления. Через некоторое время, обгорая или разрушаясь, покидает сопло и стакан 15 (см. фиг.1) с оставшейся частью заглушки.

Энергичный набор скорости в начале раздвижки и дальнейшее движение с небольшим изменением скорости приводит к тому, что при относительно небольшом уровне энергии, сообщаемом насадкам, время раздвижки получается меньшим, чем в решении по прототипу. Это дополнительный эффект предложенного решения. Суть его наглядно видна из графика на фиг.6, где показано изменение скорости V движения НСУ с насадками по времени t для сопла с тремя насадками.

Кривая 3 - для сопла по предложенному решению.

Кривая И - для сопла по прототипу.

Цифры в кружочках показывают моменты стыковки соответственно 1-го, 2-го и 3-го насадков по порядку их фиксации.

Площадь, ограниченная кривыми, - путь насадков при раздвижке, он одинаков для обоих сопел, время же раздвижки явно меньше для сопла по предложенному решению. Здесь также наглядно видно сравнение скорости по насадкам и, соответственно, распределение энергии по ним.

Рациональное распределение энергии раздвижки между насадками приводит к снижению ударной нагрузки на насадки и массы сопла.

С использованием предложенного решения разработано сопло с 4 насадками со степенью расширения ˜ 8. В сравнении с соплом (прототипом) энергия раздвижки наружного насадка снижена более чем в 3 раза при обеспечении одинакового уровня энергии внутреннего насадка, необходимого только для его гарантированной фиксации.

При этом, в сравнении с соплом по прототипу, время раздвижки уменьшено на 20...40%.

Вдвинутость центральной направляющей в камеру (относительно среза входной части сопла) может быть уменьшена в сравнении с решением по прототипу более чем в 2 раза.

Таким образом, использование данного изобретения позволяет рационально распределять энергию раздвижки между насадками, энергично выдвигая насадки на пути движения первого насадка, уменьшать излишнюю энергию для наружных насадков и сокращать время раздвижки. Кроме того, изобретение позволяет уменьшать длину центральной направляющей, уменьшая ее вдвинутость внутрь камеры двигателя.

Изобретение относится к ракетной технике, в частности к соплам большой степени расширения с телескопически складываемым раструбом. Раздвижное сопло ракетного двигателя, содержащее стационарную часть, один или несколько выдвижных насадков, установленных на цилиндрах, с возможностью их отсоединения от насадков при фиксации последних в рабочем положении, жестко соединенных основанием между собой со стороны срезов насадков и с центральной направляющей, проходящей через критическое сечение сопла, согласно изобретению центральная направляющая проходит через сопловую заглушку, взаимодействуя с ней своей наружной поверхностью и упором со стороны среза сопла, а заглушка размещена в стакане, закрепленном внутри стационарной части, с возможностью перемещения ее в сторону среза сопла, причем стакан со стороны среза сопла содержит упоры и фиксаторы, взаимодействующие с заглушкой в ее конечном положении. Изобретение обеспечивает рациональное распределение энергии раздвижки между насадками, а также сокращение длины центральной направляющей. 6 ил.

Раздвижное сопло ракетного двигателя, содержащее стационарную часть, один или несколько выдвижных насадков, установленных на цилиндрах, с возможностью их отсоединения от насадков при фиксации последних в рабочем положении, жестко соединенных основанием между собой со стороны срезов насадков и с центральной направляющей, проходящей через критическое сечение сопла, отличающееся тем, что центральная направляющая проходит через сопловую заглушку, взаимодействуя с ней своей наружной поверхностью и упором со стороны среза сопла, а заглушка размещена в стакане, закрепленном внутри стационарной части, с возможностью перемещения ее в сторону среза сопла, причем стакан со стороны среза сопла содержит упоры и фиксаторы, взаимодействующие с заглушкой в ее конечном положении.