РАКЕТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА Российский патент 2008 года по МПК F02K9/18 

Предлагаемое изобретение относится к области ракетной техники, и может быть использовано в ракетах, ракетных снарядах с твердотопливными двигателями.

Объект изобретения представляет собой ракетный двигатель твердого топлива (РДТТ), содержащий корпус, заряд твердого топлива, прочно скрепленный с корпусом двигателя, имеющий внутреннюю камеру горения, образованную центральным перфорированным каналом звездообразной конфигурации и нависающий незабронированный задний торец, сопловой блок, воспламенитель.

Данный объект характеризуется высоким коэффициентом объемного заполнения (не менее 0,85) и относительным удлинением (не менее 6 калибров).

Необходимые параметры: - тяга двигателя и расход продуктов сгорания в значительной степени определяются размерами и конфигурацией звездообразного профиля канала заряда.

При создании современных РДТТ с высокой тяговооруженностью осуществляются мероприятия, обеспечивающие при работе двигателя требуемую организацию внутрикамерных процессов горения топлива, при которых параметры двигателя - давление, тяга находились бы в заданных границах.

Известен ряд конструкций РДТТ, обеспечивающих уменьшение или полное устранение пиков давления, тяги в момент выхода двигателя на режим (патент Р.Ф. №2248458, публикация "Эрозионное горение в РДТТ" в экспресс информации "Астронавтика и ракетодинамика", №38, 1991 г., ВИНИТИ, г.Москва, стр.19, патент Р.Ф. №2125175).

Известные конструкции РДТТ содержат корпус, прочно скрепленный с корпусом заряд твердого топлива с прорезанными радиально идущими пазами, сопловой блок, воспламенитель.

Наиболее близкой к предполагаемому изобретению является конструкция, представленная в патенте Р.Ф. №2248458, принятая авторами за прототип.

Существенными признаками прототипа являются:

- звездообразный профиль канала заряда, в котором вершины каждой пары соседних щелей канала сопряжены дугой окружности, вогнутой внутрь этого канала;

- отношение суммарной длины дуг окружностей (L_д), вогнутых внутрь канала к периметру канала (П_к), составляет

0,5<L_д/П_к<1,0.

Конструкция РДТТ, принятая за прототип, работает следующим образом:

- при срабатывании воспламенителя и воспламенении заряда образующийся поток продуктов сгорания движется, ускоряясь в направлении сопла по каналу звездообразного сечения, обтекая поверхности, образованные лучами звезды и переходными участками между лучами.

Технической задачей, решаемой прототипом, является уменьшение воздействия на горящую поверхность заряда скоростного потока газов.

Эта задача решается в прототипе путем изменения традиционной конфигурации звездообразного канала за счет исключения участков поверхности горения с повышенной крутизной, а также за счет отнесения поверхности горения на большее расстояние от центра оси канала.

Меры, предусмотренные в прототипе, действительно решают проблему исключения пиков давления и тяги в условиях ярко выраженного эрозионного горения топлива (горения с повышенной скоростью), поскольку они направлены на снижение воздействия температуры и скорости газового потока на поверхность топлива.

Недостатком данной конструкции является то, что она не обеспечивает в полной мере стабильную работу двигателя (без пиков на начальном участке) в условиях увеличенного объемного заполнения, например, в условиях, когда зазоры между зарядом и днищем двигателя принимаются минимальными исходя из обеспечения максимальной тяговооруженности.

Исследованиями установлено, что при действии на заряд (при старте ракеты) массовых сил, также давления на его передний торец (из-за разности давлений у переднего и заднего торцов), и сил, возникающих от трения движущегося газа о поверхности канала, заряд деформируется, а нависающая часть заряда (нескрепленная с корпусом по боковой части) получает удлинение.

При этом происходит изменение величины зазоров между элементами внутри двигателя.

Недооценка этого явления, особенно в условиях высокого объемного заполнения, может приводить к дестабилизации внутрикамерных процессов, например к резким взмывам (пикам) давления (тяги) при выходе двигателя на режим, являющегося наиболее напряженным моментом в газовой динамике двигателя.

Так, если зазор между зарядом и сопловым днищем назначается минимальным исходя из обеспечения требования по коэффициенту объемного заполнения, и без учета фактора удлинения заряда, в момент старта происходит следующее: заряд удлиняется, при этом зазор "выбирается" и торец заряда упирается в сопловое днище.

При этом в образовавшейся замкнутой зоне вокруг нависающего незабронированного участка, который успевает воспламениться, возникает давление, радиальная составляющая которого деформирует этот участок, перемещая его в свободное пространство, т.е. в канал, что приводит к нерасчетному перекрытию части сечения канала, результатом чего и является всплеск (пик) давления (тяги) в момент старта.

При увеличенном зазоре между зарядом и сопловым днищем (превышающем величину удлинения заряда), увеличивается пассивный вес и, соответственно, снижаются энергомассовые характеристики двигателя.

Таким образом, в рассматриваемом двигателе-прототипе не использованы все возможности для реализации в нем высоких энергомассовых характеристик без возникновения пиков давления и тяги.

Указанные недостатки двигателя-прототипа снижают функциональную надежность двигателя и ограничивают область его применения.

Общими признаками прототипа и предлагаемого авторами РДТТ является наличие в них корпуса, прочно скрепленного с корпусом заряда твердого топлива с центральным каналом звездообразного сечения, сопла и воспламенителя.

В отличие от прототипа в предлагаемом авторами РДТТ:

- канал заряда имеет местное коническое расширение со стороны заднего торца, основание которого совпадает с плоскостью, ограничивающей заряд;

- длина конического расширения (L_к) составляет 1,5-2,2 от длины нависающей части заряда (L_н) со стороны заднего торца;

- диаметр основания конического расширения (Д_к) определен как 1,8-2,2 от диаметра канала (d_к).

- между торцом заряда и сопловым днищем предусмотрен зазор δ, разный 0,1-0,2 от длины нависающей части заряда.

Технической задачей предлагаемого изобретения является повышение функциональной надежности РДТТ в результате снижения пика давления и тяги в условиях высокого объемного заполнения за счет выбора оптимального соотношения основных конструктивных параметров, влияющих на газодинамический процесс в двигателе.

Технический результат достигается за счет того, что двигатель, содержащий известные признаки: корпус, сопловой блок, воспламенитель и прочно скрепленный с корпусом заряд твердого топлива с центральным каналом звездообразной конструкции и нависающим незабронированным задним торцом, имеет особенность согласно изобретению, которая заключается в следующем:

- канал заряда имеет со стороны заднего торца местное коническое расширение, основание которого совпадает с плоскостью, ограничивающей заряд;

- длина конического расширения составляет 1,5-2,2 от длины нависающей части заряда L_н;

- диаметр основания конического расширения определен как 1,8-2,2 от диаметра канала;

- между торцом заряда и сопловым днищем предусмотрен зазор, равный 0,1-0,2 от длины нависающей части заряда.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 изображен общий вид предлагаемого РДТТ.

Двигатель состоит из корпуса 1, заряда 2, соплового блока 3 и воспламенителя 4.

На фиг.2 показан вариант двигателя, в котором внутренний контур днища сопла и задний торец заряда - конгруэнтные поверхности, располагаемые с зазором δ.

На фиг.3 показана диаграмма изменения давления и тяги по времени при стендовых испытаниях двигателя, изготовленного без использования мер, предусмотренных настоящим изобретением.

На фиг.4 показана диаграмма изменения давления и тяги по времени при стендовых испытаниях двигателя, изготовленного с использованием мер, предусмотренных настоящим изобретением.

Предлагаемый РДТТ работает следующим образом.

При подаче электроимпульса на воспламенитель заряд воспламеняется, и двигатель в доли секунды выходит на режим.

При этом консольный участок заряда (нависающая часть заднего торца) под действием возникающих сил получает удлинение.

Поскольку зазор между торцом заряда и сопловым днищем, принимаемый из условия обеспечения максимальных энергомассовых характеристик, меньше по величине, чем удлинение заряда, то при выходе двигателя на режим этот зазор "выбирается" и заряд упирается торцом в днище сопла.

Пространство вокруг нависающего торца оказывается замкнутым и в нем возникает давление, радиальная составляющая которого деформирует нависающий торец в свободное пространство по направлению к центру канала.

Коническое расширение заданных размеров, выполненное в заряде со стороны заднего торца, во взаимодействии с принятым зазором δ между зарядом и сопловым днищем решает задачу по снижению пиков давления, тяги, поскольку такое устройство заряда выполняет роль компенсатора, позволяющее локализовать в конической полости сдеформированную нависающую часть заряда, не занимая при этом пространство канала.

При уменьшении длины конического участка менее 1,5 от длины нависающей части заряда L_н и уменьшении диаметра основания конического участка менее 2,2 от диаметра канала возникает сужение канала.

При длине конического участка более 2,2 от длины нависающей части заряда L_н и диаметра основания конического участка более 2,2 от диаметра канала снижается коэффициент заполнения.

При уменьшении величины зазора δ между зарядом и сопловым днищем менее 0,1 от длины нависающей части заряда возникает радиальное давление, которое деформирует нависающий торец так, что возникает сужение канала.

При увеличении зазора более 0,2 от длины нависающей части заряда увеличивается свободный объем камеры двигателя, что сводит на нет возможность достижения высокого коэффициента объемного заполнения.

Выполнение РДТТ в соответствии с предлагаемым изобретением позволило обеспечить высокие энергомассовые характеристики двигателя, поскольку и размеры зазора δ и размеры конического расширения в заряде минимизированы исходя из реализации максимального коэффициента объемного заполнения.

Изобретение может быть использовано при разработке РДТТ с высоким коэффициентом объемного заполнения.

Указанный положительный эффект подтвержден огневыми стендовыми испытаниями опытных образцов, выполненных в соответствии с предлагаемым изобретением.

На фиг.3 и фиг.4 представлены изменения во времени диаграммы давления и тяги при стендовых испытаниях двигателей, изготовленных, соответственно, без мер, предусмотренных предлагаемым изобретением и с мерами по предлагаемому изобретению. Как видно из фиг.4, на диаграммах изменения давления и тяги пики этих параметров практически отсутствуют.

В настоящее время разработана конструкторская документация на двигатель и проведена опытная отработка.

Ракетный двигатель твердого топлива содержит сопловой блок, воспламенитель и прочно скрепленный с корпусом заряд твердого топлива с центральным каналом звездообразного сечения и нависающим незабронированным задним торцом. Канал заряда имеет со стороны заднего торца местное коническое расширение, основание которого совпадает с плоскостью, ограничивающей заряд. Длина конического участка составляет 1,5-2,2 от длины нависающей части заряда. Диаметр основания конического участка составляет 1,8-2,2 от диаметра канала. Между торцом заряда и сопловым днищем предусмотрен зазор, равный 0,1-0,2 от длины нависающей части заряда со стороны заднего торца. Изобретение позволяет повысить надежность ракетного двигателя твердого топлива путем снижения пика давления и тяги в условиях высокого объемного заполнения за счет выбора оптимального соотношения основных конструктивных параметров. 4 ил.

Ракетный двигатель твердого топлива, содержащий сопловой блок, воспламенитель и прочно скрепленный с корпусом заряд твердого топлива с центральным каналом звездообразного сечения и нависающим незабронированным задним торцем, отличающийся тем, что канал заряда имеет со стороны заднего торца местное коническое расширение, основание которого совпадает с плоскостью, ограничивающей заряд, при этом длина конического участка составляет 1,5-2,2 от длины нависающей части заряда, а диаметр основания этого конического участка определен, равным 1,8-2,2 от диаметра канала, причем между торцем заряда и сопловым днищем предусмотрен зазор, равный 0,1-0,2 от длины нависающей части заряда со стороны заднего торца.