ВЫСОТНОЕ СОПЛО ЛАВАЛЯ Российский патент 2008 года по МПК F02K1/36 

Предлагаемое изобретение относится к области ракетостроения и может найти применение, в частности, в однокамерных и многокамерных жидкостных ракетных двигателей первой и второй ступеней.

Известно высотное круглое сопло с изломом контура, состоящее из круглого сопла и высотного круглого насадка, в месте стыка которых имеется глухая кольцевая щель с коллектором за глухим торцом для вдува дополнительного газа (см. патент Германии №3820322 С2, МПК F02К 9/97, 1987).

Недостатком известного сопла является закрытый торец кольцевой щели, который препятствует передаче атмосферного давления через щель внутрь сопла, что ухудшает тяговые характеристики двигателя на режимах перерасширения газа в сопле. Это связано с тем, что при подъеме ракеты на высоту и снижении атмосферного давления для удержания скачков уплотнения на кромке земного сопла требуется все большее количество вдуваемого газа, которого не обеспечивает данный механизм вдува газа. В связи с этим скачки с кромки земного сопла уходят раньше, чем давление газа на кромке сравняется с атмосферным. В результате вновь наступает перерасширение газа внутри высотного насадка.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является высотное сопло Лаваля, содержащее круглое сопло и соосно с ним установленный круглый высотный насадок, соединенные друг с другом с образованием кольцевой щели, и размещенный перед или в последней коллектор вдува дополнительного газа, имеющий выпускные трубки с установленными в нем жиклерами (см. патент США 3463402, МПК F02К 1/12, 1969).

Недостатком известного сопла является недостаточно высокий средний по траектории удельный импульс двигательной установки летательного аппарата.

Задачей настоящего изобретения является повышение среднего по траектории удельного импульса двигательной установки летательного аппарата.

Поставленная задача решается за счет того, что в высотном сопле Лаваля, содержащем круглое сопло и соосно с ним установленный круглый высотный насадок, соединенные друг с другом с образованием кольцевой щели, и размещенный перед или в последней коллектор вдува дополнительного газа, имеющий выпускные трубки с установленными в нем жиклерами, согласно изобретению в кольцевой щели установлена перегородка, по периметру которой выполнены отверстия в форме пазов, при этом высота кольцевой щели равна h_щ=(0,2-0,4)r_кр, где r_кр - радиус критического сечения круглого сопла, радиус на срезе круглого сопла равен r_а=(3-7)r_кр, радиус на срезе высотного насадка равен r_н=(6-15)r_кр, а жиклеры выполнены с площадью выходного сечения, позволяющей осуществлять дополнительный вдув газа с расходом не более 5% от расхода основного газа, вытекающего из круглого сопла.

Поставленная задача решается также за счет того, что высотное сопло Лаваля может быть выполнено с дополнительной второй кольцевой щелью, расположенной коаксиально первой, а общая высота двух кольцевых щелей равна h_общ.щ=(0,2-0,4)r_кр.

Поставленная задача решается также за счет того, что высотное сопло Лаваля может быть снабжено, по меньшей мере, одним дополнительным круглым, высотным насадком, расположенным коаксиально первому и соединенным с ним с образованием кольцевой щели.

Поставленная задача решается также за счет того, что в высотном сопле Лаваля каждый круглый высотный насадок выполнен с цилиндрическим участком, смещенным в сторону круглого сопла с перекрытием части его поверхности или поверхности предыдущего круглого высотного насадка, а щель расположена между внутренней поверхностью цилиндрического участка и наружной поверхностью круглого высотного насадка.

Поставленная задача решается также за счет того, что профиль каждого круглого высотного насадка является продолжением профиля круглого сопла.

На фиг.1 изображено продольное сечение высотного сопла Лаваля.

На фиг.2 изображен узел подвода дополнительного газа.

На фиг.3 изображено поперечное сечение высотного сопла Лаваля в месте соединения круглого сопла с круглым высотным насадком.

На фиг.4 изображено продольное сечение высотного сопла Лаваля с двумя кольцевыми щелями, расположенными коаксиально.

На фиг.5 изображено продольное сечение высотного сопла Лаваля с гладким контуром.

На фиг.6 изображено продольное сечение высотного сопла Лаваля с изломом контура.

На фиг.7 изображено продольное сечение высотного сопла Лаваля со смещенным контуром.

На фиг.8 представлена высотная характеристика высотного сопла Лаваля.

На фиг.9 приведен график зависимости прироста тяги высотного сопла Лаваля от режима его работы.

Высотное сопло Лаваля содержит круглое сопло 1 и соосно с ним установленный круглый высотный насадок 2, соединенные друг с другом с образованием кольцевой щели 3. Коллектор 4 вдува дополнительного газа размещен перед или в кольцевой щели 3 и имеет выпускные трубки 5 с установленными в нем жиклерами 6. Коллектор 4 вдува дополнительного газа выполнен в виде тора. Каждая выпускная трубка 5 установлена параллельно оси сопла Лаваля.

В кольцевой щели 3 установлена перегородка 12, по периметру которой выполнены отверстия в форме пазов 7. Высота кольцевой щели 3 равна h_щ=(0,2-0,4)r_кр, где r_кр - радиус критического сечения круглого сопла 1. Радиус на срезе круглого сопла 1 - r_а=(3-7)r_кр, а радиус на срезе высотного насадка равен r_н=(6-15)r_кр. Жиклеры 6 выполнены с площадью выходного сечения, позволяющей осуществлять дополнительный вдув газа с расходом не более 5% от расхода основного газа, вытекающего из круглого сопла 1.

Высотное сопло Лаваля может быть выполнено с дополнительной второй кольцевой щелью 8, расположенной коаксиально первой. Общая высота двух кольцевых щелей 3, 8 равна h_общ.щ=(0,2-0,4)r_кр.

Высотное сопло Лаваля может быть снабжено, по меньшей мере, одним дополнительным круглым высотным насадком 9, расположенным коаксиально первому 2 и соединенным с ним с образованием кольцевой щели 10.

В высотном сопле Лаваля каждый круглый высотный насадок 2, 9 может быть выполнен с цилиндрическим участком 11, смещенным в сторону круглого сопла 1 с перекрытием части его поверхности или поверхности предыдущего круглого высотного насадка 2. Щель 3, 10 расположена между внутренней поверхностью цилиндрического участка 11 и, соответственно, между наружной поверхностью круглого сопла 1 или круглого высотного насадка 2.

Высотное сопло Лаваля может быть выполнено так, что профиль каждого круглого высотного насадка 2, 9 является продолжением профиля круглого сопла 1 или выполнено с изломом контура.

Радиус на срезе круглого сопла 1 выбран равным r_а/r_кр=3÷7, а радиус на срезе круглого высотного насадка 2 - r_н/r_кр=6÷15, где r_а - радиус на срезе сопла 1, r_н - радиус на срезе насадка, r_кр - радиус критического сечения круглого сопла 1.

При радиусе на срезе круглого сопла 1, равном r_а/r_кр<3, и радиусе на срезе круглого высотного насадка 2, равном r_н/r_кр<6, выигрыш удельного импульса по траектории полета будет небольшой, так как из-за уменьшения степени расширения высотного сопла с изломом контура сузится диапазон изменения атмосферного давления, при котором происходит регулирование высотности.

При радиусе на срезе круглого сопла 1, равном r_а/r_кр>7, и радиусе на срезе круглого высотного насадка 2, равном r_н/r_кр>15, произойдет утяжеление конструкции двигателя из-за слишком большого увеличения габаритов сопла.

При высоте кольцевой щели 3 - h_щ<0.2r_кр не будет обеспечен подвод внутрь сопла достаточного количества атмосферного воздуха, в результате чего быстро уйдет с кромки круглого сопла 1 скачок уплотнения и вновь наступит перерасширение газа в высотном сопле Лаваля.

При высоте кольцевой щели 3 - h_щ>0,4r_кр возникнут слишком большие потери тяги при работе сопла с изломом контура на большой высоте из-за вытекания основного газа через щель.

При вдуве газа больше 5% от расхода основного газа возникнут внутри сопла газодинамические потери из-за смешения двух больших струй газа.

Высотное сопло Лаваля работает следующим образом.

При старте ракеты-носителя с Земли и полете ее в плотных слоях атмосферы внешнее давление превышает внутреннее в зоне излома контура, в результате чего атмосферное давление через открытый торец кольцевой щели 3 передается внутрь сопла. В этом случае за счет передачи атмосферного давления и дополнительного вдува на срезе круглого сопла 1 происходит принудительный отрыв потока газа. Благодаря отрыву потока в высотном сопле Лаваля уменьшается перерасширение газа. Круглый высотный насадок 2 за кольцевой щелью 3 как бы отключается (он не создает тягу и не вносит потерь), в результате высотное сопло Лаваля работает близко к расчетному режиму.

Кроме того, на старте ракеты и полете ее вблизи Земли вдув газа в открытый торец кольцевой щели 3 способствует привлечению большего количества воздуха за счет его эжекции.

При полете в верхних слоях атмосферы и снижении внешнего давления скачок уплотнения уходит с кромки круглого сопла 1 и садится на срез круглого высотного насадка 2. В этом случае круглый высотный насадок 2 включается в работу и высотное сопло Лаваля работает полностью.

При работе сопла на большой высоте организация вдува дополнительного газа в кольцевую щель 3 повышает донное давление в месте излома контура, в результате чего существенно снижаются потери тяги на расчетном режиме.

Благодаря последовательному включению в работу отдельных круглых высотных насадков 2, 9, высотная характеристика высотного сопла Лаваля близка к характеристике сопла с непрерывно регулируемой высотностью.

На фиг.8 представлена высотная характеристика высотного сопла Лаваля от режима его работы. По оси ординат отложен прирост тяги сопла, отнесенный к тяге гладкого круглого сопла, а по оси абсцисс - высота полета ракеты. Из графика видно, что при использовании предлагаемого высотного сопла Лаваля обеспечивается прирост тяги в широком диапазоне изменения высоты полета летательного аппарата.

Расчеты показывают, что в высотном сопле Лаваля по сравнению с гладким соплом с давлением на срезе р_а=0.06 МПа выигрыш тяги в космосе может составить 7-9% за счет увеличения геометрической степени расширения. Тяги же круглого сопла с давлением на срезе р_а=0.06 МПа и высотного сопла Лаваля с изломом контура при их работе на Земле одинаковые, так как контур земного сопла и контур высотного сопла Лаваля до излома рассчитаны на одинаковую степень расширения (фиг.8).

На фиг.9 представлен графики зависимости прироста тяги высотного сопла Лаваля (где: график «а» - для сопла Лаваля с одной щелью, график «б» - для сопла Лаваля с двумя щелями) от режима его работы. По оси ординат отложен прирост тяги высотного сопла Лаваля, отнесенный к тяге идеально регулируемого круглого сопла 1, а по оси абсцисс - отношение давлений окружающей среды и истекающей струи газа. Из графика видно, что при использовании предлагаемого высотного сопла Лаваля обеспечивается прирост тяги в широком диапазоне изменения высоты полета летательного аппарата.

Принцип работы щелевого сопла с гладким контуром (фиг.5) аналогичен работе высотного сопла Лаваля с изломом контура (фиг.1).

При работе в плотных слоях атмосферы высотного сопла Лаваля со смещенным по оси контуром каждого круглого высотного насадка 2, 9 в сторону круглого сопла 1 (фиг.7) скачок уплотнения на кромке круглого сопла 1 будет находиться до тех пор, пока давление газа на кромке круглого сопла 1 не сравняется с атмосферным. В этом случае перерасширение газа в круглых высотных насадках 2, 9 полностью снимается. Тогда в плотных слоях атмосферы высотное сопло Лаваля или высотное сопло Лаваля с гладким контуром работают как круглое сопло 1. На высоте - они работают как высотное сопло за счет последовательного включения в работу круглых высотных насадков 2, 9. При этом за счет вдува дополнительного газа они имеют небольшие потери тяги из-за смещения контура.

В зависимости от назначения двигателя (устанавливается ли он на 1-ю ступень ракеты или на 2-ю ступень) выбирается тот или иной контур сопла.

Например, двигатель с высотным соплом Лаваля с изломом контура может быть установлен на 1-ю ступень ракеты. В этом случае на старте ракеты с Земли тяга двигателя будет максимальная, так как контур высотного сопла до излома полностью совпадает с контуром земного сопла, а на высоте он будет иметь небольшие потери тяги из-за излома контура (фиг.8).

Двигатель с высотным соплом Лаваля с гладким контуром может быть установлен на 2-ю ступень ракеты. В этом случае при старте ракеты с Земли будут незначительные потери тяги из-за несовпадения контуров круглого и высотного сопел (из-за увеличения угла раскрытия сопла контур высотного сопла будет располагаться выше контура круглого сопла). В верхних же слоях атмосферы двигатель будет работать на расчетном режиме, так как контур высотного сопла Лаваля с кольцевой щелью полностью совпадает с контуром гладкого высотного сопла. Кроме того, за счет вдува дополнительного газа давление за щелью 3 повысится, благодаря этому потери будут минимальны (фиг.8).

Предлагаемое изобретение обеспечивает возможность увеличения полезного груза, выводимого летательным аппаратом на Орбиту, или дальности полета за счет прироста тяги двигателя, все это, несомненно, дает экономический эффект.

Высотное сопло Лаваля содержит круглое сопло и соосно с ним установленный круглый высотный насадок, соединенные друг с другом с образованием кольцевой щели, и размещенный перед или в последней коллектор вдува дополнительного газа. Коллектор вдува дополнительного газа имеет выпускные трубки с установленными в нем жиклерами. В кольцевой щели установлена перегородка, по периметру которой выполнены отверстия в форме пазов. Высота кольцевой щели равна h_щ=(0,2-0,4)r_кр, где r_кр - радиус критического сечения круглого сопла. Радиус на срезе круглого сопла r_а=(3-7)r_кр. Жиклеры выполнены с площадью выходного сечения, позволяющей осуществлять дополнительный вдув газа с расходом не более 5%. Изобретение позволяет повысить средний по тракту удельный импульс двигательной установки летательного аппарата. 4 з.п. ф-ла, 9 ил.

1. Высотное сопло Лаваля, содержащее круглое сопло и соосно с ним установленный круглый высотный насадок, соединенные друг с другом с образованием кольцевой щели, и размещенный перед или в последней коллектор вдува дополнительного газа, имеющий выпускные трубки с установленными в нем жиклерами, отличающееся тем, что в кольцевой щели установлена перегородка, по периметру которой выполнены отверстия в форме пазов, при этом высота кольцевой щели равна h_щ=(0,2-0,4)r_кр, где r_кр - радиус критического сечения круглого сопла, радиус на срезе круглого сопла r_а=(3-7)r_кр, радиус на срезе высотного насадка равен r_н=(6-15)r_кр, а жиклеры выполнены с площадью выходного сечения, позволяющей осуществлять дополнительный вдув газа с расходом не более 5% от расхода основного газа, вытекающего из круглого сопла.2. Высотное сопло Лаваля по п.1, отличающееся тем, что оно выполнено с дополнительной второй кольцевой щелью, расположенной коаксиально первой, а общая высота двух кольцевых щелей равна h_общ.щ.=(0,2-0,4)r_кр.3. Высотное сопло Лаваля по п.1, отличающееся тем, что оно снабжено, по меньшей мере, одним дополнительным круглым высотным насадком, расположенным коаксиально первому и соединенным с ним с образованием кольцевой щели.4. Высотное сопло Лаваля по п.3, отличающееся тем, что каждый круглый высотный насадок выполнен с цилиндрическим участком, смещенным в сторону круглого сопла с перекрытием части его поверхности или поверхности предыдущего круглого высотного насадка, а щель расположена между внутренней поверхностью цилиндрического участка и наружной поверхностью круглого сопла или соответствующего круглого высотного насадка.5. Высотное сопло Лаваля по п.3, отличающееся тем, что профиль каждого круглого высотного насадка является продолжением профиля круглого сопла.