ЗАРЯД, СКРЕПЛЕННЫЙ С КОРПУСОМ РДТТ Российский патент 2008 года по МПК F02K9/18 

Изобретение относится к ракетной технике. Объектом изобретения является заряд, скрепленный с корпусом (ЗСК) ракетного двигателя твердого топлива (РДТТ). Его можно использовать в РДТТ с разгорающимся критическим сечением сопла.

При проектировании РДТТ стремятся получать постоянную, практически не зависящую от времени диаграмму тяги P(t) (так называемую П-образную зависимость), позволяющую реализовать максимальное значение КПД двигателя. Известны цилиндрические ЗСК, горящие по торцу цилиндра (см. М.Баррер, А.Жомотт и др. Ракетные двигатели. Оборонгиз, М., 1962., стр.298-303 [1]), в которых реализуется постоянная диаграмма тяги. К недостаткам таких ЗСК можно отнести относительно низкое значение тяги, из-за малой поверхности горения заряда и значительный пассивный вес теплозащитного покрытия, необходимого для исключения интенсивного нагрева стенок камеры сгорания. Кроме того, для таких ЗСК характерны существенные перемещения центра тяжести двигателя во время горения.

К аналогам также можно отнести цилиндрические канальные ЗСК, в которых горение происходит от канала к стенке корпуса (см. Ю.М.Милехин, А.Н.Ключников, В.И.Калашников и др. «Заряд, скрепленный с корпусом РДТТ». Патент РФ, №2192554 от 10.11.2002 г. [2] и В.И.Цуцуран, Н.В.Петрухин, С.А.Гусев «Военно-технический анализ состояния и перспективы развития ракетных топлив». Министерство обороны РФ, Москва, 1999 г., стр.321-325 [3]). Эти ЗСК частично лишены вышеуказанных недостатков. Как правило, канальные заряды горят прогрессивно, поэтому для получения постоянной диаграммы тяги в таких зарядах увеличивают начальную площадь поверхности горения с применением различных компенсирующих углублений и выемок в канале заряда. Однако заполнение твердым топливом корпуса РДТТ (характеризуемое коэффициентом объемного заполнения Коб=Vзар/Vкорп, где Vзар и Vкорп объемы, занимаемые зарядом и корпусом соответственно) остается небольшим (Коб=0,8...0,9), что в целом снижает массовое совершенство РДТТ.

Наиболее близким к данному изобретению принят телескопический заряд (см. В.И.Цуцуран, Н.В.Петрухин, С.А.Гусев «Военно-технический анализ состояния и перспективы развития ракетных топлив». Министерство обороны РФ, Москва, 1999 г., стр.321-325), выбранный в качестве прототипа. Выбор обусловлен тем, что такой заряд может обеспечивать постоянство диаграммы тяги P(t) при постоянном критическом сечении сопла. Однако в настоящее время часто используются разгораемые сопла, которые дешевле обычных и применяются в РДТТ с высокотемпературными продуктами сгорания, способными размывать любые современные жаропрочные материалы, из которых изготавливаются критические сечения сопел. Поэтому применение прототипа не позволяет решить проблему постоянства тяги для РДТТ с разгорающимся во время работы критическим сечением сопла. Кроме того, в таких ЗСК реализуется недостаточно большой коэффициент Коб=0,84 [3]. Массовое совершенство такого заряда также невелико из-за большой массы теплозащитного покрытия, необходимого для защиты корпуса. Для обеспечения концентричного крепления внутреннего телескопического элемента в таких зарядах используют центральный пассивный стержень или сопловые решетки, наличие которых также увеличивает пассивную массу РДТТ. Для удлиненных телескопических зарядов к концу горения имеют место разрушения из-за тонкого остаточного свода горения и потери импульса тяги, вызванные вылетом осколков заряда за пределы сопла.

Технической задачей изобретения является создание ЗСК, который можно использовать в РДТТ с разгорающимся критическим сечением сопла. В таком РДТТ должна быть обеспечена практически постоянная кривая тяги P(t), исключена возможность разрушений заряда в конце горения и использована минимально возможная пассивная масса теплозащитного покрытия. При этом будет обеспечен более высокий коэффициент заполнения корпуса топливом по сравнению с прототипом.

Поставленная задача решается тем, что в заряде, скрепленном с корпусом ракетного двигателя твердого топлива, содержащем топливный элемент (ТЭ), концентрически расположенным в канале заряда, ТЭ изготовлен в виде цилиндра, консольно закрепленного в донной части канала. ТЭ дополнительно крепится к каналу заряда с помощью продольных перемычек из твердого топлива, имеющих ширину больше или равную удвоенному своду горения ТЭ. В торце ТЭ концентрически выполнена выточка глубиной до половины длины ТЭ. В районе сопловой части канала ЗСК выполнены радиальные, равномерно расположенные по окружности канала конусообразные углубления такого размера, что начальная площадь Sнач поверхности горения ЗСК не превышает средней площади поверхности горения Scp за полное время работы.

Отличительные признаки изобретения позволяют реализовать следующие преимущества перед прототипом. ТЭ изготовлен в виде консольно закрепленного цилиндра в донной части канала и дополнительно крепится к каналу заряда с помощью продольных перемычек из твердого топлива. Такое изготовление позволяет отказаться от крепления ТЭ с использованием центрального пассивного стержня или сопловой решетки, увеличивающих пассивную массу РДТТ. Использование консольного закрепления ТЭ и дополнительных крепящих продольных перемычек позволяет получить высокую степень заполнения корпуса топливом по сравнению с прототипом. Кроме того, наличие дополнительного крепления ТЭ перемычками из твердого топлива, выгорающими дегрессивно, позволяет снизить прогрессивный рост во времени кривой тяги P(t). Ширина этих перемычек, больше или равная удвоенному своду горения ТЭ, позволяет удерживать ТЭ в первоначальном положении до конца горения ТЭ. В момент выгорания ТЭ на зависимости тяги P(t) реализуется пик тяги, превышающий максимальное значение тяги за время работы РДТТ. Поэтому в торце ТЭ концентрически выполнена выточка глубиной до половины длины ТЭ. Горение топлива в этой выточке позволяет почти в два раза снизить площадь поверхности горения ТЭ в этот момент и соответственно снизить максимальное значение пика P(t) в момент полного выгорания ТЭ. Глубина выточки не превышает половины длины ТЭ. В противном случае к концу горения ТЭ может изменить свое первоначальное концентрическое расположение относительно оси РДТТ и разрушиться. В районе сопловой части канала ЗСК выполнены радиальные, равномерно расположенные по окружности канала, конусообразные углубления. Они увеличивают начальную площадь Sнач поверхности горения ЗСК. Изготовление конусообразных углублений технологически намного проще изготовления кольцевых проточек или углублений другой формы. Кроме того, при одинаковой дополнительной начальной площади конусообразные углубления обеспечивают больший коэффициент заполнения корпуса. В данной конструкции этот коэффициент составляет Коб=0,93...096, вместо Коб=0.84 в прототипе. При этом значение начальной площади Sнач поверхности горения ЗСК не превышает средней площади поверхности горения Scp, рассчитанной за полное время работы ЗСК, и выбирается в зависимости от скорости разгара критического сечения сопла. В этом случае зависимость поверхности горения от времени при работе РДТТ становится прогрессивной, что компенсируется увеличением критического сечения сопла, и этим достигается приблизительно постоянная зависимость тяги от времени P(t). Таким образом, предлагаемый ЗСК позволяет использовать более дешевые и надежные разгораемые сопла. Описанные выше отличительные признаки увеличивают прочность и работоспособность ЗСК.

На Фиг.1 показан общий вид ЗСК в составе РДТТ с разгорающимся соплом 5. Заряд из твердого топлива 1 скреплен с корпусом типа «кокон», облицованным изнутри теплозащитным покрытием 8. Топливный элемент (ТЭ) 2 дополнительно крепится к каналу заряда 4 с помощью продольных перемычек 7 из твердого топлива. В торце ТЭ концентрически выполнена выточка 3. В районе сопловой части канала ЗСК выполнены радиальные равномерно расположенные по окружности конусообразные углубления 6.

Работа ЗСК показана на следующем примере. В корпусе типа «кокон» твердое топливо 1 прикрывает большую часть внутренней поверхности корпуса, что обеспечивает стойкость к прогарам стенок корпуса при минимально возможной массе теплозащитного покрытия 8 и увеличивает коэффициент заполнения корпуса. Размеры ТЭ и конусообразных радиальных углублений 6, в районе сопловой части канала 4, выбраны так, что начальная площадь поверхности горения Sнач составляет 80% от средней поверхности горения Scp за полное время работы. ЗСК работает следующим образом. После срабатывания воспламенителя заряд загорается и его поверхность горения начинает увеличиваться. На Фиг.2 показаны графики изменений тяги P(t) при работе ЗСК с концентрической выточкой 3 в торце ТЭ, глубина которой равна половине длины ТЭ (сплошная линия), и без такой выточки (пунктир). Реализуется прогрессивная зависимость поверхности от свода горения, которая частично компенсируется увеличением критического сечения разгораемого сопла. Этим достигается близкая к П-образной зависимость тяги от времени P(t). Когда свод горения в районе выточки смыкается, то происходит исчезновение части поверхности горения ТЭ. После этого в момент выгорания ТЭ реализуется пик тяги, существенно меньший по сравнению с пиком на кривой P(t) при отсутствии выточки.

С использованием описанных технических решений были спроектированы, изготовлены и испытаны ЗСК в составе крупногабаритных РДТТ с разгораемыми соплами. Огневые стендовые испытания этих РДТТ прошли с положительным результатом и подтвердили работоспособность выбранной конструкции ЗСК.

Заряд, скрепленный с корпусом ракетного двигателя твердого топлива, содержит элемент, концентрически расположенный в канале заряда. Элемент изготовлен в виде консольно закрепленного цилиндра в донной части канала и дополнительно крепится к каналу заряда с помощью продольных перемычек из твердого топлива. Продольные перемычки имеют ширину больше или равную удвоенному своду горения элемента. В торце элемента концентрически выполнена выточка глубиной до половины его длины. В районе сопловой части канала заряда выполнены радиальные, равномерно расположенные по окружности канала конусообразные углубления. Конусообразные углубления имеют такой размер, что начальная площадь поверхности горения заряда не превышает средней площади поверхности горения заряда за полное время работы. Изобретение позволяет обеспечить постоянную кривую тяги, исключить возможность разрушения заряда в конце горения, а также снизить пассивную массу теплозащитного покрытия. 2 ил.

Заряд, скрепленный с корпусом ракетного двигателя твердого топлива, содержащий элемент, концентрически расположенный в канале заряда, отличающийся тем, что элемент изготовлен в виде консольно закрепленного цилиндра в донной части канала и дополнительно крепится к каналу заряда с помощью продольных перемычек из твердого топлива, имеющих ширину больше или равную удвоенному своду горения элемента, а в торце элемента концентрически выполнена выточка глубиной до половины его длины, причем в районе сопловой части канала заряда выполнены радиальные, равномерно расположенные по окружности канала конусообразные углубления такого размера, что начальная площадь поверхности горения заряда не превышает средней площади поверхности горения заряда за полное время работы.