СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ТЯГОЙ РАКЕТНОГО ДВИГАТЕЛЯ НА ТВЕРДОМ ТОПЛИВЕ И ЗАРЯД ТВЕРДОГО ТОПЛИВА Российский патент 2008 года по МПК F02K9/95 

Изобретение относится к ракетным двигателям на твердом топливе (РДТТ).

Известен ряд способов управления тягой РДТТ по команде системы управления (СУ). К ним относятся способы, обеспечивающие многократное включение и командное регулирование. Например, многократное включение РДТТ осуществляется за счет нескольких воспламенительных устройств (ВУ), помещенных в обособленные корпуса [см., Фахрутдинов И.Х., Котельников А.В. Конструкция и проектирование ракетных двигателей на твердом топливе: Учебник для машиностроительных вузов.- М.: Машиностроение, 1987, стр.253], а многократное гашение происходит от устройств подачи хладагента в камеру сгорания (КС) двигателя [см. Абугов Д.И., Бобылев В.М. Теория и расчет ракетных двигателей твердого топлива: Учебник для машиностроительных вузов. - М.: Машиностроение, 1987, стр.173] или с помощью таблетизированных (многосекционных) зарядов [см. Абугов Д.И., Бобылев В.М. Теория и расчет ракетных двигателей твердого топлива: Учебник для машиностроительных вузов. - М.: Машиностроение, 1987, стр.172; Фахрутдинов И.Х., Котельников А.В. Конструкция и проектирование ракетных двигателей на твердом топливе: Учебник для машиностроительных вузов.- М.: Машиностроение, 1987, стр.252]. Командное регулирование тяги возможно при использовании кольцевых сопл с центральным телом [см. Абугов Д.И., Бобылев В.М. Теория и расчет ракетных двигателей твердого топлива: Учебник для машиностроительных вузов. - М.: Машиностроение, 1987. стр.176] или при подаче вторичного газа в минимальное сечение сопла, что приводит к поджатию основного потока [см. Фахрутдинов И.Х., Котельников А.В. Конструкция и проектирование ракетных двигателей на твердом топливе: Учебник для машиностроительных вузов. - М.: Машиностроение, 1987, стр.250]. Комбинация перечисленных методов позволяет получить командное регулирование тяги с многократным включением, но наличие вспомогательных узлов и агрегатов снижает энергетическую и массовую эффективность двигателя.

Наиболее близким из известных способов управления тягой РДТТ является способ, заключающийся в подаче инициирующего импульса по команде системы управления на воспламенение таблетки твердого топлива, входящей в состав заряда [см. Абугов Д.И., Бобылев В.М. Теория и расчет ракетных двигателей твердого топлива: Учебник для машиностроительных вузов. - М.: Машиностроение, 1987, стр.172].

Наиболее близким устройством является заряд твердого топлива, состоящий из разделенных между собой теплозащитным покрытием таблеток твердого топлива, воспламеняемых от индивидуального ВУ [см. Абугов Д.И., Бобылев В.М. Теория и расчет ракетных двигателей твердого топлива: Учебник для машиностроительных вузов. - М.: Машиностроение, 1987, стр.172].

Недостатком известного способа управления тягой РДТТ является отсутствие командного регулирования тяги по величине и низкая глубина регулирования длительностью импульса тяги, поскольку горение таблеток, воспламененных от индивидуального ВУ таблетизированного заряда из твердого топлива (ТТ), осуществляется строго по очереди, либо с временной задержкой с образованием единичных импульсов тяги, из которых набирается итоговая циклограмма работы РДТТ.

К недостаткам существующего устройства можно отнести наличие балластного, с точки зрения энергетики топлива, теплозащитного покрытия (ТЗП) в заряде, масса которого растет с увеличением числа таблеток ТТ, так как таблетизированный заряд торцевого горения состоит из отдельных таблеток ТТ, разделенных между собой слоями ТЗП.

Задачей изобретения является разработка нового способа управления тягой РДТТ с техническим результатом в виде командного регулирования модуля вектора тяги по времени наряду с многократным включением и устройства - заряда твердого топлива с координатной системой локального воспламенения. Техническим результатом является отсутствие балластного использования слоев теплозащитного покрытия, с точки зрения энергетики топлива, процесс воспламенения и разрушения свода твердого топлива, диспергирование происходит только по команде системы управления, при этом возможно как локальное, так и объемное воспламенение заряда при минимальном количестве токопроводящих шин, обеспечение термостатирования заряда без организации специальных узлов. И, кроме того, данные изобретения позволяют расширить арсенал технических средств.

Поставленная задача решается тем, что в предложенном способе управления тягой ракетного двигателя на твердом топливе, заключающемся в подаче инициирующего импульса по команде системы управления на воспламенение таблетки твердого топлива, входящей в состав заряда, в соответствии с изобретением подачу инициирующих импульсов по командам системы управления осуществляют через каскад распределительных устройств и координатную, адресную систему локального воспламенения на входящие в состав заряда таблетки твердого топлива, с возможностью их одновременного воспламенения с диспергированием, в таком количестве, которое необходимо для обеспечения требуемого уровня тяги в течение заданного интервала времени.

И задача создания нового устройства с требуемыми характеристиками решается тем, что заряд твердого топлива, состоящий из разделенных между собой теплозащитным покрытием таблеток твердого топлива, воспламеняемых от индивидуального воспламенительного устройства, в соответствии с изобретением заряд представляет собой монолит из таблеток твердого топлива, разделенных между собой теплозащитным покрытием и объединенных в плоскопараллельные слои, в состав каждой таблетки твердого топлива входит часть полимерной подложки слоя, на которой в качестве индивидуального воспламенительного устройства закреплен электроуправляемый нагревательный элемент и соприкасающаяся с ним гранула окислителя, а каждая полимерная подложка слоя имеет координатную, адресную систему локального воспламенения из токопроводящих шин и соединенных между собой с их помощью электроуправляемых нагревательных элементов таблеток твердого топлива, так чтобы на каждый электроуправляемый нагревательный элемент приходилось по две токопроводящие шины, соединяющие его с источником электропитания и системой управления через каскад распределительных устройств.

Далее сущность изобретения поясняется более подробно с использованием поясняющих чертежей, где на фиг.1 показан общий вид заряда в корпусе возможного РДТТ, на фиг.2 - слои заряда, на фиг.3 - принципиальная электрическая схема заряда, фиг.4 - принцип формирования команды СУ на воспламенение требуемой таблетки твердого топлива, на фиг.5 - профиль температуры по толщине слоя при прогреве от ВУ (запуск), на фиг.6 - профиль температуры по толщине слоя при прогреве от продуктов сгорания (ПС) (гашение), фиг.7 - принцип моделирования циклограммы работы.

В возможный корпус 1 регулируемого РДТТ (см. фиг.1) помещен заряд 2, в переднем днище предусмотрен разъем 3. Заряд ТТ набран из одинаковых слоев 4 (см. фиг.2), условно состоящих из таблеток ТТ 5, разделенных ТЗП 6 и «каскада» распределительных устройств (РУ).

В состав таблетки твердого топлива 5 входит часть полимерной подложки 7, например выполненной из полимерной пленки (полиэтилентерефталат, поливинилхлорид), толщиной 50-500 мкм, на которой закреплен электроуправляемый нагревательный элемент 8, например широко применяемый в электронике пленочный резистор, изготовленный из резистивной пасты на основе смолы, графита или окиси алюминия, и соприкасающаяся с ним гранула окислителя 9, в качестве которого могут быть использованы типовые окислители ТТ, например перхлорат аммония. На полимерной подложке 7 слоя 4 нанесена координатная система локального воспламенения топлива организованная, из токопроводящих шин 10, например из токопроводящей пасты на основе смолы, серебра или алюминия, и соединенных между собой с их помощью электроуправляемых нагревательных элементов 8, все шины соединены через каскад РУ и разъем 3 с СУ 11 и общим источником электропитания 12. Итак, часть полимерной подложки 7 с электроуправляемым нагревательным элементом 8 и гранула окислителя 9 образуют таблетку ТТ 5 - структурную единицу заряда ТТ.

Все таблетки ТТ 5 разделены ТЗП 6, в качестве которого может быть использован, например, эластомер (каучук), реактопласт (смола) или термопласт (поливинилхлорид), который выполняет функции ТЗП от ПС предыдущего слоя и одновременно горючего-связующего, которое склеивает соседние слои в единый заряд.

Каждый слой 4 имеет «каскад» РУ, расположенный на периферии или в части ТЗП заряда, отнесенной к слою. В зависимости от количества таблеток ТТ 5 в заряде 2 и их разбивки на слои 4, а так же от выбранных электрических схем РУ «каскад» РУ может различаться как по числу используемых РУ, так и по их компоновке, но для всех случаев его можно представить состоящим из нескольких функциональных групп или уровней РУ, различающихся по способу преобразования исходной команды СУ. Для примера остановимся на «каскаде» РУ, состоящем из двух уровней, где одно РУ первого уровня 13 и четыре РУ второго уровня 14, 15, 16, 17 (см. фиг.3). В общем случае соединение всех РУ между собой и с электроуправляемыми нагревательными элементами 8 осуществляется токопроводящими шинами 10 различного назначения, что позволяет применять различную ширину шлейфа или состав токопроводящей пасты. По назначению токопроводящие шины 10 подразделяются на силовые, управляющие и шины разрешения (стробирования) и на фиг.3 выделены линиями различного типа тонкой сплошной, штриховой и штрихпунктирной линией соответственно.

Собранные в единый пакет слои образуют командно-диспергируемый заряд (КДЗ) 2, отраженный на фиг.1. При этом шины, соединяющие слои топлива, проложены в ТЗП камеры сгорания (КС), нанесенного на заряде, например, из материала ТЗП, разделяющего таблетки ТТ, и выведены на разъем 3 на переднем днище двигателя.

Например, для воспламенения таблетки ТТ 5 необходимо подать инициирующий импульс на силовые токопроводящие шины 18 и 19, на пересечении которых расположен электроуправляемый нагревательный элемент 8. При этом на пересечении токопроводящих шин 18 и 19 происходит суммирование токов и реализуется максимальное тепловыделение. Важно отметить, что после воспламенения таблетки ТТ 5 электрическая цепь, включающая электроуправляемый нагревательный элемент 8, не нарушается.

Способ управления тягой ракетного двигателя на твердом топливе осуществляется следующим образом. Для обеспечения требуемого уровня тяги от двигателя в течение заданного интервала времени СУ определяет количество таблеток ТТ или слоев для последующего воспламенения, а так же их местоположение в заряде. После чего СУ генерирует команды на воспламенение необходимого числа таблеток или слоев с определенной скважностью по времени в зависимости от характера горения таблеток ТТ или слоев в КС.

Команда СУ - это набор логических "1" и "0" двоичной системы. При этом "1" и "0" - это "да" и "нет", представленные электрическими импульсами с напряжением +5 В и 0 В соответственно. На «каскад» РУ команда СУ может поступать параллельно по нескольким токоведущим шинам, при этом число шин равно количеству логических "1" и "0" (см. фиг.3), или последовательно по одной токопроводящей шине в случае большой разрядности команды.

Далее описывается и поясняется конкретный пример реализации способа. В случае реализации параллельной подачи набора логических "1" и "0" все РУ первого уровня, например, РУ 13 первого слоя топлива, обеспечивают преобразование команды СУ, пришедшей на N число входящих шин, в команду, выходящую из не более чем 2^N числа шин. Данная задача увеличения разрядности команды СУ решается одним или несколькими демультиплексорами, которые образуют РУ первого уровня 13. Преобразованная команда СУ от РУ первого уровня 13 передается по управляющим шинам (выделенным на фиг.3 штриховой линией) на РУ второго уровня 14-17, например, состоящих из одного или нескольких демультиплексоров. Каждое РУ второго уровня считывает часть входящей преобразованной команды СУ, распределенной между ними, при этом подается логическая "1" на шину, входящую в силовую часть РУ, номер которой закодирован в пришедшей части преобразованной команды СУ. В силовой части РУ второго уровня каждая шина, на которую может быть подана логическая "1" или "0" подключена к базе транзистора, например транзистора 20 РУ 14, подключенного к силовой токопроводящей шине 18, по которой должен пройти инициирующий импульс. В случае поступления на базу транзистора 20 электрического импульса с напряжением +5 В (т.е. логической "1") транзистор открывается, и силовая электрическая цепь, содержащая электроуправляемый нагревательный элемент 8 таблетки ТТ 5, может быть замкнута, если на противоположном РУ второго уровня 16 транзистор 21, подключенный к силовой токопроводящей шине, открылся таким же образом. То есть транзистор в составе РУ второго уровня играет роль ключа в электрической цепи. Разбивка цепи коммутации электроуправляемого нагревательного элемента 8 таблетки ТТ на управляющую и силовую часть позволяет использовать для воспламенения инициирующий импульс с напряжением свыше 5 В, что существенно упрощает задачу воспламенения таблетки ТТ 5 и повышает ряд технических характеристик заряда ТТ.

Следует отметить, что электроуправляемый нагревательный элемент 8 срабатывает от протекания инициирующего импульса по обеим электрическим цепям, в узле которых он расположен. Таким образом, воспламенение с диспергированием таблетки ТТ 5 возможно при открытии четырех транзисторов, расположенных в силовой части каждого РУ второго уровня и подключенных к силовым токопроводящим шинам 18 и 19.

В представленном исполнении электрической части заряда ТТ команда СУ подается на «каскады» РУ всех слоев одновременно, но срабатывание только требуемой таблетки в пределах слоя топлива обеспечивается подачей логической "1" (входящей в состав команды СУ) на шину разрешения РУ первого уровня (входящую шину стробирования, выделенную штрихпунктирной линией) и, как следствие, на все РУ второго уровня только требуемого слоя. Другими словами, команда СУ, поступающая одновременно на РУ первого уровня каждого слоя топлива, состоит из одинакового количества электрических импульсов (логических "1" и "0"), т.е. имеет одинаковую разрядность. Но отличается на одну логическую "1", подаваемую по шине разрешения на РУ первого уровня заданного слоя, в то время как на входящие шины разрешения других РУ первого уровня поданы логические "0".

Принцип формирования команды СУ на воспламенение требуемой таблетки заключается в следующем (см. фиг.4). Предположим, что требуется воспламенить таблетку 5, для этого необходимо, чтобы инициирующий импульс прошел через токоведущие шины 19 и 20, подключенные к двум транзисторам 20, 21 и 22, 23 соответственно. С этой целью электрические импульсы с напряжением +5 В (т.е. логические "1") должны быть поданы на базы четырех транзисторов, что приведет к замыканию электрических цепей. Часть преобразованной команды СУ, приходящая на вход РУ второго уровня, определяется из условия необходимости подачи логической "1" на требуемую шину в силовой части каждого РУ. Если сумма произведений номера входящей шины РУ на поступающий логический сигнал, пришедшей на эту шину, равна номеру требуемой шины в силовой части РУ, следовательно, часть преобразованной команды СУ, поданная на РУ второго уровня определена верно. Принцип определения показан в таблице.

ТаблицаРУ14РУ15РУ16РУ17номер входаэлектрический импульс (″1″ или ″0″)номер входаэлектрический импульс (″1″ или ″0″)номер входаэлектрический импульс (″1″ или ″0″)номер входаэлектрический импульс (″1″ или ″0″)1"0"1"0"1″1″1″1″2″1″2″1″2"0"2"0"1×"0"+2×"1"=2 логическая "1" подается на шину №2 в силовой части РУ1×"0"+2×"1"=2 логическая "1" подается на шину №1 в силовой части РУ1×"1'+2×"0"=1 логическая "1" подается на шину №1 в силовой части РУ1×"1"+2×"0"=1 логическая "1" подается на шину №2 в силовой части РУ

Алгоритм преобразования исходной команды СУ при параллельной подаче на РУ первого уровня в требуемую преобразованную команду СУ, распределяемую между РУ второго уровня, достаточно сложен и многовариантен для подробного раскрытия в данном описании. Приведенный «каскад» РУ состоит из примитивных, широко применяемых, электронных компонентов и является типичным для аналоговой техники. Подобные «каскады» РУ могут быть использованы в иллюминациях и различных системах, где требуется адресация электрического импульса. Известно так же применение таких систем из РУ в переключателях волн в радиоприемниках. В случае последовательной подачи команды СУ по одной управляющей токопроводящей шине на РУ первого уровня обеспечивается лишь поочередное распределение поступивших на вход РУ первого уровня логических "1" и "0" по выходящим из РУ шинам без увеличения разрядности исходной команды СУ. Следовательно, РУ первого уровня преобразует команду СУ, подаваемую последовательно в параллельную.

Для воспламенения таблетки 5 только первого слоя подается логическая "1" на шину разрешения РУ первого уровня этого слоя, а на шины разрешения РУ первого уровня остальных слоев топлива логический "0".

Итак, после того как на обе электрические цепи, в узле которых расположен электроуправляемый нагревательный элемент 8, подан инициирующий импульс, происходит его нагрев. Выше по тексту отмечалось, что в качестве электроуправляемого нагревательного элемента 8 может быть использован пленочный резистор, который с одной стороны нагревает полимерную подложку 7, а с другой - гранулу окислителя 9. Температура на поверхности гранулы окислителя 9 повышается интенсивней, чем на поверхности полимерной подложки 7 ввиду меньшей температуропроводности первого (см. фиг.5). После выдержки времени задержки порядка 0.02 сек начинается газификация гранулы окислителя 9 внутри замкнутого объема из ТЗП 6 и давление достигает свыше 2-5 ата, что неизбежно приведет к разрушению таблетки ТТ и ТЗП (одной таблетки ТТ слоя с толщиной 200-5000 мкм) и образованию воспламененных частиц - диспергированию таблетки ТТ. Последующий слой КДЗ и соседние невоспламененные таблетки подвержены воздействию ПС диспергированных частиц, догорающих в объеме КС при температуре Т_к в течение времени пребывания порядка 0.003-0.01 сек. Как видно на фиг.6, температура на границе гранулы окислителя 9/ ТЗП 6 не достигает за время воздействия ПС температуры начала газификации (T_{S газ}), следовательно, тепловая защита обеспечена и, если не подавать инициирующий импульс на прогрев электроуправляемого нагревательного элемента (пленочного резистора) другой таблетки ТТ, происходит гашение заряда (отсечка). Другими словами, горение КДЗ осуществляется только по команде СУ.

В случае необходимости воспламенения нескольких таблеток твердого топлива в пределах слоя или нескольких слоев сразу при данном варианте электрической части заряда команда СУ может подаваться на управляющую часть цепи инициирования ВУ, т.е. электроуправляемого нагревательного элемента каждой таблетки ТТ по очереди, с шагом по времени менее 0,000001 сек, что меньше задержки воспламенения таблетки ТТ, как минимум, на четыре порядка. Прогрев в импульсном режиме с реализуемым шагом по времени будет восприниматься таблеткой ТТ как постоянный, вследствие тепловой инерционности нагреваемых элементов. Другими словами, прогрев нескольких таблеток твердого топлива осуществляется практически одновременно.

Повторное включение последующих слоев или таблеток ТТ одного слоя осуществляется аналогично первому, с той лишь разницей, что при релаксации профиля температуры от ПС (Т_рел) произойдет более быстрый прогрев последующего слоя. На разницу во времени будет влиять время паузы между включениями и длина гранулы окислителя в направлении оси КДЗ.

Способ управления тягой ракетного двигателя на твердом топливе осуществляется следующим образом: СУ подает команду на подачу инициирующих импульсов на одну таблетку ТТ (или последовательность команд для группы таблеток ТТ). Срабатывание электроуправляемого нагревательного элемента приводит к воспламенению с диспергированием на частицы одной таблетки ТТ (или группы таблеток ТТ), после сгорания диспергированных топливных частиц образуется повышение давления в КС РДТТ, пропорционально повышению давления от сгорания одной таблетки ТТ после ее диспергирования. Таким образом, для создания потребного импульса тяги необходимо обеспечить подачу инициирующих импульсов на определенное число таблеток ТТ (или слоев) по командам СУ с определенной временной задержкой (см. фиг.7). Чем выше число одновременно диспергированных микрозарядов, тем выше уровень тяги РДТТ, при этом значение суммарного импульса тяги остается пропорционально единичному.

Наши исследования показали, что применение в РДТТ КДЗ позволяет совмещать командное регулирование модуля вектора тяги и многократное включение, при этом благодаря двухфункциональному использованию ТЗП между таблетками появляется возможность не использовать балластные ТЗП в составе заряда. Уменьшение значения единичного импульса тяги с возможностью по сути одновременного воспламенения таблеток ТТ или слоев топлива позволяет осуществлять регулирование результирующего импульса тяги РДТТ по уровню, что отсутствовало в прототипе и времени. На данный момент проработаны основы технологии изготовления КДЗ на базе технологии толстых пленок, которая по предварительным оценкам проще и дешевле технологии изготовления таблетизированных зарядов. Применение предложенного способа управления тягой ракетного двигателя на твердом топливе и заряда ТТ обеспечит превосходство РДТТ с КДЗ в области двигателей управления.

Способ управления тягой ракетного двигателя на твердом топливе заключается в подаче инициирующего импульса по команде системы управления на воспламенение таблеток твердого топлива, входящих в состав заряда. Подачу инициирующих импульсов осуществляют по командам системы управления через каскад распределительных устройств и координатную, адресную систему локального воспламенения на входящие в состав заряда таблетки твердого топлива, с возможностью их одновременного воспламенения с диспергированием в таком количестве, которое необходимо для обеспечения требуемого уровня тяги в течение заданного интервала времени. Заряд твердого топлива представляет собой монолит из таблеток твердого топлива, разделенных между собой теплозащитным покрытием и объединенных в плоскопараллельные слои. В состав каждой таблетки твердого топлива входит часть полимерной подложки слоя, на которой в качестве индивидуального воспламенительного устройства закреплен электроуправляемый нагревательный элемент и соприкасающаяся с ним гранула окислителя. Каждая полимерная подложка слоя имеет координатную, адресную систему локального воспламенения из токопроводящих шин и соединенных между собой с их помощью электроуправляемых нагревательных элементов таблеток твердого топлива. На каждый электроуправляемый нагревательный элемент приходится по две токопроводящие шины, соединяющие его с источником электропитания и системой управления через каскад распределительных устройств. Изобретение позволяет обеспечить командное регулирование тяги ракетного двигателя твердого топлива и его многократное включение, а также исключить балластное использование слоев теплозащитного покрытия. 2 н.п. ф-лы, 1 табл., 7 ил.

1. Способ управления тягой ракетного двигателя на твердом топливе, заключающийся в подаче инициирующего импульса по команде системы управления на воспламенение таблетки твердого топлива, входящей в состав заряда, отличающийся тем, что подачу инициирующих импульсов по командам системы управления осуществляют через каскад распределительных устройств и координатную, адресную систему локального воспламенения, на входящие в состав заряда таблетки твердого топлива, с возможностью их одновременного воспламенения с диспергированием, в таком количестве, которое необходимо для обеспечения требуемого уровня тяги в течение заданного интервала времени.2. Заряд твердого топлива, состоящий из разделенных между собой теплозащитным покрытием таблеток твердого топлива, воспламеняемых от индивидуального воспламенительного устройства, отличающийся тем, что заряд представляет собой монолит из таблеток твердого топлива, разделенных между собой теплозащитным покрытием и объединенных в плоскопараллельные слои, в состав каждой таблетки твердого топлива входит часть полимерной подложки слоя, на которой в качестве индивидуального воспламенительного устройства закреплен электроуправляемый нагревательный элемент и соприкасающаяся с ним гранула окислителя, а каждая полимерная подложка слоя имеет координатную, адресную систему локального воспламенения из токопроводящих шин и соединенных между собой с их помощью электроуправляемых нагревательных элементов таблеток твердого топлива так, чтобы на каждый электроуправляемый нагревательный элемент приходилось по две токопроводящие шины, соединяющие его с источником электропитания и системой управления через каскад распределительных устройств.