СТАРТОВЫЙ РАКЕТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА Российский патент 2008 года по МПК F02K9/10 

Изобретение относится к области ракетной техники и может быть использовано при проектировании, отработке и изготовлении вкладных зарядов и ракетных двигателей твердого топлива.

При отработке авиационных и тактических ракет с неразделяемыми маршевой и стартовой ступенями используют компоновочную схему двигательной установки (Фиг.1) с тандемным расположением маршевого и стартового двигателя, при этом газовод маршевого двигателя проходит через камеру сгорания (КС) стартового двигателя (СД). В этом случае КС оформляется в виде кольцевой камеры, образованной наружной обечайкой корпуса ракеты и газоводом (Фиг.2). Для СД используют, как правило, канальные круглые шашки твердого ракетного топлива (ТРТ) всестороннего горения, обеспечивающие высокую тяговооруженность ракетного двигателя в период старта ракеты (Фиг.2). Известны также более оптимальные конструкции зарядов ТРТ для СД (Фиг.3, Фиг.4) обеспечивающие повышенную продольную устойчивость шашек и тяговооруженность СД (пат. RU 2272167) за счет развитого восьмерочного (-го) профиля (в виде утопленных друг в друга канальных цилиндров).

Конструкция заряда по пат. RU 2272167 от 20.03.2006 г. принята авторами за прототип.

Технической задачей изобретения является повышение эффективности стартового ракетного двигателя с кольцевой камерой сгорания, обеспечивающего, за счет оптимального заполнения КС топливом, повышение тяговооруженности и надежности в работе стартового ракетного двигателя.

Технический результат изобретения заключается в выполнении стартового двигателя содержащим кольцевую камеру сгорания с сопловым блоком, воспламенитель и многошашечный заряд твердого ракетного топлива из шашек всестороннего горения. При этом заряд ТРТ выполнен многошашечным в виде утопленных друг в друга канальных круговых цилиндров равного диаметра, т.е. в виде -го профиля, расстояние между осями которых (L) составляет:

2e<L<2e+d,

где е - толщина горящего свода, d - диаметр канала (Фиг.4)

Причем оси центров цилиндров расположены на дуге окружности диаметром (D₁+D₂)/2, где D₁ - внутренний диаметр КС по внешнему контуру, D₂ - внутренний диаметр КС по внутреннему контуру, а между периферийными участками профиля шашек заряда, обращенных к внешнему и/или внутреннему контуру КС СД, размещены дополнительные малокалиберные шашки. При этом дополнительные шашки могут быть выполнены в виде канальных и/или бесканальных цилиндров всестороннего горения либо в виде канальных цилиндров, бронированных по наружной поверхности.

Сущность изобретения заключается в оптимальном заполнении поперечного сечения КС топливом. При укладке шашек -го профиля, преимущественно у внешнего контура кольцевой КС, образуются весьма значительные "пустоты". С учетом параметра заряжания æ=S/F_св проф. Ю.А.Победоносцева (Я.М.Шапиро и др. "Теория ракетного двигателя на твердом топливе", М., 1966 г., стр.109) часть площади указанных "пустот" может быть заполнена топливом при допустимых газодинамических параметрах двигателя в целом (æ˜100...120). При этом одним из эффективных вариантов заполнения пустот является размещение в последних канальных и/или бесканальных малокалиберных шашек всестороннего горения (Фиг.6, Фиг.7, Фиг.9). В зависимости от конкретных особенностей СД может быть полезна конструкция с заполнением "пустот" канальными бронированными по наружной поверхности малокалиберными шашками (Фиг.8).

Введение в конструкцию заряда малокалиберных шашек увеличивает суммарный импульс СД. Сравнительные данные по параметру æ и величине суммарного импульса тяги (I_Σ) заряда приведены в сравнении с прототипом в таблице.

Учитывая, что в силу кратковременности работы СД (как правило, для рассматриваемых ракет не более 1 с) КС не оснащают теплозащитой, что способствует существенному возрастанию теплопотерь в стенку КС. Оснащение заряда дополнительными малокалиберными шашками позволяет, полностью или частично, компенсировать указанные теплопотери.

Как видно из данных таблицы, оснащение заряда малоколиберными шашками по патентуемому техническому решению не увеличивает массу дегрессивных остатков топлива, но при этом обеспечивает увеличение I_Σ СД по сравнению с прототипом на 2,8...5%.

Изобретение иллюстрируется чертежами.

Фиг.1. Схема двигательной установки (ДУ)

1 - маршевая ступень (маршевый двигатель);

2 - стартовая ступень (стартовый двигатель);

3 - газовод.

Фиг.2. Поперечное сечение кольцевой КС СД (аналог)

4 - наружная обечайка ДУ;

3 - газовод;

5 - шашки заряда ТРТ.

Фиг.3. Поперечное сечение кольцевой КС СД с профилем шашек заряда ТРТ по патенту RU 2272167 (прототип).

Фиг.4. Профиль шашек заряда (для прототипа)

6 - эквидистантные поверхности;

7 - дегрессивный остаток;

d - диаметр канала.

Фиг.5. Патентуемая конструкция СД

8 - корпус КС с соплоблоком;

9 - воспламенитель;

10 - малокалиберные шашки.

Фиг.6. Поперечное сечение патентуемой конструкции СД и зависимость S(e).

S - поверхность горения заряда,

е - горящий (текущий) свод,

10 - малокалиберные шашки,

11 - S(e) для прототипа,

12 S(e) - для патентуемого решения.

Фиг.7. Вариант профиля малокалиберных шашек заряда ТРТ и зависимость S(e) по патентуемому изобретению с бесканальными малокалиберными дополнительными шашками (одиночное размещение дополнительных шашек)

Зависимости S(e):

11 - для прототипа;

12 - для патентуемого изобретения.

Фиг.8. Вариант профиля малокалиберных шашек заряда ТРТ и зависимость S(e) по патентуемому изобретению с канальными малокалиберными дополнительными шашками, бронированными по наружной поверхности.

Зависимости S(e):

11 - для прототипа;

12 - для патентуемого изобретения.

Фиг.9. Вариант профиля малокалиберных шашек заряда ТРТ и зависимость S(e) по патентуемому изобретению с бесканальными малокалиберными дополнительными шашками (групповое размещение дополнительных шашек).

Зависимости S(e):

11 - для прототипа;

12 - для патентуемого изобретения.

Существенным отличительным признаком патентуемого СД от прототипа является введение в конструкцию СД дополнительных малокалиберных шашек, размещаемых в пустотах между шашками -го профиля.

Патентуемый СД (Фиг.5, Фиг.6) включает КС (8) с соплоблоком, воспламенитель (9), заряд ТРТ из канальных шашек (5) фигурного профиля и малокалиберных шашек (10).

СД работает следующим образом:

При подаче импульса на воспламенитель (9) последний срабатывает и поджигает шашки (5), (10) заряда ТРТ по наружным поверхностям и каналам. Образующиеся при горении шашек высокотемпературные газы истекают через сопловый блок КС (8), создавая реактивную тягу.

Патентуемый СД экспериментально проверен на уровне опытного образца, включающего:

- кольцевую КС с размерами:

D₁=110 мм;

D₂=50 мм;

длина - 150 мм;

- заряд ТРТ - 5 шашек баллиститного ТРТ длиной 140 мм -го профиля и 5 дополнительных малокалиберных канальных шашек, размещенных вблизи внешнего диаметра кольцевой КС.

- воспламенитель - 7 г дымного ружейного пороха в оболочке из полиэтилена.

Положительный эффект изобретения - повышение эффективности СД ракет, в части увеличения суммарного импульса тяги, обеспечения устойчивого выхода СД на рабочий режим, надежности функционирования СД в целом.

Характеристики зарядаВариант профиля сеченияГеометрические размеры, ммS, см²F_св.пр., см²жΔI_Σ, %"круглый" (без доп. зарядов) 1385,921,8063,6-Основной - -й профиль (без доп. зарядов) - прототипОсновной:
D=32
d=6
L₁ - 1401318,316,878,7+6.5% относительно варианта круглого профиляОсновной - -й профиль ("восьмерка") + доп. заряд фиг.6Основной + доп. заряд: D¹=10
d¹=0
L₁ - 140
5 шашек1544,214,8104,5+3,8% относительно варианта "восьмерка"Основной - -й профиль + доп. заряд фиг.7Основной + доп. заряд: D¹=8
d¹=4
L₁ - 140
5 шашек1616,315,4106,0+2,8% относительно варианта "восьмерка"Основной - -й профиль + доп. заряд фиг.8Основной + доп. заряд: D¹=10
d¹=4
L₁ - 140
5 шашек1457,514,0104,0+5,0% относительно варианта "восьмерка"Основной - -й профиль + доп. заряд фиг.9Основной + доп. заряд: D¹=4
d¹=0
L₁-140
15 шашек1639,615,4105,0+3,0% относительно варианта "восьмерка"В таблице обозначено:D - наружный диаметр зарядов -го профиля,
d - диаметр канала зарядов -го профиля,
D¹ - наружный диаметр дополнительных малокалиберных зарядов,
d¹ - диаметр канала дополнительных малокалиберных зарядов,
L₁ - длина зарядов (шашек) -го профиля и дополнительных малокалиберных зарядов
S - суммарная поверхность горения заряда,
æ - параметр заряжания проф. Ю.А.Победоносцева,
ΔI_Σ - "прибавка" суммарного импульса тяги СД,
F_св.пр. - площадь свободного прохода газов в канальном сечении КС.

Стартовый ракетный двигатель твердого топлива содержит кольцевую камеру сгорания с сопловым блоком, воспламенитель и многошашечный заряд. Заряд выполнен из шашек всестороннего горения в виде утопленных друг в друга канальных цилиндров равного диаметра, оси которых расположены на дуге окружности. Расстояние между осями канальных цилиндров и диаметр дуги окружности, на которой они расположены, определяются соотношениями, защищаемыми настоящим изобретением. В пустотах между шашками, примыкающих к внешнему и/или внутреннему контуру кольцевой камеры сгорания, размещены дополнительные малокалиберные шашки. Малокалиберные шашки выполнены либо в виде канальных и/или бесканальных цилиндров всестороннего горения, либо в виде канальных цилиндров, бронированных по наружной поверхности. Изобретение позволяет повысить эффективность стартового ракетного двигателя за счет оптимального заполнения топливом его камеры сгорания. 2 з.п. ф-лы, 9 ил., 1 табл.

1. Стартовый ракетный двигатель твердого топлива, содержащий кольцевую камеру сгорания с сопловым блоком, воспламенитель и многошашечный заряд из шашек всестороннего горения в виде "утопленных" друг в друга канальных круговых цилиндров равного диаметра, расстояние между осями которых (L) составляет

2e<L<2e+d,

где е - толщина горящего свода, d - диаметр канала шашки, отличающийся тем, что оси центров цилиндров расположены на дуге окружности диаметром (D)

D=(D₁+D₂)/2,

где D₁ - внутренний диаметр кольцевой камеры сгорания по внешнему контуру, D₂ - внутренний диаметр кольцевой камеры сгорания по внутреннему контуру, при этом в пустотах между шашками, примыкающих к внешнему и/или внутреннему контуру кольцевой камеры сгорания размещены дополнительные малокалиберные шашки.