МАРШЕВАЯ МНОГОКАМЕРНАЯ ДВИГАТЕЛЬНАЯ УСТАНОВКА С СОПЛОВЫМ НАСАДКОМ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2009 года по МПК F02K9/97 

Изобретение относится к ракетной технике и может быть использовано при создании или модернизации маршевых многокамерных двигательных установок (ММДУ).

Известна конструкция камеры маршевого четырехкамерного двигателя III ступени, снабженного высотным сопловым насадком, образующим излом контура сопла (патент RU №2175398). Использование стационарного общего соплового насадка, соединенного с соплами, имеет следующие недостатки:

- невозможность осуществления поворота камер ЖРД для обеспечения управления вектором тяги;

- увеличение габаритов и массы межступенчатого отсека для размещения общего соплового насадка.

Эти недостатки устраняются в известных вариантах конструкций камеры маршевого четырехкамерного двигателя с сопловым насадком (патент RU №2267026). В одном из вариантов конструкции, предложенных в этом патенте, сопловой насадок в виде стакана выполнен двухпозиционным, донная часть насадка снабжена отверстиями для сопел, установленных с кольцевыми зазорами. При этом насадок охватывает сопла и установлен на силовом элементе с возможностью продольного перемещения. Во втором варианте конструкции насадок имеет форму стакана с выдвижной боковой поверхностью, например, в виде телескопических секций. Предложенные варианты конструкций повышают тягу двигательной установки при незначительном увеличении ее стоимости и массы. Однако использование кольцевого выдвижного насадка с размерами, равными миделю ракеты, имеет следующие недостатки:

- ограниченность энергетических характеристик ММДУ;

- ограниченность габаритов соплового насадка.

Задачей предлагаемого изобретения является увеличение тяги многокамерной двигательной установки при сохранении габаритов ракеты-носителя (РН).

Технический результат, достигаемый изобретением, состоит в повышении тяги, получаемом при использовании донных эффектов, возникающих при истечении продуктов сгорания из многокамерных двигательных установок с донным насадком. В результате сложного взаимодействия выхлопных струй между собой и со стенками насадка формируются области с повышенным давлением и зоны перетекания, что приводит к увеличению тяги на величину, которая вычисляется по формулам:

для конической формы насадка: для цилиндрической формы насадка: где ΔR - изменение тяги; где ΔR - изменение тяги; р - давление; р_д - донное давление; S₀ - площадь поверхности S_д - площадь поверхности φ - угол наклона стенки насадка. донной части насадка.

Данное выражение показывает, что эффективность использования соплового насадка тем выше, чем выше донное давление (при постоянной площади дна) или чем больше площадь дна насадка (при постоянной величине донного давления). Поэтому одним из вариантов повышения тяговых характеристик двигательной установки (ДУ) может служить использование сверхмидельных сопловых насадков различных конфигураций.

Применение предлагаемых сверхмидельных составных сопловых насадков особенно эффективно для высотных ступеней РН.

Достижение заявленного технического результата решается тремя вариантами конструкции ММДУ с составным сопловым насадком, который в транспортном положении имеет форму стакана, собранного из донной части и лепестков с помощью системы фиксации. Лепестки могут иметь цилиндрическую, коническую или специально спрофилированную форму.

Первый вариант конструкции представляет собой маршевую многокамерную двигательную установку с сопловым насадком, снабженную силовым элементом, в которой сопловой насадок выполнен составным из лепестков с заходящей на донную часть отбортовкой, соединенных между собой гибкими элементами. При этом лепестки с донной частью установлены на силовом элементе, соединенном с опорной рамой, с возможностью их продольного и радиального перемещения из транспортного положения, при котором лепестки охватывают сопла, а срез соплового насадка расположен выше или на уровне среза сопел, в рабочее положение, при котором оси лепестков совпадают с осью двигательной установки, а разложенный составной сопловой насадок выступает за срез сопел на длину L и имеет диаметр D_нac>D_мид,

где L - длина выступающего за срез сопла насадка;

D_нac - внутренний диаметр разложенного насадка;

D_мид - наружный диаметр ракеты.

После перемещения соплового насадка в рабочее положение гибкие элементы перекрывают образующиеся между лепестками зазоры, формируя замкнутый сверхмидельный сопловой насадок.

Во втором варианте конструкции маршевой многокамерной двигательной установки с сопловым насадком, снабженным силовым элементом, сопловой насадок выполнен составным из лепестков в виде сектора цилиндрической, конической или специально спрофилированной оболочки с дном, лежащих под донной частью, соединенных между собой гибкими элементами, и имеет фасонную форму поверхности, сечение которой эквидистантно линии, огибающей срез сопел снаружи. Лепестки с донной частью установлены на силовом элементе, соединенном с опорной рамой, с возможностью их продольного и радиального перемещения из транспортного положения, при котором лепестки охватывают сопла, а срез соплового насадка расположен выше или на уровне среза сопел, в рабочее положение, при котором оси лепестков совпадают с осями соответствующих сопел, а разложенный составной сопловой насадок выступает за срез сопел на длину L и имеет диаметр D_нac>D_мид,

где L - длина выступающего за срез сопла насадка;

D_нac - наибольший внутренний диаметр разложенного насадка;

D_мид - наружный диаметр ракеты.

Данная форма лепестков позволит минимизировать потери давления при взаимодействии выхлопных струй со стенками насадка и уменьшить площадь донной части.

Гибкий элемент может быть выполнен из тканого материала на угольной основе с пропиткой резиноподобным герметиком.

В третьем варианте конструкции маршевой многокамерной двигательной установки с сопловым насадком, снабженным силовым элементом, сопловой насадок выполнен составным из лепестков с заходящей на донную часть отбортовкой и расположенных на лепестках выдвигающихся накладок (внешних или внутренних), снабженных системой стопоров и замков. Лепестки с донной частью установлены на силовом элементе, соединенном с опорной рамой, с возможностью их продольного и радиального перемещения из транспортного положения, при котором лепестки охватывают сопла, а срез соплового насадка расположен выше или на уровне среза сопел, в рабочее положение, при котором оси лепестков совпадают с осью ДУ, а разложенный составной сопловой насадок выступает за срез сопел на длину L и имеет диаметр D_нac>D_мид,

где L - длина выступающего за срез сопла насадка;

D_нac - внутренний диаметр разложенного насадка;

D_мид - наружный диаметр ракеты.

При переводе соплового насадка из транспортного в рабочее положение зазоры, образующиеся между лепестками, перекрываются секторными накладками, перемещающимися совместно с лепестками по выполненным в них направляющим, образуя сверхмидельный сопловой насадок.

Предлагаемое изобретение отличается от известных технических решений выполнением соплового насадка составным из донной части с отверстиями для сопел и лепестков и имеющим габариты, превышающие диаметр ракеты. В транспортном положении лепестки сложены и насадок находится внутри двигательного отсека высотной ступени ракеты-носителя. В рабочем положении разложенные лепестки формируют сопловой насадок, который выступает за срез сопел двигательной установки. Диаметр разложенного насадка D_нac выбирается максимально возможным исходя из конструктивных соображений, а длина выступающей части насадка L выбирается из условия попадания струи продуктов сгорания на кромку выходного сечения составного соплового насадка. При работе двигательной установки истекающие из сопел выхлопные струи, попадая на концевую часть насадка, образуют замкнутую донную область, в которую поступают продукты сгорания, подаваемые возвратными течениями, существующими в зоне "прилипания" струй на кромку насадка. При этом давление в указанной области повышается. Увеличение диаметра насадка до величины, большей диаметра ракеты, увеличивает размеры донной области, что ведет к увеличению равнодействующей силы давления, действующей на донную область насадка, и создает прирост тяги двигательной установки.

Изобретение поясняется чертежами.

На фиг.1 представлена четырехкамерная двигательная установка с лепестковым сопловым насадком с гибкими элементами в транспортном и рабочем (показана пунктиром) положениях (первый вариант изобретения).

На фиг.2 - вид А, показывающий размещение гибких элементов в сформированном сопловом насадке.

На фиг.3 представлена четырехкамерная двигательная установка с лепестковым сопловым насадком, имеющим фасонную форму, с гибкими элементами, в транспортном и рабочем (показана пунктиром) положениях (второй вариант изобретения).

На фиг.4 - вид А, показывающий размещение гибких элементов в сформированном сопловом насадке.

На фиг.5 представлена четырехкамерная двигательная установка с лепестковым насадком и выдвижными накладками в транспортном и рабочем (показана пунктиром) положениях (третий вариант изобретения).

На фиг.6 - вид А, показывающий размещение выдвижных накладок.

Четырехкамерная двигательная установка (Фиг.1, 3, 5) состоит из ЖРД 1 с соплами 2, раздвижного лепесткового соплового насадка 3 с донной частью 4, который установлен на силовом элементе 5 и соединен с рамой двигательной установки 6. Насадок переводится из транспортной позиции в рабочую системой выдвижения 7. Лепестки 8 (Фиг.2, 4, 6) соединяются гибкими элементами 9 (Фиг.2, 4). На Фиг.6 показаны выдвигающиеся накладки 10.

Устройство работает следующим образом.

При отделении отработавшей ступени ракеты-носителя (Фиг.1, 3) подается команда на систему выдвижения 7, которая перемещает сопловой насадок 3 из транспортного положения в рабочее положение. При этом лепестки 8 раздвигаются, а гибкий элемент 9 перекрывает зазор, образовавшийся при перемещении лепестков, формируя сверхмидельный сопловой насадок.

Двигательная установка, изображенная на Фиг.3, имеет сопловой насадок 3 фасонной формы.

Двигательная установка, изображенная на Фиг.5, имеет лепестки 8 и выдвигающиеся накладки 10. После подачи команды на систему выдвижения 7 донная часть 4 и лепестки 8 перемещаются, а накладки 10 перекрывают зазор, образовавшийся при перемещении лепестков, формируя сверхмидельный сопловой насадок.

В настоящее время осуществляется экспериментальная отработка предлагаемых вариантов конструкции соплового насадка применительно к многокамерным двигательным установкам.

Проведенная оценка эффективности использования изобретения показала возможность увеличения тяги маршевой многокамерной двигательной установки со сверхмидельным сопловым насадком на ~5%.

Изобретение относится к ракетной технике и может быть использовано при создании или модернизации многокамерных двигательных установок. В трех предложенных вариантах конструкции маршевой многокамерной двигательной установки сопловой насадок выполнен составным из лепестков и донной части, соединенных между собой гибкими элементами (в двух первых вариантах) и имеющей систему стопоров и замков (в третьем варианте). При этом лепестки с донной частью установлены на силовом элементе, соединенном с опорной рамой, с возможностью их продольного и радиального перемещения из транспортного положения, при котором лепестки охватывают сопла, а срез соплового насадка расположен выше или на уровне среза сопла, в рабочее положение, при котором оси лепестков совпадают с осью двигательной установки, а разложенный составной сопловой насадок выступает за срез сопел и имеет диаметр, превышающий наружный диаметр ракеты. Во втором варианте сопловой насадок с лепестками, выполненными в форме сектора цилиндрической, или конической, или спрофилированной оболочки с дном и соединенными между собой гибкими элементами, имеет фасонную форму поверхности, сечение которой эквидистантно линии, огибающей срез сопел снаружи. Изобретение обеспечивает повышение тяги путем формирования областей с повышенным давлением, образующихся при взаимодействии струй двигателя со стенками и дном насадка. 3 н. и 2 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Маршевая многокамерная двигательная установка с сопловым насадком, снабженная силовым элементом, отличающаяся тем, что сопловой насадок выполнен составным из лепестков с заходящей на донную часть отбортовкой, соединенных между собой гибкими элементами, при этом лепестки с донной частью установлены на силовом элементе, соединенном с опорной рамой, с возможностью их продольного и радиального перемещения из транспортного положения, при котором лепестки охватывают сопла, а срез соплового насадка расположен выше или на уровне среза сопел, в рабочее положение, при котором оси лепестков совпадают с осью двигательной установки, а разложенный составной сопловой насадок выступает за срез сопел на длину L и имеет диаметр D_нас>D_мид,
где L - длина выступающего за срез сопла насадка; D_нac - внутренний диаметр разложенного насадка; D_мид - наружный диаметр ракеты.

2. Маршевая многокамерная двигательная установка с сопловым насадком по п.1, отличающаяся тем, что гибкий элемент выполнен из тканого материала на угольной основе с пропиткой резиноподобным герметиком.

3. Маршевая многокамерная двигательная установка с сопловым насадком, снабженная силовым элементом, отличающаяся тем, что сопловой насадок выполнен составным из лепестков в виде сектора цилиндрической, или конической, или спрофилированной оболочки с дном, лежащих под донной частью, соединенных между собой гибкими элементами, и имеет фасонную форму поверхности, сечение которой эквидистантно линии огибающей срез сопел снаружи, при этом лепестки с донной частью установлены на силовом элементе, соединенном с опорной рамой, с возможностью их продольного и радиального перемещения из транспортного положения, при котором лепестки охватывают сопла, а срез соплового насадка расположен выше или на уровне среза сопел, в рабочее положение, при котором оси лепестков совпадают с осями соответствующих сопел, а разложенный сопловой насадок выступает за срез сопел на длину L и имеет диаметр D_нас>D_мид, где L - длина выступающего за срез сопла насадка; D_нac - внутренний диаметр разложенного насадка; D_мид - наружный диаметр ракеты.

4. Маршевая многокамерная двигательная установка с сопловым насадком по п.3, отличающаяся тем, что гибкий элемент выполнен из тканого материала на угольной основе с пропиткой резиноподобным герметиком.

5. Маршевая многокамерная двигательная установка с сопловым насадком, снабженная силовым элементом, отличающаяся тем, что сопловой насадок выполнен составным из лепестков с заходящей на донную часть отбортовкой и расположенных на лепестках выдвигающихся накладок (внешних или внутренних), снабженных системой стопоров и замков, при этом лепестки с донной частью установлены на силовом элементе, соединенном с опорной рамой, с возможностью их продольного и радиального перемещения из транспортного положения, при котором лепестки охватывают сопла, а срез соплового насадка расположен выше или на уровне среза сопел, в рабочее положение, при котором оси лепестков совпадают с осью двигательной установки, а разложенный составной сопловой насадок выступает за срез сопел на длину L и имеет диаметр D_нас>D_мид,
где L - длина выступающего за срез сопла насадка; D_нac - внутренний диаметр разложенного насадка; D_мид - наружный диаметр ракеты.