БЕСКОРПУСНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ (ВАРИАНТЫ) И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ Российский патент 2010 года по МПК F02K9/08 

Изобретение относится к ракетным двигателям твердого топлива (РДТТ) и предназначено для всех типов ракет, от ручных гранатометов и систем залпового огня до ракет подводных лодок и космических.

Известны РДТТ, например пат. США 2987821. Преимущества бескорпусных двигателей понятны - отсутствие сложного, тяжелого и дорогого корпуса. Их недостатки - необходимость сложного и высокоточного изготовления резьбовой части шашки, высокая вероятность прорыва пламени в этом месте. Если резьбовая часть расположена снаружи, это приводит к увеличению аэродинамического сопротивления шашки. Задняя обойма после выработки топлива становится бесполезным грузом.

Ниже будут рассмотрены три изобретения. Первое из них - п.1 формулы изобретения - решает задачу полезного использования задней обоймы в боевых ракетах. Второе - п.19 формулы изобретения - позволяет упростить изготовление шашки (исключить резьбовую часть), повысить надежность двигателя и уменьшить его аэродинамическое сопротивление. Третье - п.20 формулы изобретения - является расширением арсенала средств, позволяющих создать шашку с заданной линейной скоростью горения.

Бескорпусный двигатель не имеет сплошного корпуса, а состоит из цилиндрической или резьбовой шашки, выполненной из достаточного механически прочного твердого ракетного топлива (далее ТРТ), на которую с заднего конца надета обойма из жаростойкого материала, состоящая из втулки с упорами внутри, камеры сгорания и реактивного сопла (см фиг.1).

Суть работы двигателя в следующем: принудительно под действием привода обойма сдвигается вперед по мере того, как края торца шашки ТРТ обгорают в зоне контакта с внутренними упорами. Упором может быть реборда внутри втулки или выступающие внутрь шлицы.

По окончании горения ТРТ возможно два дальнейших варианта: обойма отделяется, т.к. шашка ее больше не держит, и падает. Но если на обойме имелись стабилизаторы, а также по некоторым другим соображениям, например использование обоймы в качестве осколкообразующего элемента в боевых ракетах, имеет смысл пристыковать обойму к головной части ракеты. Для чего на обойме и на головной части ракеты имеются ответные элементы одной или нескольких защелок. Например, обойма имеет в передней части наружную реборду, а на задней поверхности головной части имеются подпружиненные крюки. Или наоборот. Наоборот, кстати, лучше: крюки и их кронштейны будут являться одновременно аэродинамическими стабилизаторами и ребрами охлаждения.

В том случае, если ракета боевая, то для того, чтобы использовать обойму как осколкообразующий элемент, головная часть имеет сзади участок, входящий по окончании горения топлива в обойму. Причем этот участок имеет теплоизоляцию (например, покрыт фторопластом или керамикой) и заполнен взрывчатым веществом (например, термостойким - тринитроксилолом).

Для лучшего разделения обоймы на осколки взрывчатое вещество внутри этого участка головной части (или всей головной части) имеет на обращенной к корпусу поверхности кумулятивные канавки, лучше пересекающиеся.

Шашка для лучшего скольжения и для предупреждения преждевременного воспламенения от нагретых стенок втулки может иметь бронирование, т.е. покрыта, например, фторопластом, кремнийорганической краской, фольгой,

Для предупреждения преждевременного воспламенения втулка может иметь двойные стенки, в полости между которыми находится охлаждающая жидкость. Полость соединена отверстиями с зазором между шашкой и втулкой (см. фиг.2), а также имеет простейший предохранительный клапан.

Охлаждающей жидкостью может быть гликолевый антифриз, причем загущенный гелеобразователем (чтобы не выливался при транспортировке и хранении).

Принудительное движение обоймы вперед по шашке может быть организовано путем придания шашке и втулке резьбовой формы (без зазоров!) и приведением шашки и обоймы во взаимное вращение, например, с помощью турбины и зубчатого колеса (см. фиг.3). Турбина может приводиться в действие от истекающих газов или от набегающего потока (для самолетных ракет). Регулирование подачи осуществляется так же, как и при самоподаче, - упором краев шашки в упоры-ограничители внутри обоймы.

Винтовой привод может быть расположен и внутри шашки, и приводиться во вращении винтом, входящим без зазоров в расположенное по оси шашки резьбовое отверстие. В переднем конце резьбовое отверстие должно иметь небольшое боковое отверстие для выхода сжимаемого винтом воздуха. Винт, как и в предыдущем случае, вращается турбиной.

В более крупных двигателях возможно подтягивание обоймы вперед с помощью гибких тяг (высокопрочных волокон). Турбина при этом может быть расположена как на обойме, так и на головной части (для самолетных ракет).

В очень крупных и ответственных двигателях для сдвига обоймы возможно применение автоматической системы, состоящей из датчика огня, регулятора и исполнительного механизма.

Возможен и другой вариант крепления обоймы к головной части: задняя поверхность головной части делается чуть больше диаметра, чем шашка, или она может иметь накатку, и тогда обойма с натягом наползает на эту часть и фиксируется на ней за счет натяга.

Для надежного стартового удержания шашки: шашка внутри обоймы выходит за ограничительные упоры, и пока эта часть шашки не обгорит, шашка с места не сдвинется. Для этого шашка должна быть составной, например на резьбе с клеем из пироксилина в ацетоне с добавлением мелкодисперсной ВВ, или задняя часть шашки может быть приклеена этим клеем к основному стержню.

К шашке ТРТ такого двигателя предъявляются особые требования: механическая прочность, механическая жесткость, достаточная термостойкость, энерговыделение на современном уровне, приемлемая цена, и самое главное, скорость горения, находящаяся в промежутке между взрывчатыми веществами и применяемыми в настоящее время ТРТ.

Для получения нужной скорости горения шашка имеет продольные отверстия на всю длину, заполненные смесью на основе черного пороха. Черный порох обладает при давлении в камере сгорания скоростью горения, близкой к требуемой. Ее можно менять в ту и другую стороны, добавляя, например, гексаметилентетрамин (для уменьшения скорости) или мелкодисперсные порошкообразные взрывчатые вещества (далее ВВ) малобризантного действия. Но тепловыделение черного пороха далеко от современных требований. Поэтому он только задает линейную скорость горения шашки, а основной материал шашки горит с гораздо меньшей скоростью. В результате этого симбиоза вся шашка горит с нужной скоростью, но фронт горения состоит из множества мелких конусообразных углублений. Таким он должен быть и изначально.

Отверстия в шашке должны быть расположены достаточно равномерно по ее сечению, например в сотовом порядке, квадратами, а лучше - кругами. Основным материалом шашки может быть порошок перхлората аммония в полимеризованном метиловом эфире метакриловой кислоты (плексиглас). Такая шашка будет обладать хорошим сочетанием прочности, жесткости, упругости и высокой эффективностью горения.

В современной пиротехнике известны заряды в виде твердых шашек с нужной скоростью горения (например, безгильзовый квадратный патрон германского автомата). Однако их получение все же остается проблематичным. Поэтому предлагается способ получения шашек ТРТ с нужными свойствами.

В шашку добавляется ВВ в мелкодисперсном виде. Однако если частички ВВ соприкасаются или находятся слишком близко, возможно взрывообразное разрушение шашки на крупинкообразные фрагменты и разлет последних. Чтобы этого не произошло, способ предполагает покрытие каждой крупинки ВВ слоем кислородовыделяющего вещества, например перхлората аммония, и/или затем покрытие получившейся крупинки еще и слоем компонента горючего, например плексигласом. А затем выполняется формовка всей шашки на основе плексигласа, полиэфирной смолы, эпоксидной смолы, полипропилена или другого сгораемого связующего. Покрывать крупинки удобно в конусной сужающейся вниз шахте, в которую снизу подается теплый воздух. Смоченные раствором или расплавом нужного вещества крупинки равномерно сбрасываются сверху в сужающуюся шахту. Поскольку сечение шахты внизу меньше, то скорость воздуха там больше. В определенном месте крупинки «зависают» в потоке и подсыхают или остывают. Крупинки должны быть примерно одного размера. Лучше, если процесс будет циклическим, - так легче контролировать степень готовности, так меньше разовая доза ВВ, и так легче бороться со статическим электричеством.

На фиг.1 показан в сечении бескорпусный РДТТ, где 1 - шашка ТРТ, 2 - обойма, состоящая из втулки 3 по диаметру шашки, упора в виде реборды 4, камеры сгорания 5 и реактивного сопла 6. Головная часть 7 двигателя (точнее, ракеты) имеет сзади участок 8 такого же диаметра, как шашка, и имеет накатку 9. Привод шашки не показан.

На фиг.2 показан вариант с охлаждением обоймы, где 10 - полость между двойными стенками обоймы, заполненная загущенной незамерзающей жидкостью. Полость имеет обратный клапан в виде приваренной к обойме упругой пластины 11, которая через прокладку из термостойкой резины 12 закрывает выход из полости 10.

На фиг.3 упрощенно показан вариант с шашкой 1, которая принудительно подается в обойму 2 с помощью шкива 13, вращаемого через вал 14 турбиной 15, расположенной (хотя бы частично) в струе отходящих газов. На шкив наматывается гибкая тяга 16, проходящая через ушко 17, с помощью которой обойма подтягивается к головной части.

Работает двигатель так: после зажигания шашки 1 на сопло 6 действует сила тяги, которая приводит ракету в движение. И по мере обгорания части торца шашки, контактирующей с упором 4, обойма надвигается на шашку. Постепенно в шашку входит задняя часть 8 головной части 7 и накатка 9. После полного выгорания топлива обойма фиксируется на головной части.

При наличии охлаждения втулки на фиг.2 антифриз, испаряясь из полости 10, попадает в виде паров в зазор между шашкой 1 и обоймой 2, а также выходит наружу через предохранительный клапан 11-12.

Обойма 2 на фиг.3 подтягивается к головной части гибкой тягой 16, которая наматывается через ушко 17 на шкив 13. Шкив вращается зубчатым колесом с помощью турбины 15. Подача шашки 1 саморегулируется упиранием в упор 4. Разумеется, усилие турбины (турбин) должно быть соответствующим образом рассчитано с учетом надвигающей силы самого сопла.

Бескорпусный двигатель содержит головную часть и заряд твердого ракетного топлива, имеющий вид цилиндрической или резьбовой шашки, на которую с заднего конца надета обойма, состоящая из втулки с упорами внутри, камеры сгорания и реактивного сопла. Головная часть двигателя имеет в задней части участок, входящий по окончании горения топлива в обойму, причем этот участок имеет теплоизоляцию и заполнен взрывчатым веществом. В другом варианте обойма подтягивается вперед гибкими тягами, причем турбина привода расположена на обойме или на носовом обтекателе. Еще в одном варианте шашка заряда имеет сквозные продольные отверстия, заполненные смесью на основе черного пороха. Другое изобретение группы относится к способу изготовления указанного выше двигателя, в соответствии с которым крупинки взрывчатого вещества покрывают слоем кислородовыделяющего вещества и/или слоем компонента горючего. Затем из получившихся крупинок формируют шашку заряда с помощью сгораемого связующего. Изобретения позволяют снизить вес и стоимость двигателя, повысить его надежность, а также обеспечить полезное использование обоймы на двигателе и упростить изготовление шашки заряда. 4 н. и 17 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Бескорпусный двигатель, состоящий из головной части и заряда твердого ракетного топлива, имеющего вид цилиндрической или резьбовой шашки, на которую с заднего конца надета обойма, состоящая из втулки с упорами внутри, камеры сгорания и реактивного сопла, отличающийся тем, что головная часть двигателя имеет в задней части участок, входящий по окончании горения топлива в обойму, причем этот участок имеет теплоизоляцию и заполнен взрывчатым веществом.

2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что взрывчатое вещество имеет на поверхности, обращенной к корпусу головной части, кумулятивные канавки.

3. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что шашка внутри обоймы выходит за упоры, для чего она выполнена составной.

4. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что упором является реборда или выступающие внутри шлицы.

5. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что камера сгорания имеет цилиндрическую, или расширяющуюся, или сужающуюся форму.

6. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что наружная поверхность шашки имеет продольное армирование высокомодульными волокнами.

7. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что обойма имеет оперение и/или ребра охлаждения.

8. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что шашка имеет бронирование или покрыта фторопластом.

9. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что втулка имеет двойные стенки, полость между которыми соединена с внутренней поверхностью втулки, причем в полости находится охлаждающая жидкость, и полость имеет предохранительный клапан.

10. Двигатель по п.9, отличающийся тем, что охлаждающей жидкостью является антифриз, загущенный гелеобразователем.

11. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что шашка и втулка имеют резьбовую форму и приводятся во взаимное вращение турбиной, действующей от истекающих газов или набегающего потока.

12. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что шашка имеет по оси резьбовое отверстие, в которое без зазоров входит винт, вращаемый турбиной, причем передний конец отверстия имеет соединение с воздухом.

13. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что имеет автоматическую систему сдвига обоймы, состоящую из датчика огня, автоматического регулятора и исполнительного механизма.

14. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что на обойме и головной части имеются ответные части одной или нескольких защелок.

15. Двигатель по п.14, отличающийся тем, что на обойме имеется наружная реборда, а на головной части имеются подпружиненные крючки или наоборот.

16. Двигатель по п.15, отличающийся тем, что на шашке имеются впадины под крюки.

17. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что головная часть двигателя имеет в задней части участок, входящий по окончании горения топлива в обойму, причем часть этого участка имеет больший диаметр, чем шашка, и/или имеет накатку, обеспечивающие фиксацию втулки с натягом.

18. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что обойма имеет продольную муфту обратного хода, состоящую из находящихся в профилированной канавке подпружиненных шариков, роликов или конусных сегментов.

19. Бескорпусный двигатель, состоящий из головной части и заряда твердого ракетного топлива, имеющего вид цилиндрической или резьбовой шашки, на которую с заднего конца надета обойма, состоящая из втулки с упорами внутри камеры сгорания и реактивного сопла, отличающийся тем, что обойма подтягивается вперед гибкими тягами, причем турбина привода расположена на обойме или на носовом обтекателе.

20. Бескорпусный двигатель, состоящий из головной части и заряда твердого ракетного топлива, имеющего вид цилиндрической или резьбовой шашки, на которую с заднего конца надета обойма, состоящая из втулки с упорами внутри камеры сгорания и реактивного сопла, отличающийся тем, что шашка заряда имеет сквозные продольные отверстия, заполненные смесью на основе черного пороха.

21. Способ изготовления двигателя по п.1, отличающийся тем, что крупинки взрывчатого вещества покрывают слоем кислородовыделяющего вещества и/или слоем компонента горючего, а затем из получившихся крупинок формируют шашку заряда с помощью сгораемого связующего.