ЗАРЯД СМЕСЕВОГО ТВЕРДОГО ТОПЛИВА Российский патент 2013 года по МПК F02K9/32 

Изобретение относится к области ракетной техники и может быть использовано при проектировании и производстве ракетных двигателей с зарядами смесевого твердого топлива.

Заряды, скрепленные с силовой обечайкой корпуса двигателя, имеют у торцов резко выраженные зоны концентрации напряжений (в основном, при действии тепловой разгрузки). Концентрация отрывных напряжений (при охлаждении) обусловлена тепловым перепадом между равновесной температурой заряда Т_р (температура, близкая к температуре полимеризации топлива) и температурой эксплуатации двигателя Т_э: ΔT=Т_Э-Т_Р, а также различием коэффициентов линейного расширения топлива и материала силовой обечайки корпуса (металл, органопластик, стеклопластик), которые отличаются на порядок.

С целью снижения концентрации напряжений клеевые швы топливного блока защищены на торцах различного рода эластичными вставками (см. И.X. Фахрутдинов, А.В. Котельников. «Конструкция и проектирование ракетных двигателей твердого топлива», М., 1987, стр.201, рис 8.9), где оговаривается, что размеры вставок желательно иметь в пределах:

Δ_X/B=0,03…0,14

Δ_r/B=0,03…0,06

где Δ_X - длина вставки по оси заряда;

Δ_r - толщина вставки по радиусу заряда;

В - внешний радиус заряда.

Данная конструкция заряда принята за прототип.

Недостатками конструкции прототипа являются:

1. Отсутствие возможности использования предложенных размеров для эластичных элементов имеющих кольцевой разрез, выполненный для смещения зоны концентрации напряжений от топлива к корпусу, что приводит к отсутствию возможности регулирования контактных напряжений в районе торца.

2. Отсутствие определенной точки приложения указанных размеров для построения эластичного элемента не дает возможности обеспечить равнопрочность конструкции.

3. Возможность применения предложенных размеров только для эластичных элементов модельных конструкций зарядов смесевого твердого топлива, имеющие плоские торцы, и обечайку в виде прямого цилиндра.

Технической задачей предлагаемого изобретения является создание конструкции заряда смесевого твердого топлива с разрезными эластичными элементами определенных размеров и формы, которые обеспечат снижение контактных напряжений на торце, повышение механической надежности и равнопрочность конструкции.

Поставленная задача решается путем исследования напряженно-деформированного состояния в районе торцов заряда методом конечных элементов и оптимизации геометрических размеров эластичного элемента с целью обеспечения уровня напряжений в клеевом шве «топливо-резина» в районе торца с контактной зоной «топливо-резина» в средней части заряда, где регулирование напряжений осуществить сложно. При этом конструкция эластичного элемента будет оптимальна, когда при минимальном объеме элемента он обеспечивает допустимый уровень напряжений в клеевом шве у торца заряда, равный уровню напряжений в средней части заряда.

Технический результат достигается за счет того, что заряд смесевого твердого топлива, содержащий корпус, защитно-крепящий слой, узел скрепления торцевой части заряда в виде эластичного элемента, расположенного между топливом и внутренней поверхностью корпуса, при этом, эластичный элемент выполнен с кольцевым разрезом, а нижняя граница эластичного элемента определяется гипотенузой прямоугольного треугольника приложенного прямым углом к вершине кольцевого разреза, где горизонтальный катет располагается ближе к корпусу ракетного двигателя и имеет размер (0.03÷0.14)В, вертикальный катет равен (0.03÷0.06)В, В -внешний радиус заряда.

Сущность патентуемого изобретения поясняется графическим материалом.

Фиг.1. Конструкция заряда:

1 - корпус ракетного двигателя;

2 - защитно-крепящий слой;

3 - топливный моноблок;

4 - эластичный элемент;

5 - прямоугольный треугольник;

6 - кольцевой разрез;

В - внешний радиус заряда.

Как следует из численных исследований, установленные соотношения для прямоугольного треугольника (5) определяют оптимальную форму эластичного элемента (4) с кольцевым разрезом (6) и обеспечивают равнопрочность конструкции заряда содержащую корпус ракетного двигателя (1), топливный моноблок (3) и защитно-крепящий слой (2). В случае выхода параметров эластичного элемента за установленные пределы соотношений условие равнопрочности заряда не обеспечивается, при выходе параметров эластичного элемента за нижний предел ухудшаются прочностные характеристики заряда, при завышении верхнего предела увеличивается объем эластичного элемента и ухудшаются энергетические характеристики двигателя.

Положительный эффект изобретения - снижение контактных напряжений на торце заряда, повышение механической надежности заряда и обеспечение условия его равнопрочности.

Патентуемая конструкция заряда смесевого твердого топлива проверена огневыми стендовыми испытаниями в условиях ФГУП «НИИПМ».

Заряд смесевого твердого топлива содержит корпус, защитно-крепящий слой и узел скрепления торцевой части заряда в виде эластичного элемента, расположенного между топливом и внутренней поверхностью корпуса. Эластичный элемент имеет кольцевой разрез, а нижняя граница эластичного элемента определяется гипотенузой прямоугольного треугольника, приложенного прямым углом к вершине кольцевого разреза, где горизонтальный катет располагается ближе к корпусу ракетного двигателя и имеет размер 0.03÷0.14 внешнего радиуса заряда, а вертикальный катет равен 0.03÷0.06 внешнего радиуса заряда. Изобретение позволяет снизить контактные напряжения на торце заряда, повысить механическую надежность и обеспечить условие равнопрочности. 1 ил.

Заряд смесевого твердого топлива, содержащий корпус, защитнокрепящий слой, узел скрепления торцевой части заряда в виде эластичного элемента, расположенного между топливом и внутренней поверхностью корпуса, отличающийся тем, что эластичный элемент имеет кольцевой разрез, а нижняя граница эластичного элемента определяется гипотенузой прямоугольного треугольника приложенного прямым углом к вершине кольцевого разреза, где горизонтальный катет располагается ближе к корпусу ракетного двигателя и имеет размер 0,03÷0,14 В, вертикальный катет равен 0,03÷0,06 В, В - внешний радиус заряда.