РАКЕТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА Российский патент 2013 года по МПК F02K9/10 

Изобретение относится к ракетной технике и может быть использовано в конструкции ракетных двигателей на твердом топливе (РДТТ) основного и вспомогательного (модельных двигателей) назначения.

В конструкции прочно скрепленных по наружной поверхности с корпусом зарядов твердого топлива часто присутствует центральный канал и, по крайней мере, один торец, который раскреплен от днища по прочностным соображениям. При этом торец может быть как горящим, так и забронированным. Использование таких конструкций зарядов позволяет максимально упростить технологическую оснастку для их изготовления, поскольку канал, как правило, цилиндрический, а для формирования частично или полностью горящего торца сложной оснастки не требуется. Однако рассматриваемому классу зарядов присущи определенные недостатки, связанные с наличием значительных текущих отклонений внутрибаллистических характеристик (ВБХ) от среднего значения (до 15-20%), снизить которые без существенного усложнения начальной конфигурации поверхности горения не представляется возможным.

Известен твердотопливный ракетный двигатель по патенту РФ №2154183 (дата публикации 10.08.2000 г.), содержащий корпус с днищами, скрепленный с корпусом заряд, имеющий центральный канал, снабженный кольцевой щелью.

Конструкция заряда известного технического решения позволяет частично снизить текущие отклонения ВБХ. Разделение заряда на две части с помощью предусмотренной конструкции манжеты с законцовками, расположение поверхностей, образующих горящую поверхность кольцевой щели, под острым углом друг к другу позволили ликвидировать топливную перемычку между вершиной кольцевой щели и корпусом двигателя и, тем самым, решить прочностные вопросы, связанные с работоспособностью конструкции заряда, и несколько уменьшить ширину щели по всему диаметру.

Однако известное техническое решение обладает рядом недостатков, связанных с технологическими трудностями в процессе изготовления. В частности, применение традиционной схемы изготовления с использованием технологической оснастки для формирования кольцевой щели затруднено необходимостью извлечения технологической оснастки, высота которой превышает диаметр канала. Конструкция оснастки, формирующей кольцевую щель, содержит большое количество элементов, требующих соединения между собой при сборке оснастки в корпусе и последующего извлечения после изготовления заряда. Это является также существенным препятствием для достижения минимизации допустимого для данной конструкции с точки зрения прочности и газодинамики раскрытия компенсатора начальной поверхности горения в виде кольцевой щели, влияющего на повышение объемного заполнения корпуса топливом и, соответственно, на эффективность работы двигателя.

Известен РДТТ, принятый за прототип, содержащий корпус с днищами, скрепленный с ним по наружной поверхности заряд твердого топлива с центральным каналом и компенсатором поверхности горения топлива в виде кольцевой щели ("Ракетная и космическая техника", №35, 1980, с.12).

В известной конструкции простая конфигурация канала позволяет обеспечить диаграмму "давление - время" с меньшей степенью отклонения текущих характеристик от средних за счет изменения конфигурации поперечной кольцевой щели.

Однако конструкция, принятая за прототип, обладает рядом недостатков. В вершине кольцевой щели образуются трещины как в процессе изготовления, так и в процессе эксплуатации, что обусловлено высоким уровнем напряженно-деформированного состояния (НДС) заряда в этой зоне и объясняется тем, что при охлаждении снаряженного корпуса, после полимеризации топлива, в вершине щели возникают высокие напряжения из-за температурной усадки топлива и обратных упругих перемещений днища и цилиндрической части корпуса. Кроме того, в этой зоне наблюдается снижение физико-механических характеристик (ФМХ) топлива, вызванное отжимом из топлива в этой зоне связующего, при поддавливании топливной массы в начальный период полимеризации, диффузией пластификатора в технологический чехол, форму и кольцевую щель. Поэтому требуемый уровень деформационных характеристик топлива для подобной конструкции заряда назначается исходя из обеспечения прочности в вершине кольцевой щели, где действующий уровень НДС на 30-40% выше, чем на канале.

Задачей предлагаемого изобретения является разработка конструкции РДТТ, позволяющей повысить эффективность работы двигателя за счет одновременного снижения напряженно-деформированного состояния заряда и минимизации отклонений текущих внутрибаллистических характеристик от среднего значения путем обеспечения возможности варьирования как геометрией кольцевой щели, так и ее позиционированием по отношению к конструктивным элементам двигателя в соответствии с существующей потребностью при упрощении требуемой технологической оснастки для изготовления заряда твердого топлива с минимально допустимым раскрытием кольцевой щели.

Поставленная задача решается заявляемой конструкцией РДТТ, содержащего корпус с днищами, скрепленный с ним по наружной поверхности заряд твердого топлива, по крайней мере, с одним торцом, раскрепленным от элементов корпуса, и центральным каналом, снабженным компенсатором поверхности горения топлива. Особенность заключается в том, что канал выполнен сквозным или глухим, компенсатор поверхности горения топлива представляет собой, по меньшей мере, одну кольцевую щель, которая размещена у переднего или заднего днища, выполнена под прямым углом к продольной оси двигателя, при этом радиус вершины щели равен размеру ее полуширины, выходящей на канал заряда, или выполнена под углом к продольной оси двигателя, меньшим прямого, при этом радиус вершины щели превышает размер ее полуширины, выходящей на канал заряда, причем геометрия щели сформирована неизвлекаемым формообразующим элементом, а угол наклона щели и направление наклона выбирают исходя из конфигурации системы днище - топливо и обеспечения требований к форме кривой диаграммы "давление - время".

Проведенный сопоставительный анализ показывает, что заявляемое техническое решение отличается от прототипа вариабельным сочетанием геометрии кольцевой щели и ее позиционирования по отношению к конструктивным элементам двигателя в соответствии с существующей потребностью; пригодностью как для двигателя с глухим, так и сквозным каналом (в прототипе только глухой канал).

Угол наклона кольцевой щели по отношению к продольной оси двигателя может изменяться в диапазоне от 45 до 90° в зависимости от обеспечения требуемой схемы выгорания и минимизации образования пассивных остатков топлива. И в зависимости от указанных условий может изменяться направление наклона кольцевой щели.

Первостепенное значение для реализации такой конструкции имеет материал неизвлекаемого формообразующего элемента. Материал должен отвечать следующим требованиям: высокая химическая стойкость, инертность, антиадгезионные свойства, минимальный коэффициент трения, пригодность к механической обработке, сохраняемость физико-механических свойств в диапазоне температур от минус 190 до плюс 250°С. При этом скорость горения материала должна быть больше или равна скорости горения топлива. Неизвлекаемый формообразующий элемент целесообразно выполнять из композиционного материала (например, фторопласт) или металла (например, алюминий). Специалисту в данной области техники понятно, что указанные материалы не являются исчерпывающими для воплощения изобретения.

Из уровня техники не известно техническое решение поставленной задачи, в котором бы имело место предложенное сочетание признаков.

Предлагаемый РДТТ иллюстрируется графическими изображениями:

Фиг.1 - часть продольного разреза двигателя с кольцевой щелью, расположенной под прямым углом к его продольной оси и радиусом вершины, равным размеру ее полуширины;

Фиг.2 - часть продольного разреза двигателя с кольцевой щелью, расположенной под прямым углом к его продольной оси и радиусом вершины, превышающим размер ее полуширины.

Двигатель содержит корпус 1 с днищами (условно не показаны), скрепленный с ним по наружной поверхности заряд 2, по крайней мере, с одним торцом (на чертеже не показано), раскрепленным от элементов корпуса 1, и центральным каналом 3, снабженным, например, одной кольцевой щелью 4. Каждый торец заряда может быть как горящим, так и не горящим, скрепленным с торцевым бронепокрытием. Кольцевая щель 4 размещена под углом α к продольной оси двигателя и характеризуется полушириной b в зоне выхода на канал 3 и радиусом вершины R.

Перед заполнением корпуса 1 двигателя топливом внутри него устанавливают оснастку, формирующую торец заряда 2 и его канал 3. На оснастке закрепляют неизвлекаемый формообразующий элемент, форма которого соответствует требуемой геометрии кольцевой щели 4. После полимеризации топлива оснастка из него извлекается за исключением элемента, сформировавшего кольцевую щель 4. После срабатывания воспламенителя (не показан) канал 3 и поверхность щели 4 воспламеняются. Процесс горения происходит параллельными слоями. Скорость горения неизвлекаемого формообразующего элемента и, соответственно, его материал определяют при проектировании конкретного двигателя.

Предложенный ракетный двигатель твердого топлива практически реализуем и позволяет удовлетворить давно существующую потребность в решении поставленной задачи.

Ракетный двигатель твердого топлива содержит корпус с днищами, скрепленный с ним по наружной поверхности заряд твердого топлива, по крайней мере, с одним торцом, раскрепленным от элементов корпуса, и центральным сквозным или глухим каналом, снабженным компенсатором поверхности горения топлива. Компенсатор поверхности горения топлива представляет собой, по меньшей мере, одну кольцевую щель, которая размещена у переднего или заднего днища. Кольцевая щель выполнена под прямым углом к продольной оси двигателя, при этом радиус вершины щели равен размеру ее полуширины, выходящей на канал заряда, или выполнена под углом к продольной оси двигателя, меньшим прямого, при этом радиус вершины щели превышает размер ее полуширины, выходящей на канал заряда. Геометрия щели сформирована неизвлекаемым формообразующим элементом. Угол наклона щели и направление наклона выбираются исходя из конфигурации системы днище - топливо и обеспечения требований к форме кривой диаграммы "давление - время". Изобретение позволяет снизить напряженно-деформированное состояние заряда и отклонение его внутрибаллистических характеристик. 2 ил.

Ракетный двигатель твердого топлива, содержащий корпус с днищами, скрепленный с ним по наружной поверхности заряд твердого топлива, по крайней мере, с одним торцом, раскрепленным от элементов корпуса, и центральным каналом, снабженным компенсатором поверхности горения топлива, отличающийся тем, что канал выполнен сквозным или глухим, компенсатор поверхности горения топлива представляет собой, по меньшей мере, одну кольцевую щель, которая размещена у переднего или заднего днища, выполнена под прямым углом к продольной оси двигателя, при этом радиус вершины щели равен размеру ее полуширины, выходящей на канал заряда, или выполнена под углом к продольной оси двигателя, меньшим прямого, при этом радиус вершины щели превышает размер ее полуширины, выходящей на канал заряда, причем геометрия щели сформирована неизвлекаемым формообразующим элементом, а угол наклона щели и направление наклона выбирают исходя из конфигурации системы днище - топливо и обеспечения требований к форме кривой диаграммы "давление - время".