РАКЕТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА Российский патент 2014 года по МПК F02K9/36 

Изобретение относится к ракетным двигателям на твердом топливе (РДТТ) и предназначено для применения при проектировании, отработке и изготовлении крупногабаритных РДТТ, в которых используются скрепленные с корпусом по цилиндрической части и раскрепленные манжетами по эллиптическим торцевым поверхностям заряды смесевого ракетного твердого топлива(СРТТ).

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является РДТТ (Патент РФ №2245450, опубл. 27.01.2005 г.), содержащий корпус с передним и задним днищами, скрепленный с ним по цилиндрической части канальный заряд с раскреплением манжетами на торцах.

Недостатком прототипа является наличие высоких отрывных напряжений в районе замков манжетных раскреплений, которые предопределяют высокий уровень требований к топливу по прочностным характеристикам и могут приводить к нарушению структурной целостности в краевых зонах скрепления заряда с корпусом на этапе предстартовой эксплуатации, на пассивном участке полета РДТТ и в процессе хранения, что снижает надежность конструкции, повышает вероятность брака изделия при изготовлении, исключает возможность использования инертных составов заряда с пониженным уровнем механических характеристик.

Задачей настоящего изобретения является создание конструкции РДТТ, позволяющей расширить эксплуатационные возможности, повысить параметры прочностной работоспособности в период предстартовой эксплуатации и пассивного (неработающего двигателя) участка полета РДТТ при обеспечении сохранения формы канала в процессе длительного хранения, а также увеличить диапазон используемых рецептур составов заряда до инертных, обладающих пониженным уровнем механических характеристик, за счет уменьшения уровня отрывных контактных напряжений в топливе в районе краевых зон скрепления заряда с корпусом.

При этом снижаются требования к прочностным характеристикам используемого топлива, повышаются параметры надежности при эксплуатации РДТТ, повышается технологический ресурс при изготовлении РДТТ (снижается вероятность изготовления забракованного по механическим характеристикам изделия). Появляется возможность исследовать поведение конструктивных элементов РДТТ при более жестких режимах предстартовой эксплуатации (нештатное охлаждение, транспортные нагрузки, повышенная длительность эксплуатационных нагрузок и т.п.).

Особый интерес представляет использование предлагаемого изобретения при разработке конструкции полноразмерных макетных (из инертного топлива) зарядов крупногабаритных (маршевых) РДТТ. Эти заряды применяют для исследования поведения РДТТ или комплекса в целом на этапе предстартовой эксплуатации при воздействии штатных и запредельных (например, температурных) нагрузок.

Поставленная задача решается ракетным двигателем твердого топлива, содержащим корпус с передним и задним днищами, скрепленный с ним по цилиндрической части канальный заряд с раскреплением манжетами на торцах. Особенность заключается в том, что фланец горловины переднего днища скреплен с кольцевым выступом перфорированного стакана, выполненного в виде полого цилиндра из сгораемого материала и размещаемого соосно в канале заряда с обеспечением раскрепления от него без зазора.

В частности, стакан выполнен длиной не менее осевого расстояния от фланца горловины переднего днища до половины проекции раскрепленной части переднего торца на ось канала заряда.

В частности, толщина стенки стакана выполнена уменьшающейся в сторону заднего днища.

В частности, перфорация стакана представляет собой щелевые прорези, размещенные вдоль его образующей на поверхности, обращенной к заряду, и круговые отверстия, выполненные на уровне заманжетного зазора, выходящего на канал заряда.

Предлагаемое изобретение отличается от прототипа наличием стакана, обеспечивающего поддержку нависающей раскрепленной части заряда. Конструктивные особенности стакана позволяют уменьшить его весовые характеристики, обеспечить постепенное выгорание стакана и предотвращают его отрыв от переднего днища.

Из уровня техники известны РДТТ, конструкция которых содержит элемент, соосно размещенный в корпусе (Патенты РФ №2221159, 2303153, 2305790, 2326260). Все технические решения относятся к двигателям, канал заряда которых прочно скреплен тем или иным образом с элементом из несгораемого материала, конструктивные особенности которого обусловлены выполнением заряда именно вкладным. Известные технические решения решают каждый свою задачу, но не направлены на разгрузку зоны замков манжетных раскреплений в силу отсутствия в конструкции таких зон.

Предлагаемый РДТТ иллюстрируется графическими изображениями.

На Фиг.1 показан общий вид РДТТ предлагаемой конструкции.

На Фиг.2 представлен вид А на Фиг.1 передней части двигателя со стаканом.

РДТТ содержит корпус 1 с передним 2 и задним 3 днищами. В корпусе 1 размещен заряд 4, скрепленный с ним по цилиндрической части и раскрепленный манжетами 5 на торцах. Фланец 6 горловины переднего днища 2 скреплен с кольцевым выступом 7 стакана 8. Стакан 8 оснащен щелевыми прорезями 9 и круговыми отверстиями 10, которые обеспечивают проход газов во время работы двигателя. Стакан 8 выполнен в виде цилиндра из сгораемого материала и размещен соосно в канале 11 заряда 4 с обеспечением раскрепления от заряда 4 без зазора. Длина стакана 8 составляет не менее осевого расстояния от фланца 6 горловины переднего днища 2 до половины проекции раскрепленной части переднего торца на ось канала 11 заряда 4 (L - длина проекции раскрепленной части переднего торца на ось канала 11 заряда 4).

Сборку стакана 8 с фланцем 6 горловины переднего днища 2 осуществляют до заполнения составом заряда 4 корпуса 1.

В процессе предстартовой эксплуатации в горизонтальном положении двигателя нижняя половина раскрепленного переднего торца заряда 4 опирается на днище 2, а верхняя частично опирается на нижнюю часть днища 2, а частично на стакан 8. Поддержка верхней половины раскрепленного переднего торца заряда 4 стаканом 8 снижает отрывные напряжения на границе скрепления заряда 4 с корпусом 1 в зоне замка манжеты 5.

Предлагаемый РДТТ работает следующим образом. При запуске двигателя воспламеняется канальная часть заряда 4. Продукты сгорания воспламенителя (условно не показан) и топлива из канала 11 заряда 4 проходят через перфорации 9 и 10 стакана 8 и попадают в заманжетную полость раскрепленного переднего торца заряда 4. Одновременно, распространяясь по каналу заряда 4, продукты сгорания заходят в заманжетную полость заднего торца заряда 4 и истекают через сопло 12 двигателя, создавая необходимую реактивную тягу. Стакан 8 в процессе работы РДТТ выгорает, не оказывая негативного влияния на штатную работу двигателя.

Для скрепленного с корпусом по цилиндрической части крупногабаритного заряда СРТТ массой около 20 тонн численными методами конечного элемента (Аликин В.Н., Милехин Ю.М., Пак З.П. Пороха, топлива, заряды. T.1. Методы математического моделирования для исследования зарядов твердого топлива. М.: Химия, 2003, 216 с.) проведен расчет контактных напряжений в передней краевой зоне скрепления заряда от действия поперечных массовых сил (γ_у) для двух случаев:

- канал заряда в передней части свободен;

- передняя часть канала оснащена стаканом длиной, составляющей 0,6 от длины осевого расстояния от фланца горловины переднего днища до половины проекции раскрепленной части переднего торца на ось канала заряда.

Результаты численных расчетов показали, что в первом случае (в зависимости от свободного объема канала заряда) от действия поперечных массовых сил (γ_у) в зоне раскрепления возникают отрывные контактные напряжения порядка 0,38-0,4 кгс/см².

Оснащение канала заряда стаканом приводит к снижению отрывных контактных напряжений от поперечных массовых сил на 20%.

Перфорированный стакан, изготовленный из сгораемого материала (например, из органопластика, стеклопластика и т.п.), для рассматриваемого типа двигателя весит 7-8 кг, что минимизирует увеличение пассивной массы двигателя.

Проведенные расчеты свидетельствуют об эффективности предлагаемой конструкции РДТТ.

Заявляемое техническое решение практически реализуемо и позволяет решить поставленную задачу.

Изобретение относится к ракетным двигателям на твердом топливе и предназначено для применения при проектировании, отработке и изготовлении крупногабаритных ракетных двигателей на твердом топливе. Ракетный двигатель включает корпус с передним и задним днищами, а также скрепленный с корпусом по цилиндрической части канальный заряд с раскреплением манжетами на торцах. Фланец горловины переднего днища скреплен с кольцевым выступом перфорированного стакана, выполненного в виде полого цилиндра из сгораемого материала и размещаемого соосно в канале заряда с обеспечением раскрепления от него без зазора. Стакан выполнен длиной не менее осевого расстояния от фланца горловины переднего днища до половины проекции раскрепленной части переднего торца на ось канала заряда. Толщина стенки стакана выполнена уменьшающейся в сторону заднего днища. Перфорация стакана представляет собой щелевые прорези, размещенные вдоль его образующей на поверхности, обращенной к заряду, и круговые отверстия, выполненные на уровне заманжетного зазора, выходящего на канал заряда. Изобретение позволяет уменьшить уровень отрывных контактных напряжений в топливе в районе краевых зон скрепления заряда с корпусом. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Ракетный двигатель твердого топлива, содержащий корпус с передним и задним днищами, скрепленный с ним по цилиндрической части канальный заряд с раскреплением манжетами на торцах, отличающийся тем, что фланец горловины переднего днища скреплен с кольцевым выступом перфорированного стакана, выполненного в виде полого цилиндра из сгораемого материала и размещаемого соосно в канале заряда с обеспечением раскрепления от него без зазора.

2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что стакан выполнен длиной не менее осевого расстояния от фланца горловины переднего днища до половины проекции раскрепленной части переднего торца на ось канала заряда.

3. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что толщина стенки стакана выполнена уменьшающейся в сторону заднего днища.

4. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что перфорация стакана представляет собой щелевые прорези, размещенные вдоль его образующей на поверхности, обращенной к заряду, и круговые отверстия, выполненные на уровне заманжетного зазора, выходящего на канал заряда.