СПОСОБ ВОСПЛАМЕНЕНИЯ ЗАРЯДА ТВЕРДОГО ТОПЛИВА И РАКЕТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ Российский патент 2014 года по МПК F02K9/95 

Предлагаемое изобретение относится к области ракетной техники и может найти применение в двигателях и автономных бортовых источниках энергии.

Известен способ воспламенения заряда твердого топлива [Основы теории рабочих процессов в ракетных системах на твердом топливе. Райзберг Б.А., Ерохин Б.Т., Самсонов К.П. М., Машиностроение, 1972 г., стр.192-196.], принятый авторами за прототип, включающий зажжение воспламенительного состава электровоспламенителем, сжигание воспламенительного состава и перемещение продуктов его сгорания вдоль поверхности заряда, ее нагрев и воспламенение. При этом при перемещении продуктов сгорания воспламенительного состава вдоль поверхности заряда обеспечивается ее нагрев и накопление в прогретом слое топлива определенного количества тепла, достаточного для воспламенения топлива и поддержания дальнейшего процесса его горения. Количество тепла, поступающее от продуктов сгорания воспламенительного состава к топливу, зависит от длительности процесса воспламенения, площади поверхности, омываемой продуктами сгорания воспламенительного состава, и интенсивности теплоотдачи. При этом требуемая надежность воспламенения зарядов торцевого горения маршевых двигателей и пороховых аккумуляторов давления при реализации известного способа может обеспечиваться за счет прогрева поверхности заряда в течение длительного времени либо увеличения массы воспламенительного состава, так как заряды торцевого горения имеют незначительную начальную поверхность горения. Но при увеличении массы воспламенительного состава повышается не только надежность воспламенения, но и максимальное давление в двигателе, что недопустимо.

Известна конструкция маршевого ракетного двигателя твердого топлива, реализующая известный способ воспламенения заряда твердого топлива [патент RU №2267024, опубликован 27.12.2005 г., бюл. №36], принятая за прототип и содержащая камеру сгорания с передним и сопловым днищами, пороховой заряд с небронированным сопловым торцом и воспламенитель на сопловом дне, размещенный в полости, образованной небронированным сопловым торцом заряда и углублением в сопловом дне напротив электрозапала, с установленной на переднем дне камеры сгорания опорой из упругодеформируемого материала.

В конструкции прототипа обеспечена повышенная надежность воспламенения за счет того, что полость с воспламенителем служит своеобразной форкамерой, в которой интенсивно сгорает навеска воспламенителя, зажигая прилегающую поверхность порохового заряда. Опора из упругодеформируемого материала на переднем дне камеры играет роль клапана: при повышении давления опора сжимается, газы воспламенителя сбрасываются из полости через образовавшийся зазор, предотвращая повышение давления и незначительно растягивая по времени процесс воспламенения.

Однако надежность воспламенения, обеспечиваемая известной конструкцией является недостаточной, что обусловлено расположением воспламенителя вблизи сопла, малой величиной предсоплового объема (малым временем нахождения продуктов сгорания в объеме), а также тем, что воздействию конденсированных продуктов сгорания воспламенительного состава подвергается только часть поверхности заряда, ограниченная размерами полости. При этом при срабатывании воспламенителя заряд подвергается локальной сосредоточенной нагрузке, что может привести к его перекосу в пределах зазоров. В результате возможно перетекание продуктов сгорания заряда у бронированной наружной поверхности заряда, нерасчетный нагрев топлива под бронировкой и недопустимое изменение выходных характеристик двигателя.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение надежности воспламенения зарядов торцевого горения, в частности зарядов маршевых двигателей с малым предсопловым объемом.

Решение поставленной задачи достигается способом воспламенения заряда твердого топлива, включающим зажжение воспламенительного состава, перемещение его продуктов сгорания вдоль поверхности заряда, ее нагрев и воспламенение, в котором зажжение воспламенительного состава осуществляют по частям, в несколько приемов, используя продукты сгорания уже горящей части воспламенительного состава для перемещения и распределения по свободному объему незажженного воспламенительного состава, при этом у поверхности заряда продукты сгорания воспламенительного состава ускоряют и создают область с турбулентным режимом течения.

Способ реализуется ракетным двигателем твердого топлива, содержащим камеру сгорания, заряд с небронированным сопловым торцом и воспламенитель, размещенный в полости, образованной небронированным сопловым торцом заряда и углублением в сопловом дне напротив электрозапала, в котором воспламенитель выполнен в виде нескольких пакетов из сгораемого материала с помещенным внутрь воспламенительным составом, размещенных один над другим, и зафиксирован в полости рассекателем, выполненным из эластичного материала, рассекатель установлен между небронированным сопловым торцом заряда и сопловым дном напротив электрозапала, а полость выполнена сообщающейся с предсопловым объемом кольцевым газоводом, выполненным по внешнему диаметру соплового днища.

В центре соплового днища со стороны торца заряда может быть выполнена сообщающаяся с торцом заряда цилиндрическая полость.

Пакеты воспламенителя могут быть размещены с обеих сторон рассекателя и закреплены на нем с помощью нити.

Благодаря тому, что зажжение воспламенительного состава осуществляют по частям, в несколько приемов, становится возможным увеличение количества воспламенительного состава без увеличения уровня давления в двигателе, так как максимальное давление обеспечивается только при одновременном зажжении всего воспламенительного состава.

Благодаря зажжению воспламенительного состава в несколько приемов и использованию продуктов сгорания уже горящей части воспламенительного состава для перемещения и распределения по свободному объему незажженного воспламенительного состава обеспечивается:

- увеличение времени воздействия продуктов сгорания воспламенительного состава на поверхность заряда за счет более позднего воспламенения негорящей части воспламенительного состава;

- интенсификация воспламенения за счет контактного теплообмена конденсированных продуктов сгорания воспламенительного состава со всей воспламеняемой поверхностью.

Исключается возможность перекоса заряда и нагрева топлива под бронировкой за счет того, что продукты сгорания горящей части воспламенительного состава оказывают меньшее силовое воздействие на заряд и распределяют незажженный воспламенительный состав равномерно по свободному объему. При этом при воспламенении оставшейся равномерно распределенной по объему части воспламенительного состава ее продукты сгорания воздействуют более равномерно на всю воспламеняемую поверхность.

Ускорение продуктов сгорания воспламенительного состава у поверхности заряда и создание области с турбулентным режимом течения увеличивает количество тепла, подводимого к поверхности заряда, и также повышает надежность воспламенения.

Благодаря тому что воспламенитель выполнен в виде нескольких пакетов из сгораемого материала с помещенным внутрь воспламенительным составом, размещенных один над другим, а полость выполнена сообщающейся с предсопловым объемом кольцевым газоводом, выполненным по внешнему диаметру соплового днища, обеспечивается:

- последовательное зажжение воспламенительного состава по частям - первым зажигается состав в пакете, расположенном непосредственно напротив электрозапала и так далее, причем пакет, расположенный у рассекателя, разрушается о рассекатель механически до зажжения состава и последний выбрасывается негорящим в предсопловой объем;

- равномерное воздействие газообразных продуктов сгорания воспламенительного состава из пакета, расположенного непосредственно напротив электрозапала, на поверхность заряда за счет кольцевого газовода;

- воспламенение с задержкой по времени воспламенительного состава, выброшенного негорящим в предсопловой объем из пакета, расположенного у рассекателя.

Рассекатель, выполненный из эластичного материала и установленный между небронированным сопловым торцом заряда и сопловым дном напротив электрозапала, завихряет продукты сгорания воспламенительного состава, истекающие из полости, образованной небронированным сопловым торцом заряда и углублением в сопловом дне напротив электрозапала, ускоряет их за счет местного уменьшения проходного сечения и создает область с турбулентным режимом течения у воспламеняемой поверхности, интенсифицируя теплообмен и повышая тем самым надежность воспламенения. Применение эластичного материала исключает возможность разрушения соплового торца заряда и самого рассекателя в процессе разрушения о него пакета с воспламенительным составом.

Пакеты воспламенителя могут быть размещены с обеих сторон рассекателя и закреплены на нем с помощью нити. В этом случае воспламенительный состав в пакетах, размещенных со стороны торца заряда, будет загораться с задержкой от прошедших через кольцевой газовод продуктов сгорания воспламенительного состава из пакета, расположенного непосредственно напротив электрозапала, благодаря чему уменьшается уровень максимального давления при срабатывании воспламенителя и увеличивается время воздействия продуктов сгорания воспламенительного состава на заряд.

Цилиндрическая полость в центре соплового днища со стороны торца заряда, выполненная сообщающейся с торцом заряда, увеличивает предсопловой объем и обеспечивает увеличение времени пребывания у поверхности заряда воспламенительного состава из пакетов, разрушающихся о рассекатель механически до зажжения состава.

В графических материалах показан двигатель в разрезе, реализующий предлагаемый способ воспламенения (фиг.1 - продольный разрез, фиг.2 - поперечный, фиг.3 - продольный разрез варианта с размещением пакетов воспламенителя с обеих сторон рассекателя). Двигатель включает камеру сгорания 1 с передним и сопловым дном, бронированный по части поверхности пороховой заряд 2 и воспламенитель 3, который размещен в полости 4, образованной сопловым небронированным торцом заряда и углублением, выполненным в теплозащитном покрытии соплового дна. Электрозапал 5 установлен на сопловом дне двигателя и направлен в воспламенитель 3, размещенный в полости 4.

Воспламенитель 3 выполнен в виде нескольких пакетов 6 из сгораемого материала. Внутрь каждого пакета помещен воспламенительный состав 7. Пакеты размещены один над другим и зафиксированы в полости 4 рассекателем 8, установленным между небронированным торцом заряда и сопловым дном напротив электрозапала 5. Полость 4 выполнена сообщающейся с предсопловым объемом кольцевым газоводом 9, выполненным по внешнему диаметру соплового днища. В центре соплового днища со стороны торца заряда 2 может быть выполнена сообщающаяся с торцом заряда цилиндрическая полость 10.

Пакеты 6 воспламенителя могут быть размещены с обеих сторон рассекателя 8 и закреплены на нем с помощью нити 11.

Реализующий предлагаемый способ воспламенения двигатель работает следующим образом.

При срабатывании электрозапала 5 зажигается воспламенительный состав 7 в пакете 6, размещенном непосредственно напротив электрозапала. Продукты сгорания воспламенительного состава воздействуют на следующие пакеты, при этом пакет, расположенный у рассекателя 8, разрушается о рассекатель механически до зажжения состава 7 и последний выбрасывается негорящим в предсопловой объем, а продукты сгорания уже горящей части воспламенительного состава из полости 4 поступают в кольцевой газовод 9 и по нему к соплам и небронированному торцу заряда 2, воспламеняя его. Зажжение воспламенительного состава 7, выброшенного негорящим в предсопловой объем из пакета 6, расположенный у рассекателя 8 осуществляется с задержкой по времени, после его распределения по объему между небронированным торцом заряда и сопловым дном двигателя, при этом с максимальной задержкой воспламеняется состав, попавший в цилиндрическую полость 10. После зажжения воспламенительного состава в полости 4 продукты его сгорания подаются к торцу заряда по газоводу 9 и через проходное сечение между стенками полости и рассекателем 8, который дополнительно завихряет поток у воспламеняемой поверхности.

Таким образом, предлагаемый способ воспламенения заряда твердого топлива и реализующий его ракетный двигатель твердого топлива обеспечивают повышение надежности воспламенения зарядов торцевого горения, в частности зарядов маршевых двигателей с малым предсопловым объемом.

При воспламенении заряда твердого топлива зажигают воспламенительный состав, перемещают его продукты сгорания вдоль поверхности заряда, нагревают последнюю и воспламеняют. Зажжение воспламенительного состава осуществляют по частям, в несколько приемов, используя продукты сгорания уже горящей части воспламенительного состава для перемещения и распределения незажженного воспламенительного состава по свободному объему. У поверхности заряда продукты сгорания воспламенительного состава ускоряют и создают область с турбулентным режимом течения. Другое изобретение группы относится к ракетному двигателю, содержащему камеру сгорания, заряд с небронированным сопловым торцом и воспламенитель, размещенный в полости, образованной небронированным сопловым торцом заряда и углублением в сопловом дне напротив электрозапала. Воспламенитель выполнен в виде нескольких пакетов из сгораемого материала с помещенным внутрь воспламенительным составом, размещенных один над другим, и зафиксирован в полости рассекателем. Рассекатель выполнен из эластичного материала и установлен между небронированным сопловым торцом заряда и сопловым дном напротив электрозапала. Полость выполнена сообщающейся с предсопловым объемом кольцевым газоводом, выполненным по внешнему диаметру соплового днища. Группа изобретений позволяет повысить надежность воспламенения зарядов торцевого горения. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ воспламенения заряда твердого топлива, включающий зажжение воспламенительного состава, перемещение его продуктов сгорания вдоль поверхности заряда, ее нагрев и воспламенение, отличающийся тем, что зажжение воспламенительного состава осуществляют по частям, в несколько приемов, используя продукты сгорания уже горящей части воспламенительного состава для перемещения и распределения по свободному объему незажженного воспламенительного состава, при этом у поверхности заряда продукты сгорания воспламенительного состава ускоряют и создают область с турбулентным режимом течения.

2. Ракетный двигатель твердого топлива, содержащий камеру сгорания, заряд с небронированным сопловым торцом и воспламенитель, размещенный в полости, образованной небронированным сопловым торцом заряда и углублением в сопловом дне напротив электрозапала, отличающийся тем, что воспламенитель выполнен в виде нескольких пакетов из сгораемого материала с помещенным внутрь воспламенительным составом, размещенных один над другим, и зафиксирован в полости рассекателем, выполненным из эластичного материала, рассекатель установлен между небронированным сопловым торцом заряда и сопловым дном напротив электрозапала, а полость выполнена сообщающейся с предсопловым объемом кольцевым газоводом, выполненным по внешнему диаметру соплового днища.

3. Ракетный двигатель твердого топлива по п.2, отличающийся тем, что в центре соплового днища со стороны торца заряда выполнена сообщающаяся с ним цилиндрическая полость.

4. Ракетный двигатель твердого топлива по п.2 или 3, отличающийся тем, что пакеты воспламенителя размещены с обеих сторон рассекателя и закреплены на нем с помощью нити.