УЗЕЛ СОПЛА, РАКЕТА, СОДЕРЖАЩАЯ ТАКОЙ УЗЕЛ, И СПОСОБ ОТКЛОНЕНИЯ ВЕКТОРА ТЯГИ ПОСРЕДСТВОМ УКАЗАННОГО УЗЛА Российский патент 2023 года по МПК F02K9/84 

Уровень техники

[0001] Известно, что двигатели малой тяги (маневровые двигатели), например, для ракет и других аэрокосмических летательных аппаратов, наземных транспортных средств, морских транспортных средств или других систем, содержат сужающиеся-расширяющиеся сопла, которые выбрасывают высокоскоростную реактивную струю текучей среды, создающую тягу. Двигатели малой тяги могут также содержать регулирующие клапаны для подачи текучей среды под требуемым давлением.

Раскрытие сущности изобретения

[0002] Узел сопла в соответствии с примерным аспектом настоящего изобретения включает в себя, помимо прочего, сопло, содержащее горловину.

Сопло также содержит шаровую часть шарового шарнирного соединения. Кроме того, узел включает в себя транспортное средство, которое содержит гнездовую часть шарового шарнирного соединения. Сопло смонтировано на транспортном средстве, и шаровая часть по меньшей мере частично входит в гнездовую часть. Регулятор расхода расположен смежно с горловиной и выполнен с возможностью регулирования расхода текучей среды через горловину. Регулятор расхода прикреплен к соплу выше по потоку от горловины. Привод прикреплен к соплу и выполнен с возможностью выборочного вращения сопла посредством шарового шарнирного соединения вокруг первой оси, перпендикулярной продольной оси транспортного средства.

[0003] В другом неограничивающем варианте осуществления вышеуказанного узла сопла привод дополнительно выполнен с возможностью выборочного вращения сопла вокруг второй оси, перпендикулярной к продольной оси транспортного средства и первой оси.

[0004] В другом неограничивающем варианте осуществления любого из вышеуказанных узлов сопла этот узел содержит множество сопел и соответствующее множество регуляторов расхода, причем каждое из множества сопел встроено в шаровую часть шарового шарнирного соединения.

[0005] В другом неограничивающем варианте осуществления любого из вышеуказанных узлов сопла каждый из множества регуляторов расхода выполнен с возможностью работы либо независимо друг от друга, либо в координации друг с другом.

[0006] В другом неограничивающем варианте осуществления любого из вышеуказанных узлов сопла шаровая часть представляет собой полусферический подшипник, а гнездовая часть представляет собой полусферическое гнездо, окружающее по меньшей мере частично шаровую часть.

[0007] В другом неограничивающем варианте осуществления любого из вышеуказанных узлов сопла регулятор расхода содержит штифт, подвижный в направлении, параллельном продольной оси сопла, относительно седла для регулирования расхода текучей среды через область горловины.

[0008] В другом неограничивающем варианте осуществления любого из вышеуказанных узлов сопла штифт содержит хвостовик, головку, имеющую больший диаметр, чем хвостовик, и сужающуюся поверхность, отходящую от головки, причем сужающаяся поверхность выполнена с возможностью контакта с седлом, и линейная позиция сужающейся поверхности относительно седла изменяет размер проходного сечения, через которое текучая среда может протекать по горловине.

[0009] В другом неограничивающем варианте осуществления любого из вышеуказанных узлов сопла сужающаяся поверхность постепенно уменьшается в диаметре от головки к свободному концу штифта.

[0010] В другом неограничивающем варианте осуществления любого из вышеуказанных узлов сопла, штифт является одним из множества штифтов, расположенных смежно с горловиной, и каждый из множества штифтов выполнен с возможностью независимого перемещения.

[0011] В другом неограничивающем варианте осуществления любого из вышеуказанных узлов сопла множество штифтов представляет собой четыре штифта, расположенных на расстоянии друг от друга вокруг продольной оси сопла.

[0012] В другом неограничивающем варианте осуществления любого из вышеперечисленных узлов сопла, узел содержит множество линейных приводов, каждый из которых выполнен с возможностью выборочного перемещения соответственно одного из множества штифтов.

[0013] В другом неограничивающем варианте осуществления любого из вышеуказанных узлов сопла указанное сопло содержит расширяющуюся секцию, отходящую от горловины.

[0014] В другом неограничивающем варианте осуществления любого из вышеуказанных узлов сопла транспортное средство представляет собой ракетный двигатель.

[0015] Ракета в соответствии с примерным аспектом настоящего изобретения содержит, помимо прочего, корпус, топливо, хранящееся внутри корпуса, камеру сгорания, расположенную внутри корпуса, и узел сопла, прикрепленный к корпусу и выполненный с возможностью выброса продуктов сгорания из камеры. Узел сопла включает в себя собственно сопло, содержащее горловину, регулятор расхода, расположенный смежно с горловиной и выполненный с возможностью регулирования расхода продуктов, выбрасываемых из камеры сгорания через горловину, и поворотное шаровое соединение, выполненное с возможностью выборочного вращения регулятора расхода и сопла.

[0016] В другом неограничивающем варианте осуществления вышеуказанной ракеты регулятор расхода содержит штифт, линейно подвижный относительно седла.

[0017] В другом неограничивающем варианте осуществления любой из вышеуказанных ракет штифт является одним из множества штифтов, расположенных смежно с горловиной, и каждый из множества штифтов выполнен с возможностью независимого перемещения с помощью соответствующего линейного привода.

[0018] В другом неограничивающем варианте осуществления любой из вышеуказанных ракет, множество штифтов представляет собой четыре штифта, расположенных на расстоянии друг от друга вокруг продольной оси сопла.

[0019] Способ в соответствии с примерным аспектом настоящего изобретения предусматривает, помимо прочего, отклонение вектора тяги корпуса путем регулирования позиции сопла относительно корпуса с помощью поворотного соединения и регулирования позиции регулятора расхода, расположенного смежно с горловиной сопла.

[0020] В другом неограничивающем варианте осуществления вышеуказанного способа регулятор расхода содержит штифт, и при этом регулирование позиции регулятора расхода предусматривает линейное перемещение штифта в направлении, параллельном продольной оси сопла.

Краткое описание чертежей

[0021] На фиг. 1 схематично показан пример ракеты, содержащей примерный узел сопла.

[0022] На фиг. 2 показан пример регулятора расхода.

[0023] На фиг. 3 показан пример поворотного шарового соединения.

[0024] На фиг. 4 показан второй пример узла сопла.

Осуществление изобретения

[0025] На фиг. 1 схематически показано транспортное средство 20, которое может быть ракетой, снарядом, космическим кораблем, самолетом или другим транспортным средством. Транспортное средство 20 получает тягу от двигателя 22 малой тяги, который в данном примере представляет собой ракетный двигатель. Хотя транспортное средство и ракетный двигатель показаны на фиг. 1 и обсуждаются в данном документе, настоящее изобретение не ограничено ракетами или ракетными двигателями, и в частности относится к узлам сопла для других транспортных средств, в том числе космических, воздушных, наземных и морских. Настоящее изобретение также применимо к узлам сопла для двигателей малой тяги в реактивных системах управления.

[0026] Транспортное средство 20 в целом расположено вдоль продольной оси R и в данном примере содержит корпус 24, проходящий вдоль этой продольной оси R транспортного средства. Корпус 24 представляет собой внешний корпус транспортного средства 20. Корпус 24 может иметь цельную или многокомпонентную структуру.

[0027] Внутри корпуса 24 хранится по меньшей мере один вид ракетного топлива 26. Топливо 26 может быть монотопливом, хранящимся в одном баке, или двумя отдельными видами топлива, а именно топливом и окислителем, хранящимися в отдельных баках. Топливо 26 связано по текучей среде с камерой 28 сгорания, расположенной внутри корпуса 24. Камера 28 сгорания связана по текучей среде с узлом 30 сопла. Хотя в данном документе упоминаются топливо и камера сгорания, настоящее раскрытие распространяется на двигатели малой тяги без камеры сгорания, в том числе двигатели малой тяги на холодном газе и термоядерные ракетные двигатели.

[0028] Узел 30 сопла выполнен с возможностью выброса высокоскоростной реактивной струи текучей среды для создания тяги для транспортного средства 20. В частности, в этом примере узел 30 сопла выполнен с возможностью выброса продуктов сгорания из камеры 28 сгорания.

[0029] Узел 30 сопла включает в себя собственно сопло 32, содержащее узкую горловину 34 и расширяющуюся секцию 36, отходящую от горловины 34 по продольной оси N сопла. Расширяющаяся секция 36 постепенно увеличивается в диаметре по мере удаления от горловины 34 по продольной оси N сопла.

[0030] Узел 30 сопла содержит регулятор 38 расхода, который подробно показан на фиг. 2. Регулятор 38 расхода расположен смежно с горловиной 34 и выполнен с возможностью регулирования расхода текучей среды (то есть продуктов камеры 28 сгорания) через горловину 34. В данном примере регулятор 38 расхода содержит штифт 40, имеющий хвостовик 42 и головку 44 с сужающейся поверхностью 46, постепенно уменьшающейся в диаметре по направлению к свободному концу головки 44. Сужающаяся поверхность 46 обращена к седлу 48 и выполнена с возможностью контакта с седлом 48 в закрытой позиции. Относительное расстояние между сужающейся поверхностью 46 и седлом 48 задает размер проходного сечения, через которое текучая среда может протекать по горловине 34. В одном из примеров относительная позиция сужающейся поверхности 46 и седла 48 может иметь плавную регулировку. В этом смысле регулятор 38 расхода может перемещаться между закрытой позицией и некоторым количеством открытых позиций.

[0031] Сужающаяся поверхность 46 может выборочно перемещаться относительно седла 48 в направлении, параллельном продольной оси N сопла, с помощью линейного привода 50. В этом примере сужающаяся поверхность 46 может линейно перемещаться вдоль продольной оси N сопла. Линейный привод 50 в этом примере представляет собой привод с шариковыми винтами, но настоящее изобретение распространяется и на другие типы приводов. Линейный привод 50 механически соединен с хвостовиком 42, который в свою очередь механически соединен с головкой 44.

[0032] В данном примере линейный привод 50 реагирует на команды от контроллера 52. Контроллер 52 схематично показан на фиг. 1. Контроллер 52 содержит электронику, программное обеспечение или и то, и другое для выполнения функций, раскрытых в настоящем документе. Хотя контроллер 52 показан как единое устройство, он может представлять собой несколько контроллеров в виде нескольких аппаратных устройств или нескольких программных контроллеров в одном или нескольких аппаратных устройствах. Контроллер 52 может отдавать команды различным компонентам транспортного средства 20 на основе выходных данных одного или нескольких датчиков, на основе сигналов, передаваемых по беспроводной связи на транспортное средство 20, на основе запрограммированного плана полета и/или на основе других входных данных.

[0033] В настоящем изобретении сопло 32 и регулятор 38 расхода прикреплены к корпусу 24 с помощью поворотного шарового соединения 54, которое, предположительно, лучше всего видно на фиг. 3. Поворотное шаровое соединение 54 выполнено с возможностью выборочного вращения сопла 32 и регулятора 38 расхода относительно продольной оси R транспортного средства.

[0034] Поворотное шаровое соединение 54 содержит полусферический подшипник (то есть шар) 56, размещенный в полусферическом гнезде (то есть гнезде) 58, окружающем по меньшей мере часть подшипника 56. В конкретном примере привод (приводы) 60 выполнен (выполнены) с возможностью перемещения подшипника 56 в двух плоскостях, в том числе путем наклона подшипника 56 относительно продольной оси R транспортного средства и вращения подшипника 56 вокруг продольной оси R транспортного средства. В этом отношении привод (приводы) 60 выполнен (выполнены) с возможностью перемещения подшипника 56 и, в свою очередь, сопла 32 вокруг первой и второй осей, каждая из которых перпендикулярна продольной оси R транспортного средства и каждая из которых перпендикулярна друг к другу. В одном из примеров первая ось проходит по существу внутрь и наружу страницы относительно фиг. 1, а вторая ось проходит в направлении вверх и вниз относительно фиг. 1. В одном из примеров подшипник 56 может иметь плавную регулировку в этих двух плоскостях относительно гнезда 58. Гнездо 58 имеет размер и форму, препятствующие перемещению подшипника 56 относительно гнезда 58 в любом направлении, в том числе вдоль продольной оси R транспортного средства. Таким образом, в некоторых примерах поворотное шаровое соединение 54 называется защемленным шаровым шарниром.

[0035] В данном примере подшипник 56 является полым и содержит центральный проход 62. В одном из примеров сопло 32 может быть сформировано как одно целое с подшипником 56. Кроме того, регулятор 38 расхода в данном примере жестко смонтирован в центральном проходе 62. Таким образом, при вращении подшипника 56 в гнезде 58 продольная ось N сопла также будет вращаться относительно продольной оси R транспортного средства, обеспечивая необходимое отклонение вектора тяги в ходе выполнения конкретной задачи. Можно управлять узлом 30 сопла, а именно регулятором 38 расхода и шаровым шарниром 54, для обеспечения управления углом наклона (тангажем) и углом поворота (рысканием) транспортного средства 20 в ходе выполнения задачи.

[0036] Настоящее изобретение обеспечивает адекватное управление тангажем и рысканием, не требуя большого сопла. В частности, длина сопла 32 существенно уменьшена по сравнению с существующими соплами. В одном конкретном примере длина сопла 32 находится в пределах 15-20% от общей длины транспортного средства 20. В другом примере длина сопла 32 составляет менее 10% от общей длины транспортного средства 20. Это, в свою очередь, уменьшает вес транспортного средства 20 и позволяет создавать конструкции, у которых размеры бака (баков) для хранения топлива могут быть увеличены, обеспечивая потенциально более длительные полеты.

[0037] Другой пример узла 130 сопла показан на фиг. 4. В той степени, в которой не раскрыто или не показано иное, узел 130 сопла соответствует варианту осуществления изобретения, показанному на фиг. 1-3, при этом аналогичные детали имеют ссылочные номера с предшествующей "1", если ниже не указано иное.

[0038] Узел 130 сопла содержит множество регуляторов 138A-138D расхода, которые расположены относительно соответствующих горловин 134A-134D. Продукты камеры сгорания могут быть разделены на четыре равные части, причем каждая часть течет к соответствующему регулятору 138A-138D расхода. Сопло 132 содержит четыре расширяющиеся секции 136A-136D, постепенно увеличивающиеся в диаметре, отходящие от соответствующих горловин 134А-134D.

[0039] Регуляторы 138A-138D расхода расположены по существу аналогично регулятору 38 расхода и в частности выполнены с возможностью перемещения между закрытой и несколькими открытыми позициями. Регуляторы 138A-138D расхода выполнены с возможностью независимого перемещения с помощью соответствующих линейных приводов, каждый из которых аналогичен линейному приводу 50, в ответ на команды контроллера. В качестве альтернативы, регуляторы 138A-138D расхода управляются в координации друг с другом таким образом, что регуляторы 138A-138D расхода совершают практически одинаковые движения в практически одинаковое время. Для этого регуляторы 138A-138D расхода могут перемещаться с помощью общего линейного привода. Регуляторы 138A-138D расхода расположены вдоль соответствующих осей, которые параллельны продольной оси N сопла и находятся по окружности на расстоянии друг от друга вокруг продольной оси N сопла. Управляя регуляторами 138A-138D расхода, можно управлять креном ракеты во время полета, что устраняет необходимость в отдельной системе управления креном. Таким образом, узел 130 сопла может управлять тангажем, рысканием и креном. Кроме того, благодаря разделению сопла 132 на четыре секции, сопло 132 может быть даже короче, чем сопло 32 в некоторых примерах, что дает возможность увеличить пространство, например, для топлива.

[0040] Следует понимать, что, если не указано иное, такие термины, как "осевой", "радиальный" и "окружной", использованы выше со ссылкой на нормальное рабочее положение транспортного средства 20. Кроме того, эти термины использованы в настоящем документе в целях пояснения и не должны рассматриваться как ограничивающие. Такие термины, как "в целом", "по существу" и "приблизительно", не являются безграничными, их следует интерпретировать в соответствии с тем, как это будет делать специалист в данной области.

[0041] Хотя различные примеры имеют свои специфические компоненты, показанные на чертежах, варианты осуществления настоящего изобретения не ограничены этими конкретными комбинациями. Можно использовать некоторые из компонентов или признаков из одного примера в комбинации с признаками или компонентами из другого примера. Кроме того, различные чертежи, сопровождающие настоящее раскрытие, не обязательно выполнены в масштабе, и некоторые детали могут быть увеличены или минимизированы, чтобы показать определенные детали конкретного компонента или схемы расположения.

[0042] Специалист средней квалификации в данной области техники поймет, что раскрытые выше варианты осуществления изобретения являются примерными и не ограничивающими. То есть модификации настоящего изобретения будут входить в объем формулы изобретения. В соответствии с этим следует изучить приведенную ниже формулу изобретения для определения его истинного объема и содержания.

Изобретение относится к узлу сопла двигателя малой тяги. Узел сопла включает в себя, помимо прочего, сопло, содержащее горловину. Сопло также включает в себя шаровую часть шарового шарнирного соединения. Кроме того, узел содержит транспортное средство, которое включает в себя гнездовую часть шарового шарнирного соединения. Сопло установлено на транспортном средстве, и шаровая часть по меньшей мере частично входит в гнездовую часть. Регулятор расхода расположен смежно с горловиной и выполнен с возможностью регулирования расхода текучей среды через горловину. Регулятор расхода прикреплен к соплу выше по потоку от горловины. Привод прикреплен к соплу и выполнен с возможностью выборочного вращения сопла посредством шарового шарнирного соединения вокруг первой оси, перпендикулярной продольной оси транспортного средства. Раскрыты также ракета и способ отклонения вектора тяги. Изобретение обеспечивает улучшение регулирования расхода и улучшение массово-габаритных характеристик. 3 н. и 14 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Узел сопла, содержащий:

сопло, содержащее горловину, причем сопло включает в себя шаровую часть шарового шарнирного соединения;

транспортное средство, имеющее корпус, который включает в себя гнездовую часть шарового шарнирного соединения, причем сопло прикреплено к корпусу с помощью шаровой части шарового шарнирного соединения, причем шаровая часть по меньшей мере частично входит в гнездовую часть;

регулятор расхода, расположенный смежно с горловиной и выполненный с возможностью регулирования расхода текучей среды через горловину, при этом регулятор расхода прикреплен к соплу выше по потоку от горловины, причем регулятор расхода содержит штифт, подвижный в направлении, параллельном продольной оси сопла, относительно седла для регулирования расхода текучей среды через область горловины, при этом регулятор расхода прикреплен к корпусу с помощью шаровой части шарового шарнирного соединения;

и привод, прикрепленный к соплу, при этом привод выполнен с возможностью выборочного вращения сопла посредством шарового шарнирного соединения вокруг первой оси, перпендикулярной продольной оси транспортного средства.

2. Узел сопла по п. 1, в котором привод дополнительно выполнен с возможностью выборочного вращения сопла вокруг второй оси, перпендикулярной продольной оси транспортного средства и первой оси.

3. Узел сопла по п. 1, дополнительно содержащий множество сопел и соответствующее множество регуляторов расхода, причем каждое из множества сопел встроено в шаровую часть шарового шарнирного соединения.

4. Узел сопла по п. 3, в котором каждый из множества регуляторов расхода выполнен с возможностью работы либо независимо друг от друга, либо в координации друг с другом.

5. Узел сопла по п. 1, в котором шаровая часть представляет собой полусферический подшипник, а гнездовая часть представляет собой полусферическое гнездо, окружающее по меньшей мере частично шаровую часть.

6. Узел сопла по п. 1, в котором:

штифт содержит хвостовик, головку, имеющую больший диаметр, чем хвостовик, и сужающуюся поверхность, отходящую от головки,

причем сужающаяся поверхность выполнена с возможностью контакта с седлом,

при этом линейная позиция сужающейся поверхности относительно седла изменяет размер проходного сечения, через которое предусмотрена возможность протекания текучей среды по горловине.

7. Узел сопла по п. 6, в котором сужающаяся поверхность постепенно уменьшается в диаметре от головки к свободному концу штифта.

8. Узел сопла по п. 7, в котором:

штифт является одним из множества штифтов, расположенных смежно с горловиной, и каждый из множества штифтов выполнен с возможностью независимого перемещения.

9. Узел сопла по п. 8, в котором множество штифтов представляет собой четыре штифта, расположенных на расстоянии друг от друга вокруг продольной оси сопла.

10. Узел сопла по п. 9, дополнительно содержащий множество линейных приводов, каждый из которых выполнен с возможностью выборочного перемещения соответственно одного из множества штифтов.

11. Узел сопла по п. 1, в котором сопло содержит расширяющуюся секцию, отходящую от горловины.

12. Узел сопла по п. 1, в котором транспортное средство представляет собой ракетный двигатель.

13. Ракета, содержащая:

корпус, который включает в себя гнездовую часть шарового шарнирного соединения;

топливо, хранящееся внутри корпуса;

камеру сгорания, расположенную внутри корпуса;

и узел сопла, прикрепленный к корпусу и выполненный с возможностью выброса продуктов сгорания из соответствующей камеры, при этом узел сопла содержит:

сопло, содержащее горловину, причем сопло включает в себя шаровую часть шарового шарнирного соединения и прикреплено к корпусу с помощью этой шаровой части, которая по меньшей мере частично входит в гнездовую часть;

и регулятор расхода, расположенный смежно с горловиной и выполненный с возможностью регулирования расхода продуктов камеры сгорания через горловину, при этом регулятор расхода прикреплен к корпусу с помощью шаровой части шарового шарнирного соединения; причем шаровое шарнирное соединение выполнено с возможностью выборочного вращения регулятора расхода и сопла.

14. Ракета по п. 13, в которой регулятор расхода содержит штифт, линейно подвижный относительно седла.

15. Ракета по п. 14, в которой:

штифт является одним из множества штифтов, расположенных смежно с горловиной, и

каждый из множества штифтов выполнен с возможностью независимого перемещения с помощью соответствующего линейного привода.

16. Ракета по п. 15, в которой множество штифтов представляет собой четыре штифта, расположенных на расстоянии друг от друга вокруг продольной оси сопла.

17. Способ отклонения вектора тяги транспортного средства с использованием узла сопла по п. 1, включающий в себя:

отклонение вектора тяги корпуса путем регулирования позиции сопла относительно корпуса с помощью шарового шарнирного соединения и регулирования позиции регулятора расхода.