Сбрасываемое вкладное сопло реактивного двигателя Российский патент 2024 года по МПК F02K7/18 F02K9/97 F02K1/78 

Изобретение относится к ракетной технике, а именно к сопловым устройствам ракетно-прямоточных двигателей.

При проектировании комбинированных ракетно-прямоточных двигателей (КРПД) возникает необходимость увеличивать площадь критического сечения сопла при переходе от стартового режима к маршевому, в отличие от традиционных двухрежимных и двухимпульсных ракетных двигателей на твердом топливе (РДТТ), в которых при таком переходе необходимо, наоборот, площадь критического сечения сопла снижать. Одним из рациональных способов решения данной технической задачи является использование сбрасываемого вкладного (стартового) сопла.

Известна конструкция сбрасываемого сопла стартового РДТТ с механизмом фиксации на основе сегментного кольца, подпираемого пироболтами, изложенная в труде «Ракетно-прямоточные двигатели на твердых и пастообразных топливах. Основы проектирования и экспериментальной отработки». - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2010. - 320 с. В описываемом техническом решении фиксация сбрасываемого сопла осуществляется стопорным кольцом, состоящим из трех сегментов, каждый из которых подкрепляется пиротехническим болтом. В момент отделения пиротехнические болты разрушаются, и подкрепляемые сегменты стопорного кольца вылетают, освобождая сбрасываемое кольцо, вследствие чего оно под действием пороховых газов РДТТ вылетает в продольном направлении за пределы корпуса летательного аппарата. Данное техническое решение взято за прототип.

Анализ конструкции прототипа выявил следующие недостатки:

1. Сброс сопла возможен только при выпадении всех сегментов стопорного кольца, которые закреплены независимо друг от друга, наличие трех пиротехнических элементов снижает вероятность их одновременного срабатывания и, как следствие, успешность сброса сопла.

2. Использование пироболтов в качестве фиксатора сегментного кольца приводит к относительно большим массово-габаритным характеристикам механизма сброса, что, в свою очередь, не позволяет применять данное техническое решение для КРПД, в которых большая степень расширения маршевого сопла (площадь критического сечения сопла относительна мала).

Целью предлагаемого изобретения является устранение указанных недостатков, а именно достижение высокой надежности сброса вкладного сопла КРПД и обеспечение возможности использовать маршевое сопло с относительно малой площадью его критического сечения.

Поставленная цель достигается тем, что фиксация вкладного сопла осуществляется шариками из сплава твердостью выше 63 HRC, размещенными в кольцевом выступе корпуса маршевого сопла и смещенными в радиальном направлении до зацепления с проточкой в корпусе вкладного сопла и зафиксированными в таком положении распорным кольцом и шпонками, количество и размер которых определяется по формуле, а в корпусе маршевого сопла имеются соосные с пиропатронами газовые каналы.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется следующими фигурами:

- фиг. 1 - общий вид маршевого сопла с вкладным соплом;

- фиг. 2 - конструктивная схема механизма фиксации и отделения вкладного сопла;

- фиг. 3 - сечение по кольцевому выступу корпуса маршевого сопла.

Сопловое устройство комбинированного ракетно-прямоточного двигателя (фиг. 1) состоит из корпуса маршевого сопла 1, теплозащитного покрытия маршевого сопла 2, сбрасываемого вкладного сопла 3 с фланцем, вставленного в маршевое сопло 2 на герметизирующее уплотнение 4.

Механизм фиксации и сброса (фиг. 2, 3) состоит из радиальной проточки 5, выполненной в корпусе вкладного сопла 3, шариков 6 из сплава твердостью более 63 HRC, размещенных в отверстиях 7, распорного кольца 8, пиропатронов 9, газовых каналов 10 в корпусе маршевого сопла 1, расположенных соосно с пиропатронами 9, полости 11, образованной фланцем маршевого сопла 1 и передней гранью распорного кольца 8, шпонок 12.

При сборке соплового устройства КРПД сбрасываемое вкладное сопло 3 с установленными герметизирующими уплотнениями 4 помещается в корпус маршевого сопла 1, шарики 6 размещаются в отверстиях 7 и фиксируются распорным кольцом 8. Для предотвращения случайного выпадения распорного кольца 8, дополнительно устанавливаются шпонки 12, размер и количество которых определяется из соотношения:

F_д≥k*F_ср,

где: F_д - сила, создаваемая давлением пороховых газов пиропатронов 9 и определяемая по формуле: F_д=p*S_к;

р - давление, создаваемое пороховыми газами пиропатронов;

S_к - площадь передней грани распорного кольца 8;

k - коэффициент, характеризующий неравномерность распределения давления по свободному объему 11 и запас усилия на срез;

F_cp - сила, необходимая для среза шпонок и определяемая по формуле: F_cp=n*S_cp*σ_в;

n - число шпонок 12;

S_cp - площадь среза одной шпонки 12;

σ_в - предел временного сопротивления материала шпонки 12.

Оптимальное количество пиропатронов - не менее 2-х, при этом гарантированный сброс вкладного сопла должен обеспечиваться срабатыванием только одного пиропатрона.

При получении соответствующей команды на сброс вкладного сопла срабатывает пиропатрон 9. Пороховые газы через газовые каналы 10 попадают в полость 11 и заполняют ее. Давление газов воздействует на переднюю грань распорного кольца 8 и выталкивает его за пределы корпуса КРПД, при этом срезаются шпонки 12. Вследствие этого шарики 6 выталкиваются в радиальном направлении проточкой 5 и выходят из зацепления с ней. Сбрасываемое вкладное сопло 3 вылетает под действием давления газов в камере сгорания и инерционных нагрузок, и КРПД переходит на маршевый режим работы.

Таким образом, предлагаемая конструкция сбрасываемого вкладного сопла КРПД позволяет достичь поставленных целей, а именно:

- достижения высокой надежности сброса вкладного сопла КРПД вследствие сохранения работоспособности его механизма даже при срабатывании одного пиропатрона, а также снижения требований к одновременности их срабатывания.

- обеспечения возможности использовать маршевое сопло с относительно малой площадью его критического сечения вследствие снижения массы и габаритов механизма фиксации и сброса сбрасываемого вкладного сопла из-за использования в качестве источника механической работы давления продуктов газогенерации пиропатронов.

Изобретение относится к ракетной технике, а именно к сопловым устройствам ракетно-прямоточных двигателей. Сбрасываемое вкладное сопло ракетно-прямоточного двигателя состоит из вкладного и маршевого сопел, механизма фиксации и сброса. Фиксация вкладного сопла осуществляется шариками из сплава твердостью более 63 HRC, расположенными в радиальных отверстиях кольцевого выступа маршевого сопла, в корпусе которого расположены газовые каналы и соосные с ними пиропатроны, и смещенными до зацепления с радиальной проточкой в корпусе вкладного сопла, и зафиксированными распорным кольцом и шпонками, количество и размер которых определяется по формуле: F_д≥k*F_ср, где: F_д - сила, создаваемая давлением пороховых газов пиропатронов и определяемая по формуле F_д=p*S_к; р - давление, создаваемое пороховыми газами пиропатронов; S_к - площадь передней грани распорного кольца; k - коэффициент, характеризующий неравномерность распределения давления по свободному объему 11 и запас усилия на срез; F_cp - сила, необходимая для среза шпонок и определяемая по формуле F_cp=n*S_cp*σ_в; n - число шпонок; S_cp - площадь среза одной шпонки; σ_в - предел временного сопротивления материала шпонки. Техническим результатом изобретения является обеспечение высокой надежности сброса вкладного сопла КРПД и обеспечение возможности использования маршевого сопла с относительно малой площадью его критического сечения. 3 ил.

Сбрасываемое вкладное сопло ракетно-прямоточного двигателя, состоящее из вкладного и маршевого сопел, механизма фиксации и сброса, отличающееся тем, что фиксация вкладного сопла осуществляется шариками из сплава твердостью более 63 HRC, размещенными в радиальных отверстиях кольцевого выступа маршевого сопла, в корпусе которого расположены газовые каналы и соосные с ними пиропатроны, и смещенными до зацепления с радиальной проточкой в корпусе вкладного сопла, и зафиксированными распорным кольцом и шпонками, количество и размер которых определяется по формуле:

где: F_Д - сила, создаваемая давлением пороховых газов пиропатронов и определяемая по формуле

р - давление, создаваемое пороховыми газами пиропатронов;

S_K - площадь передней грани распорного кольца;

k - коэффициент, характеризующий неравномерность распределения давления по свободному объему и запас усилия на срез;

F_cp - сила, необходимая для среза шпонок и определяемая по формуле

n - число шпонок;

S_cp - площадь среза одной шпонки;

σ_В - предел временного сопротивления материала шпонки.