МНОГОКАМЕРНЫЙ ЖИДКОСТНЫЙ РАКЕТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ
MULTI-CHAMBERED LIQUID-PROPELLANT ROCKET ENGINE

Изобретение относится к ракетной технике, в которой создание жидкостных ракетных двигателей с донной тепловой защитой, предназначенной для уменьшения теплового и газодинамического воздействия продуктов сгорания работающих двигателей, является актуальной задачей.
Известны жидкостные ракетные двигатели, содержащие раму, донную защиту с цилиндрическим проемом с установленной через него с возможностью качания камерой с соплом, снабженной сферическим блистером, установленным с кольцевым зазором относительно обечайки цилиндрического проема донной защиты(см. книгу В.А. Александров и др. Ракеты-носители. Под общ. ред. С.О. Осипова Ракеты-носители, стр. 186, рис. 5.10).
В известном жидкостном ракетном двигателе обеспечивается защита агрегатов от теплового и газодинамического воздействия продуктов сгорания камер установкой сферического блистера с минимальным равномерным зазором относительно обечайки цилиндрического проема донной защиты. Кроме того, между блистером и обечайкой донной защиты может быть установлен уплотнительный элемент. Однокамерный жидкостный ракетный двигатель требует применения кардана для обеспечения управления вектором тяги и специальной системы управления по крену с использованием сопел крена, что не всегда возможно по схеме двигателя и связано с ростом массы или с потерей экономичности при выбросе управляющего, как правило с низкой температурой, газа через сопла крена.
Известны также многокамерные жидкостные ракетные двигатели, содержащие общий для всех камер турбонасосный агрегат, газогенератор, агрегаты автоматики и регулирования, раму и установленную в нижней части двигательного отсека донную защиту с цилиндрическими проемами, с установленными через них соплами, выполненными с возможностью качания камер с цапфами, взаимодействующими с траверсами, соединенными с рамой, причем на внешней части сопел камер выполнены кольцевые бурты с закрепленными на них ответными частями с зазорами относительно цилиндрических проемов донной защиты сферическими блистерами, взаимодействующими с цилиндрическими обечайками проемов донной защиты с образованием щелевых зазоров между ними (см. Жидкостный ракетный двигатель, F02K 9/97, патент РФ №2524483 от 27.07.2014 - прототип).
В известном многокамерном жидкостном ракетном двигателе обеспечивается возможность управления ракетой-носителем с высокой экономичностью не только по тангажу и рысканию, но и по крену за счет качания четырех камер в главных плоскостях стабилизации при малых осевых размерах двигателя.
Однако для многокамерных жидкостных ракетных двигателей, имеющих общий для всех камер турбонасосный агрегат, такой способ установки зазора затруднен и связан с необходимым ужесточением требований выполнения сборочных операций, а также с необходимым повышением точности изготовления сопрягаемых деталей и узлов по силовой цепочке начиная от сопл камер, цапф, траверс, рамы передачи силы тяги, рамы донной защиты, донной защиты и ее цилиндрической обечайки проема, через который вставляется камера своим соплом. В таком жидкостном ракетном двигателе при сборке блоков камер с траверсами и рамой появляется неравномерность кольцевого зазора между блистером и кольцевой обечайкой донной защиты, усугубляемая и так малыми размерами кольцевого зазора. Сложность обеспечения равномерного зазора связана с тем, что выявление неравномерного результирующего зазора осуществляется в конце всего процесса сборки с уже готовыми собранными блистерами на камерах, траверсами и посадочными поверхностями рамы, когда из-за особенности конструкции устранить неравномерность кольцевого зазора приемлемыми способами затруднительно. Неравномерное увеличение кольцевого зазора в одной части и уменьшение его в диаметрально противоположной части приводит к повышенному проникновению продуктов сгорания в увеличенной части, чем при равномерном кольцевом зазоре, и к возможному соприкосновению блистера с цилиндрической обечайкой в зоне минимального зазора, что усугубляется наличием вибрации блистера, сопла камеры и рамы с донной защитой при работе жидкостного ракетного двигателя. Для возможности сборки приходится увеличивать номинальные размеры кольцевого зазора, что приводит к проникновению горячих газов через кольцевые зазоры и увеличению теплового воздействия на агрегаты двигателя, повышающего их температуру, что не всегда допустимо.
Целью предлагаемого изобретения является устранение вышеуказанных недостатков и уменьшение теплового воздействия продуктов сгорания камер на агрегаты двигателя в отсеке за донной защитой при возвратном течении их от срезов сопел за счет уменьшения монтажных кольцевых щелевых зазоров между блистерами и цилиндрическими проемами донной защиты.
Указанная выше цель изобретения достигается тем, что в известном многокамерном жидкостном ракетном двигателе, содержащем общий для всех камер турбонасосный агрегат, газогенератор, агрегаты автоматики и регулирования, раму и установленную в нижней части двигательного отсека донную защиту с цилиндрическими проемами, с установленными через них соплами, выполненными с возможностью качания камер с цапфами, взаимодействующими с траверсами, соединенными с рамой, причем на внешней части сопел камер выполнены кольцевые бурты с закрепленными на них ответными частями с зазорами относительно цилиндрических проемов донной защиты сферическими блистерами, взаимодействующими с цилиндрическими обечайками проемов донной защиты с образованием щелевых зазоров между ними, между кольцевыми буртами на внешних частях сопел и ответными частями блистеров установлены эксцентричные компенсаторы, цилиндрические внутренние поверхности которых смонтированы с кольцевыми буртами сопел, а наружные цилиндрические поверхности которых, выполненные с эксцентриситетом относительно их цилиндрических внутренних поверхностей, смонтированы цилиндрическими поверхностями сферических блистеров, выполненных эксцентрично наружным кромкам сферических блистеров.
Указанная выше цель изобретения достигается также тем, что эксцентричные компенсаторы выполнены из двух эксцентричных частей из листового материала, одна из которых выполнена в виде плоской эксцентричной шайбы с равномерно выполненными вдоль внутренней и наружной кромок отверстиями для крепежных болтов монтажа с наружными кромками буртов камер и блистеров, а вторая в виде плоской эксцентричной шайбы с отбортовками на внутренней и наружной кромках, выполненными в направлении срезов сопл, соединенными, например, с помощью точечной сварки друг с другом концентрично соответствующими кромками друг другу.
Предлагаемое изобретение представлено на рис. 1-9, где показаны следующие агрегаты:
1.
Камера;
2.
Сопло;
3.
Срез сопла;
4.
Турбонасосный агрегат;
5.
Газогенератор;
6.
Рама;
7.
Клапан пуска окислителя;
8.
Клапан пуска горючего;
9.
Клапан окислителя;
10.
Клапан горючего на газогенератор;
11.
Клапан горючего на камеры;
12.
Регулятор;
13.
Цапфа;
14.
Цапфа;
15
Траверса;
16.
Траверса;
17.
Донная защита;
18.
Цилиндрический проем;
19.
Растяжка;
20.
Привалочная плоскость рамы;
21.
Продольная ось симметрии многокамерного жидкостного двигателя;
22.
Кольцевой бурт;
23.
Сферический блистер;
24.
Цилиндрическая обечайка проемов донной защиты;
25.
Кольцевой зазор;
26.
Продольная ось симметрии камеры;
27.
Сквозное цилиндрическое отверстие;
28.
Эксцентричный компенсатор;
29.
Плоская эксцентричная шайба компенсатора;
30.
Внешняя часть плоской эксцентричной шайбы;
31.
Внутренняя часть плоской эксцентричной шайбы;
32.
Кромка внешней части эксцентричной шайбы;
33.
Сквозное цилиндрическое отверстие;
34.
Внутренняя плоская часть сферического блистера;
35.
Наружная кромка сферического блистера;
36.
Кромка внутренней плоской части сферического блистера;
37.
Сквозное цилиндрическое отверстие;
38.
Болт;
39.
Гайка;
40.
Внутренняя часть эксцентричной шайбы;
41.
Кромка внутренней части эксцентричной шайбы;
42.
Сквозное цилиндрическое отверстие;
43.
Гайка;
44.
Болт;
45.
Плоская эксцентричная шайба;
46.
Отбортовка;
47.
Внутренняя кромка;
48.
Отбортовка;
49.
Внешняя кромка эксцентричного компенсатора;
50.
Дроссель;
51.
Рулевая машинка.
Многокамерный жидкостный ракетный двигатель содержит несколько, например четыре, камер 1 с соплами 2 и их срезами 3, турбонасосный агрегат 4, который выполнен общим для всех камер 1, газогенератор 5, раму 6, агрегаты автоматики, включающие клапан пуска окислителя 7, клапан пуска горючего 8, клапан окислителя 9 и горючего 10 для питания газогенератора 5, клапан горючего 11 на линии питания камеры 1 и регулятор 12 на линии горючего питания газогенератора 5. В камерах 1 выполнены цапфы 13 и 14, взаимодействующие с траверсами 15 и 16, установленными в нижней части рамы 6. Донная защита 17 установлена в нижней части многокамерного жидкостного ракетного двигателя, содержит цилиндрические проемы 18. Донная защита 17 закреплена за нижнюю часть рамы 5 с помощью растяжек 19 параллельно привалочной плоскости 20 рамы 5. Цилиндрические проемы 18 донной защиты 17 выполнены равномерно вокруг продольной оси симметрии 21 многокамерного жидкостного двигателя. Камеры 1 установлены своими соплами 2 в цилиндрических проемах18. Причем установка камер 1 в цилиндрических проемах 18 выполнена по местам сборки камер 1 цапфами 13 и 14 в траверсах 15 и 16, далее траверс 15 и 16 в раме 5. Кроме того, камеры 1 выполнены в пределах назначенных допусков и фактической точности технологического оборудования. Камеры 1 с соплами 2, с цапфами 13 и 14 выполнены с возможностью качания в траверсах 15 и 16. Траверсы 15 и 16 соединены с рамой 5.
На внешних частях сопел 2 камер 1 выполнены кольцевые бурты 22. На внешних частях сопел 2 установлены сферические блистеры 23, взаимодействующие с цилиндрическими обечайками 24 проемов 18 донной защиты 17 с образованием кольцевых зазоров 25 между ними.
На кольцевых буртах 22 равномерно и коаксиально продольным осям симметрии камер 26 выполнены сквозные цилиндрические отверстия 27. К кольцевым буртам 22 примонтированы эксцентричные компенсаторы 28. Эксцентричные компенсаторы 28 выполнены из листового материала из двух эксцентричных частей: первая часть в виде плоской эксцентричной шайбы 29. Внешняя часть эксцентричной шайбы 30 выполнена с эксцентриситетом относительно внутренней части эксцентричной шайбы 31. На внешней части эксцентричной шайбы 30 равномерно вдоль ее кромки 32 выполнены сквозные цилиндрические отверстия 33. На внутренних плоских частях 34 сферических блистеров 23, выполненных эксцентрично наружным кромкам 35 сферических блистеров 23, равномерно и на равном удалении от кромок 36 внутренних плоских частей 34 концентрично относительно них выполнены сквозные цилиндрические отверстия 37, через которые выполнено разъемное соединение с эксцентричной шайбой 30 с помощью болтов 38 и гаек 39 через сквозные отверстия 33. На внутренней части 40 эксцентричной шайбы 30 равномерно и на равном удалении от кромки 41 внутренней части 40 эксцентричной шайбы 30 выполнены сквозные цилиндрические отверстия 42. На кольцевых буртах 22 концентрично им установлены эксцентричные компенсаторы 28, соединенные с кольцевыми буртами 22 с помощью гаек 43 и болтов 44, вставленных через сквозные цилиндрические отверстия 42 и 27. Эксцентричные компенсаторы 28 выполнены из двух частей, одна из которых представляет собой эксцентричную шайбу 30 со сквозными цилиндрическими отверстиями 33 и 42, а вторая представляет собой плоскую эксцентричную шайбу 45 с отбортовкой 46 малой высоты на внутренней кромке 47 (концентричной с кромкой 41) и отбортовкой 48 на внешней кромке 49 (эксцентричной кромке 47), соединенные точечной сваркой друг с другом. Отбортовки 46 и 48 ориентированы в направлении срезов 3 сопел 2 и служат для центрирования с одной стороны со сферическими блистерами 23, а с другой - с кольцевыми буртами 22, что одними болтами 38 и 44 не обеспечивается. Ориентация отбортовок 46 и 48 к срезам 3 сопел 2 позволяет визуально контролировать концентрическую сопрягаемость кольцевых буртов 22, сферических блистеров 23 с эксцентричными компенсаторами 28, а именно внешними кромками 49 и внутренними 36, а также внутренними кромками 47 и наружными частями кольцевых буртов 22. Внешние кромки 35 сферических блистеров 23 установлены концентрично продольным осям 26 камер. Многокамерный жидкостный ракетный двигатель снабжен дросселем 50 для обеспечения равномерного опорожнения баков, а также рулевыми машинками 51 для управления вектором тяги за счет обеспечения качания камер с цапфами 13 и 14 в траверсах 15 и 16. Между сферическими блистерами 23 и цилиндрическими обечайками 24 проемов 18 донной защиты 17 образованы кольцевые зазоры 25.
Многокамерный жидкостный ракетный двигатель работает следующим образом. При окончательной сборке перечисленных выше входящих в многокамерный жидкостный ракетный двигатель узлов и деталей контролируется равномерность кольцевых зазоров 25 между сферическими блистерами 23 и цилиндрическими обечайками 24 проемов 18 донной защиты 17. На камерах 1 контролируется неравномерность кольцевого зазора 25. Образующийся при сборке эксцентриситет кольцевого зазора 25, ориентация которого заранее неизвестна, устраняется тем, что на камерах 1 снимаются болты 38 и 44 с гайками 39 и 43. Эксцентричные компенсаторы 28 и сферические блистеры 23 поворачиваются относительно продольных осей 26 камер 1, причем с упорами отбортовок 46 с цилиндрическими буртами 22, а отбортовок 48 с внутренними кромками плоских частей 34 сферических блистеров 23. Угловой шаг поворотов соответствует угловым координатам размещения сквозных цилиндрических отверстий 27, 33, 37 и 42 для обеспечения последующей сборки разобранных соединений эксцентричных компенсаторов 28 с кольцевыми буртами 22 камер 1 и сферических блистеров 23 при достижении равномерных минимальных кольцевых зазоров 25. После этого окончательно вставляются болты 38 и 44 с гайками 39 и 43.
Таким образом, предлагаемая конструкция многокамерного жидкостного ракетного двигателя обеспечивает минимальный равномерный кольцевой зазор 25 между камерами 1 и донной защитой 17 при влиянии множественности отклонений по допускам при изготовлении деталей и сборочных единиц, влияющих на зазоры, сопрягаемых привалочных плоскостей 20 рамы 6, цапф 13 и 14 камер 1, траверс 15 и 16, донной защиты 17 и растяжек 19 ее крепления к раме 6.
В полете многокамерный жидкостный ракетный двигатель работает следующим образом. Окислитель поступает от клапана пуска окислителя 7 в турбонасосный агрегат 4, а далее через клапан окислителя 9 в газогенератор 5. Горючее поступает от клапана пуска горючего 8 в турбонасосный агрегат 4, а далее через капан горючего 10 и регулятор 12 в газогенератор 5. Продукты сгорания из газогенератора 5 поступают на турбину турбонасосного агрегата 4, а далее на четыре камеры 1. Кроме того, горючее поступает от турбонасосного агрегата 4 через дроссель 50 и клапан горючего 11 на охлаждение камер 1. Управление вектором тяги осуществляется отклонением камер 1 в траверсах 15 и 16 с помощью рулевых машинок 51. За счет установки эксцентричных компенсаторов 28 с последующей корректировкой кольцевых зазоров 25 между сферическими блистерами 23 и цилиндрическими обечайками 24 проемов 18 донной защиты 17 не происходит превышение газодинамического и теплового воздействия продуктов сгорания камер 1 на двигательный отсек за донной защитой 17.
Применение предлагаемого технического решения уменьшает тепловое воздействие продуктов сгорания камер на агрегаты двигателя в отсеке за донной защитой при возвратном течении их от срезов сопел за счет уменьшения монтажных кольцевых щелевых зазоров между блистерами и цилиндрическими проемами донной защиты с обеспечением равномерных кольцевых зазоров, чем обеспечивается расчетная рабочая температура агрегатов и надежность их работы.