РАЗДЕЛИТЕЛЬНОЕ ДНИЩЕ МНОГОИМПУЛЬСНОГО РАКЕТНОГО ДВИГАТЕЛЯ НА ТВЕРДОМ ТОПЛИВЕ
SEPARATING BOTTOM OF MULTI-IMPULSE SOLID PROPELLANT ROCKET ENGINE

Изобретение относится к области ракетной техники, а именно к многоимпульсным твердотопливным ракетным двигателям, и может быть использовано при создании ракет.
Разделительное днище в составе многоимпульсного ракетного двигателя твердого топлива, в частности двухимпульсного, состоящего из цилиндрического корпуса, стартовой и маршевой камер с пороховыми канальными зарядами и сопла. Разделительное днище расположено между камерами и представляет собой монолитную конструкцию с группами отверстий, симметрично расположенными относительно продольной оси и закрытыми плоскими тонкостенными мембранами, герметично закрепленными на разделительном днище и имеющими теплозащитное покрытие. Группы отверстий располагаются произвольно относительно каналов заряда маршевой ступени, а их размер выбирается из соотношений, указанных в настоящем изобретении, подтвержденных стендовыми испытаниями.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому положительному эффекту является двухрежимный ракетный двигатель твердого топлива (патент России №2390646 МПК F02K 9/28 (2006/01), содержащий цилиндрический корпус, стартовую и маршевую камеры с пороховыми канальными зарядами, разделительное днище, устройство вскрытия днища и сопло. Устройство вскрытия выполнено в виде симметрично расположенных относительно продольной оси двигателя на днище сферических перфорированных заглушек, выгнутых в сторону маршевой камеры, причем со стороны стартовой камеры заглушка взаимодействует с тонкостенной мембраной, повторяющей форму заглушки, герметично закрепленной по периферии на заглушке и имеющей теплозащитное покрытие, при этом заглушки расположены напротив каналов порохового заряда маршевой камеры.
Недостатком этого устройства является следующее.
Для получения оптимальных внутрибаллистических характеристик на старте, обычно используют максимально возможное рабочее давление в камере сгорания стартового режима. При этом давлении напряжения, возникающие в конструкции разделительного днища, близки к допустимым с учетом запаса прочности.
В разделительном днище выполнен ряд основных отверстий, в которые затем вставляются перфорированные заглушки, которые обеспечивают герметизацию стартовой камеры. В случае использования заряда маршевой камеры, имеющего сложную форму, например с количеством каналов (щелей) более 6, соответствующее увеличение количество отверстий под заглушки, располагаемые напротив каналов (щелей) заряда приводит к снижению прочности разделительного днища в местах перемычек между отверстиями за счет их утонения и деформации днища в сторону маршевой камеры на недопустимую величину, что существенно снижает надежность работы двигателя.
Целью изобретения является повышение прочности и надежности двигателя.
Поставленная цель достигается тем, что разделительное днище в составе многоимпульсного ракетного двигателя твердого топлива, содержащего цилиндрический корпус, стартовую и маршевую камеры с пороховыми канальными зарядами и сопло, выполнено монолитным с группами отверстий, не более шести, расположенными симметрично относительно продольной оси двигателя, закрытыми плоскими тонкостенными мембранами, герметично закрепленными по периферии отверстий и имеющими теплозащитное покрытие, при этом группы отверстий могут располагаться в произвольном положении относительно каналов (щелей) маршевого заряда, а их суммарный размер в начале работы маршевой камеры и толщина мембраны выбираются из соотношений:
отв
кр
n⋅S≥1,45S,
min
ср
кс
2δ⋅τ≥Р⋅R⋅K,
где n - общее число отверстий;
отв
S - площадь отверстия;
кр
S - площадь критического сечения сопла;
min-
δминимальная толщина мембраны;
ср
τ - предельное напряжение на срез материала мембраны;
кс
Р - давление в стартовой камере;
R - радиус отверстия;
K - коэффициент запаса прочности.
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображен общий вид устройства, на фиг. 2 - возможное расположение каналов (щелей) в заряде маршевой камеры, на фиг. 3 - расположение отверстий в днище, на фиг. 4 - конструкция днища, на фиг. 5 - мембрана с насечками.
Устройство (фиг. 1) содержит камеру сгорания 1 с твердотопливным зарядом 2, обеспечивающим стартовый режим, камеру сгорания 3 с твердотопливным зарядом 4, обеспечивающим маршевый режим. В заряде 4 выполнены щелевые каналы 6 (фиг. 2).
кр
Стартовая (1) и маршевая (3) камеры разделены днищем 5. Разделительное металлическое днище 5 защищено теплоизоляцией 12 со стороны стартовой камеры и теплоизоляцией 13 со стороны маршевой камеры (фиг. 4). В днище (фиг. 3) выполнены шесть групп отверстий, суммарное проходное сечение которых составляет 1,45S, что обеспечивает дозвуковое истечение продуктов сгорания и надежную работу маршевой ступени. Со стороны стартовой камеры группы отверстий 9 закрыты тонкостенными плоскими мембранами 7 с теплоизоляцией 8 (фиг. 4).
На мембране 7 нанесены радиальные лепестковые насечки 11 (фиг. 5), позволяющие обеспечить ее стабильное вскрытие при достижении заданного давления в маршевой камере.
кр
Для истечения продуктов сгорания из стартовой и маршевой камер используется одно сопло 10 с площадью критического сечения S.
Предлагаемое устройство работает следующим образом. Включение стартовой и маршевой камер производится последовательно. При включении стартовой камеры давление продуктов сгорания стремится продавить тонкостенную мембрану через отверстия в разделительном днище, создавая максимальные напряжения по периметру отверстия.
При работе стартовой камеры для предотвращения вскрытия мембраны расчетной принимается нагрузка от воздействия давления на локальный участок мембраны, соответствующий площади одного отверстия, что позволяет применить для герметизации тонкостенную плоскую мембрану.
При включении маршевой камеры продукты сгорания, проникая через отверстия, воздействуют на мембрану по всей ее площади, вскрывают ее и, проникая в стартовую камеру, истекают через сопло.
Применение в мембране радиальных насечек позволяет обеспечить их стабильное вскрытие при достижении определенного давления.
кр
Проведенными стендовыми испытаниями подтверждено, что суммарная проходная площадь в разделительном днище, составляющая 1,45 S, обеспечивает дозвуковое истечение продуктов сгорания при работе маршевой камеры и надежную работу двигателя.
Предложенное техническое решение позволяет повысить надежность и прочность двигателя путем применения простых конструктивных решений.