Раздвижное сопло ракетного двигателя
EXPANDABLE NOZZLE OF ROCKET ENGINE

Изобретение относится к области ракетостроения и может быть использовано при разработке и изготовлении ракетных двигателей с соплами большой степени расширения для верхних ступеней ракет и космических аппаратов.
Известны сопла с изменяемой геометрией раструба, имеющие укороченную длину в транспортном положении (режиме «пассажира») и увеличенную длину раструба с выдвинутым телескопическим насадком (насадками) в рабочем положении.
Известны раздвижные сопла, имеющие различную фиксацию выдвигаемых насадков в рабочем положении, например цангами или радиальными фиксаторами.
Известно раздвижное сопло (патент РФ №2276280, взято за прототип), содержащее раструб, соосно размещенный на нем насадок с присоединенным направляющим цилиндром, механизм фиксации выдвинутого положения насадка, направляющий цилиндр с выдвигаемым насадком соединены фиксаторами выдвинутого положения насадка с возможностью их ограниченного перемещения, при этом в насадке со стороны малого диаметра и направляющем цилиндре по периметру выполнены радиально расположенные совпадающие сквозные отверстия, в которых размещены подпружиненные фиксаторы выдвинутого положения с профилированной концевой частью со стороны направляющего цилиндра, например, в виде пластины со скосом, при этом отверстия в цилиндре совпадают с отверстиями в насадке и переходят в продольные сквозные пазы, выходящие на торец цилиндра, с шириной продольного паза, превышающей толщину профилированного участка фиксатора, а на наибольшем диаметре раструба выполнен ответный кольцевой паз, в который входят фиксаторы при выдвинутом положении насадка. В данной конструкции фиксатор обеспечивает выполнение нескольких функций: обеспечение фиксации (связи) выдвигаемого насадка и направляющего цилиндра в исходном положении и в процессе выдвижения, снятие связи насадка и цилиндра на конечном участке выдвижения, фиксация насадка в выдвинутом состоянии.
Недостатками этой конструкции сопла являются повышенная масса и снижение надежности, которые обусловлены следующими факторами:
Заложенная в конструкцию функциональность фиксатора предполагает его достаточно малые размеры, особенно концевой части, представляющей из себя тонкую пластину, расположенную в продольной плоскости сопла. С учетом этого контактное давление между фиксатором и кольцевым пазом раструба, а также между фиксатором и выдвигаемым насадком будет значительным (при выдвинутом положении насадка и, в особенности, в момент фиксации выдвинутого насадка), что ведет к необходимости увеличения количества фиксаторов и использования металла в конструкции как фиксатора, так и шпангоутов раструба и насадка. Указанные факторы и приводят, соответственно, к снижению надежности (увеличение числа элементов конструкции, которые должны срабатывать одновременно) и повышению массы.
Задачей предлагаемого изобретения является устранение указанных недостатков конструкции, то есть снижение массы конструкции и повышение надежности.
Технический результат достигается тем, что в известном раздвижном сопле, содержащем неподвижный раструб и выдвигаемый насадок, установленные на сдвигаемом насадке подпружиненные фиксаторы выдвинутого положения с профилированной концевой частью и соответствующий им кольцевой паз на наружной поверхности неподвижного раструба фиксаторы выполняют в виде пластин, установленных в плоскости, перпендикулярной оси сопла, в соответствующих пазах выдвигаемого насадка. При этом окружная длина пластин (длина вдоль окружности кольцевого паза неподвижного раструба и шпангоута сдвигаемого насадка), определяющая площадь контакта, будет рассчитываться исходя из допустимых контактных напряжений материалов фиксатора, неподвижного раструба и сдвигаемого насадка. В результате за счет этого получаем: во-первых, возможность исключить из конструкции узла металлические детали, что дает снижение массы, во-вторых, за счет увеличения окружной длины каждого фиксатора, уменьшение числа фиксаторов до минимально необходимого для обеспечения симметричной фиксации выдвинутого положения насадка, что дает повышение надежности.
Кроме этого, для обеспечения снижения энергии раздвижки и обеспечения плотной фиксации выдвинутого положения насадка профиль концевой части фиксаторов, входящей в кольцевой паз неподвижного раструба, выполняется в виде двух пересекающихся по малому диаметру конических поверхностей, при этом передняя (по полету) коническая поверхность совпадает с соответствующей поверхностью кольцевого паза на наружной поверхности неподвижного раструба.
В настоящем техническом решении с фиксаторов сняты функции обеспечения фиксации (связи) выдвигаемого насадка и направляющего цилиндра в исходном положении и в процессе выдвижения и снятия связи насадка и цилиндра на конечном участке выдвижения. Данные функции возложены на другие элементы конструкции, например, фиксация и снятие связи насадка и цилиндра с помощью сдвигаемого кольца, или комбинированное решение, при котором часть фиксаторов выполнена в соответствии с прототипом (патент РФ №2276280) и обеспечивает только фиксацию и снятие связи насадка и цилиндра, а основные фиксаторы выдвинутого положения насадка выполнены в виде пластин. Кроме того, есть конструкции раздвижных сопел, в которых направляющие цилиндры отсутствуют, а соосность выдвижения насадков обеспечивается, например, реечными направляющими или шарнирными механизмами (пантографами).
При последующем описании приняты следующие условности и упрощения:
1. Учитывая то, что в процессе раздвижки сопла каждый выдвигаемый насадок для последующего выполняет роль неподвижного раструба, в описании будет показываться работа только одного насадка.
2. Для полноты описания процесса и конструктивной завершенности иллюстративного материала условно принято, что фиксация и снятие связи выдвигаемого насадка и направляющего цилиндра между собой осуществляется с помощью сдвигаемого кольца. Также на наружном диаметре неподвижного раструба показана заходная фаска, которая в реальных конструкциях «расправляет» выдвигаемый насадок (учитывая его невысокую жесткость) при надвигании его на неподвижный раструб. Кроме того, в показанном конструктивном исполнении (оно может быть и другим) эта фаска вместе с фиксатором обеспечивает силовое замыкание конструкции при выдвинутом положении насадка (в «идеальной» конструкции фаска не требуется).
3. Условно не показан привод раздвижки, при этом принято, что сила тяги привода реализуется на выдвигаемом насадке.
0
max
max
0
max
max
max
0
0
0
0
4. Учитывая, что в дальнейшем описании будет использоваться понятие угол трения, для однозначности понимания приводится определение: «Угол ϕ между направлениями нормальной реакции N и полной реакции R, соответствующей максимальному значению силы трения скольжения в покое F, называется углом трения, tg ϕ=F/R. Так как F=f*N, то отсюда находим следующую связь между углом трения и коэффициентом трения скольжения в покое f=tg ϕ, т.е. коэффициент трения скольжения в покое f равен тангенсу угла трения» (Н.Ф. Сахарный. Курс теоретической механики. М.: Высшая школа, 1964 г., 844 с., стр. 119).
На фиг. 1 изображен внешний вид раздвижного сопла с выдвигаемым насадком в сложенном положении. На фиг. 2 показан разрез в плоскости размещения фиксаторов. На фиг. 3 показан узел стыка неподвижного раструба с выдвигаемым насадком в процессе раздвижки при начале стыковки насадка с раструбом. На фиг. 4 показан узел стыка неподвижного раструба с выдвигаемым насадком при раздвинутом зафиксированном положении насадка на раструбе.
Раздвижное сопло (см. фиг. 1) содержит неподвижный раструб 1, выдвигаемый насадок 2, внутри которого установлен направляющий цилиндр 3, зафиксированный сдвигаемым кольцом 4. На выдвигаемом насадке в пазах 5 установлены фиксаторы 6, поджатые пружинами 7 (пружины расположены меридионально, как один из вариантов их расположения). На наружном диаметре неподвижного раструба выполнен кольцевой паз 8. Выдвигаемый насадок с направляющим цилиндром зафиксированы в исходном положении фиксаторами 9 сложенного положения (показаны условно).
На фиг. 2 показан разрез А-А по выдвигаемому насадку по плоскости, где размещены фиксаторы. Показан другой вариант выполнения пружины 7 (окружное расположение), при котором пружина поджимает пару фиксаторов 6, а также поднятое положение 10 фиксатора при прохождении его через наружный диаметр неподвижного раструба в процессе раздвижки и площадка контакта 11 (обозначена контурной штриховкой) фиксатора с поверхностью кольцевого паза 9 неподвижного раструба при раздвинутом зафиксированном положении насадка.
Работает раздвижное сопло следующим образом. При подаче команды на раздвижку снимаются фиксаторы 9 сложенного положения и выдвигаемый насадок 2 вместе с направляющим цилиндром 3 под действием силы тяги привода раздвижки начинает движение относительно неподвижного раструба 1. При подходе к выдвинутому положению (см. фиг. 3) внутренний диаметр насадка 2 «расправляется» на заходной фаске 12 раструба 1 и надвигается на его наружный диаметр. Следом на наружный диаметр раструба надвигается фиксатор 6 конической поверхностью 13 концевой части, обращенной широким концом в сторону среза сопла, и поднимается, преодолевая силы трения и усилие поджатая пружины 7. Угол α полураствора конуса поверхности 13 показан на выносном элементе фиг. 3.
T
Tp1
т1
T
т1
N
T
N
Tp
T
N
т
N
Tp1
T
Для обеспечения работоспособности конструкции необходимо, чтобы действующая сила (сила тяги привода раздвижки) обеспечивала преодоление сил трения, возникающих в узле. На выносном элементе на фиг. 3 показаны силы, действующие в узле при подходе насадка к выдвинутому положению. Со стороны насадка 2 на фиксатор 6 действует сила тяги привода F, которая двигает насадок 2 вместе с фиксатором 6 относительно неподвижного раструба 1, а также обуславливает силу трения между фиксатором и стенкой паза насадка F= k*F, где k - коэффициент трения между материалом фиксатора и материалом насадка. Со стороны неподвижного раструба 1 на фиксатор 6 действует сила реакции F, вызванная действием силы тяги привода F со стороны фиксатора 6 на неподвижный раструб 1. Сила F направлена по нормали к конической поверхности 13 концевой части фиксатора 6 и обуславливает силу трения между фиксатором и неподвижным раструбом F=k*F, где k - коэффициент трения между материалом фиксатора и материалом неподвижного раструба. Кроме того, сила F обеспечивает поднятие фиксатора 6 при прохождении его через наружный диаметр неподвижного раструба 1, преодолевая силу трения между фиксатором и стенкой паза насадка F. Учитывая, что все описанные силовые факторы являются следствием действия силы тяги привода F, необходимым условием обеспечения описанного движения составных частей узла будет нахождение направления движущей силы в соответствующих парах трения за пределами угла трения, определяемого как угол от нормали к поверхности трения величиной, равной arctg k, где k - коэффициент трения соответствующей пары (показан на выносном элементе на фиг. 4).
T
N
т
т1
В паре трения неподвижный раструб 1 - фиксатор 6 движущая сила F направлена под углом α к конической поверхности 13 фиксатора, являющейся поверхностью трения, а в паре трения насадок 2 - фиксатор 6 движущая сила F также направлена под углом α к поверхности стенки паза 7 насадка, являющейся поверхностью трения. Таким образом, необходимым условием обеспечения работоспособности конструкции будет величина угла α, удовлетворяющая условию: ctg α>k, и ctg α>k, или, объединяя,
т
т1
ctg α>(k, k),
т.е. ctg α должен превышать коэффициенты трения в парах неподвижный раструб - фиксатор и насадок - фиксатор.
Пр
В описании, приведенном выше, не учтена еще одна сила, действующая на фиксатор и влияющая на процесс выдвижения и стыковки. Это сила Fподжатия фиксатора 6 пружиной 7 (показана на выносном элементе на фиг. 3). Однако эта сила будет выбираться для конкретной конструкции и, соответственно, для конкретной конструкции будет корректироваться величина угла α от необходимого, определенного приведенным выше соотношением, до достаточного с учетом силы поджатия фиксатора пружиной, а также для максимально возможного снижения необходимых усилий при раздвижке и, соответственно, ее энергии.
Гд
1
1
Гд
Раздвинутое зафиксированное положение выдвигаемого насадка на неподвижном раструбе (узел стыка) показано на фиг. 4. Насадок 2 выдвинулся до конечного положения и уперся своим хвостовиком в заходную фаску 12 неподвижного раструба 1. Направляющий цилиндр отстыковался. Фиксатор 6 прошел через наружный диаметр неподвижного раструба 1 и под действием пружины 7 опустился в кольцевой паз 8 неподвижного раструба. При этом передняя (по полету) коническая поверхность 14 концевой части фиксатора 6 уперлась в совпадающую с ней соответствующую коническую поверхность 15 кольцевого паза 8 неподвижного раструба. Таким образом с учетом упора насадка в фаску неподвижного раструба (для показанного конструктивного варианта с учетом оговоренных выше условностей) сформировано плотное неподвижное соединение насадка и неподвижного раструба. Необходимо, чтобы это плотное соединение сохранялось при действии внешних сил, основной из которых является газодинамическая сила F, действующая на насадок при работе двигателя. Обеспечивается это следующим образом: коническая поверхность 14 концевой части фиксатора и совпадающая с ней коническая поверхность 15 кольцевого паза выполняются с углом полураствора α (см. выносной элемент на фиг. 4), при этом значение угла α выбирается таким, чтобы под действием внешних сил фиксатор 6 не смещался из кольцевого паза 8 неподвижного раструба. На выносном элементе на фиг. 4 показаны силы, действующие в узле в раздвинутом зафиксированном состоянии. Со стороны насадка 2 на фиксатор 6 действует газодинамическая сила F, которая через коническую поверхность 14 фиксатора воздействует на коническую поверхность 15 кольцевого паза неподвижного раструба.
R
Тр2
т
R
т
Со стороны неподвижного раструба 1 на фиксатор 6 действует сила реакции F, направленная по нормали к конической поверхности и обуславливающая силу трения между фиксатором и неподвижным раструбом F=k*F, где k - коэффициент трения между материалом фиксатора и материалом неподвижного раструба.
Гд
R
1
1
т
Необходимым условием обеспечения плотного неподвижного стыка раструба и насадка будет нахождение направления действующей силы в пределах угла трения пары фиксатор - неподвижный раструб. Учитывая, что угол между действующей газодинамической силой F и силой реакции F составляет 90°-α, необходимое условие можно записать следующим соотношением: ctg α<k.
Пр
Сила поджатия фиксатора 6 пружиной 7 F обеспечивает дополнительную фиксацию стыка и компенсацию, например, вибрационных нагрузок.
Таким образом, предлагаемая конструкция раздвижного сопла ракетного двигателя обеспечивает, во-первых, возможность исключить из конструкции узла металлические детали, что дает снижение массы, во-вторых, за счет увеличения окружной длины каждого фиксатора, уменьшение числа фиксаторов до минимально необходимого для обеспечения симметричной фиксации выдвинутого положения насадка, что дает повышение надежности.