УСТРОЙСТВО ДЛЯ ФИКСАЦИИ КАМЕРЫ ЖИДКОСТНОГО РАКЕТНОГО ДВИГАТЕЛЯ
LIQUID-PROPELLANT ROCKET ENGINE CHAMBER LOCK

Предлагаемое изобретение относится к жидкостным ракетным двигателям и может быть использовано для фиксации камеры в нулевом положении при транспортировании, огневых стендовых испытаниях и в полете двигателя в составе ступени ракеты.
В общем машиностроении известны различные устройства для фиксации взаимного углового положения подвижной детали относительно неподвижной.
Так, известно устройство для фиксации взаимного углового положения двух деталей, содержащее стопорную шайбу, имеющую упор, выполненный на периферии шайбы, для взаимодействия с упором одной из фиксируемых деталей, и центральное отверстие, в котором упоры второй фиксируемой детали выполнены в виде режущих кромок вершин многогранника на ее торце, взаимодействующих с гранями стопорной шайбы, образуемыми в ней при напрессовке на многогранник, при этом диаметр центрального отверстия стопорной шайбы выполнен меньшим диаметром вписанной окружности многогранника, а наружная поверхность стопорной шайбы сопряжена с поверхностью гнезда под нее, выполненного в детали, причем глубина гнезда превышает толщину первой фиксируемой стопорной шайбы, а торец многогранника углублен относительно торца первой фиксируемой детали (патент России №2398136, МПК F16B 1/00, опубл. 27.08.2010).
Недостатками известного устройства являются сложность извлечения стопорной шайбы из углубления при необходимости расфиксации подвижной детали относительно неподвижной, а также наличие засорений внутренних полостей устройства от срезаемых при напрессовке стопорной шайбы на многогранник частиц, которые могут вызвать затруднения при вращении подвижной детали.
В значительной мере указанные недостатки устранены в конструкции "Устройства для фиксации" (патент России №2025578, МПК, F16B 2/20, опубл. 30.12.1994 г.,) содержащего соосные охватываемую и охватывающую детали с коническими сопрягаемыми поверхностями, причем охватываемая деталь выполнена с цилиндрической сопрягаемой поверхностью и с продольными прорезями на конической части с образованием по меньшей мере двух лепестков, в котором охватывающая деталь выполнена с цилиндрической поверхностью с контактом с цилиндрической поверхностью охватываемой детали, на ее конической части выполнены продольные прорези с образованием по меньшей мере двух лепестков, конусности обеих деталей направлены в одну строну, причем угол конусности конической поверхности охватывающей детали больше, чем угол конусности конической поверхности охватываемой детали в их свободном состоянии, а угол конусности конических поверхностей при сопряжении охватываемой и охватывающей деталей больше угла конусности конической поверхности охватываемой детали и меньше угла конусности конической поверхности охватывающей детали в их свободном состоянии.
Данное техническое решение не позволяет проводить расфиксацию подвижной части без участия человека, по команде, например, с борта летательного аппарата. Кроме того, известное устройство затруднительно для его установки между камерой и рамой ЖРД, т.к. требует для своего размещения большой пространственный промежуток, что утяжеляет конструкцию узла фиксации.
В двигателестроении известен жидкостный ракетный двигатель (см. фиг.1) с четырьмя рулевыми соплами 1 (см. фиг.2), для управления вектором тяги которого сопла могут поворачиваться в одной плоскости до 45°. Рулевое сопло 1 состоит из двух узлов: неподвижного корпуса 2 и поворотного сопла 3.
К опоре 4 корпуса 2 приварено шесть бобышек 5 с резьбовыми гнездами 7, предназначенных для крепления рулевого сопла с электрогидроприводом 8 к раме двигателя 9. Стыковка рулевого сопла с приводом производится в стапеле. При стыковке ось сопла устанавливается по оси изделия, а потенциометр привода на нуль.
Рычаги 10, 11 устанавливаются перпендикулярно оси рулевого сопла, а нуль лимба 12 должен совпадать с риской указателя 13 рычага. Рычаги соединяются между собой регулируемой тягой 14 (Техническое описание 11Д55-00. ТО "Двигатель 11Д55", разработка ОАО КБХА, г.Воронеж, прототип").
Недостаток системы фиксации известного двигателя заключается в том, что она работает только при подаче электрического напряжения на электропривод.
При транспортировании рулевые сопла не зафиксированы от поворота вокруг оси качания, находятся в отклоненном положении и могут перемещаться.
В случае выполнения камер большой размерности и массы с качанием не исключена возможность их разрушения при транспортировании двигателя. Кроме того для удержания в нулевом положении и качании при работе с применением данной системы фиксации требуются приводы с системой рычагов и тяг значительно большей массы и мощности, а также габаритных размеров.
Задачами предложенного технического решения являются сохранение целостности камер ЖРД при транспортировании, повышение надежности их фиксации при огневой стендовой отработке двигателя в земных условиях и расфиксации камеры на начальном участке полетной траектории РН по команде в определенное время, а также улучшение центровки и повышение удобства монтажа технологического фиксатора, повышение точности фиксации камеры в нулевом положении, компенсации линейных и угловых отклонений взаимного расположения камеры при стендовой отработке двигателя, обеспечение установки селективно подобранных пирофиксаторов по плоскостям стабилизации после транспортирования двигателя, обеспечение объективной оценки отсутствия погнутости штока пирофиксатора, надежности срабатывания и удержания чеки в отведенном положении, а также снижение массы системы поворота камер.
Поставленные задачи достигаются тем, что устройство для фиксации камеры ЖРД содержит технологический, пиротехнический фиксаторы и регулируемую технологическую тягу, установленные между камерой и рамой двигателя, на цилиндрической части камеры сгорания закреплена проушина, а между стержнями и основанием рамы установлена пластина с платиками, при этом в проушине и платиках выполнены отверстия, в одно из которых вставлен и закреплен технологический фиксатор, а в другое установлен и закреплен пиротехнический фиксатор, на цилиндрической части камеры сгорания и раме приварен кронштейн и скоба соответственно, снабженные серьгами с отверстиями, между которыми установлена технологическая тяга, закрепленная при помощи пальцев в отверстиях серег. Технологический фиксатор, закрепленный на платике пластины рамы, имеет одну коническую поверхность, контактирующую с ответной конической поверхностью в отверстии платика, и другую направляющую коническую поверхность с противоположной стороны фиксатора. Технологическая тяга выполнена регулируемой по длине с проушинами по концам, содержащими сферические подшипники скольжения, а также контргайки, контактирующие по резьбе с проушинами и резьбовой тягой, при этом противоположные проушины, контргайки и наконечники резьбовой тяги выполнены с одной стороны с левой, а с другой стороны выполнены с правой резьбой.
Приротехнический фиксатор установлен на трех шпильках увеличенной длины, при этом в транспортном положении между платиками пластины рамы и пирофиксатором установлена проставка с чекой для демонтажа проставки, причем в рабочем положении шток пирофиксатора имеет возможность входа в отверстие проушины на камере на определенную глубину, при этом между фланцем пирофиксатора и платиком установлены регулировочные пластины, а в его корпусе и штоке выполнены отверстия, в которые вставлена чека, а пирочека снабжена грибком, причем на грибке пирочеки выполнены кольцевые проточки.
На фиг.3 представлен жидкостный ракетный двигатель, в котором камеры качаются в одной плоскости, содержащий предложенное устройство для фиксации камер в нулевом положении от поворота вокруг оси качания.
На фиг.4 приведен вид на устройство для фиксации камеры.
На фиг.5 дан увеличенный вид на технологический и пиротехнические фиксаторы.
На фиг.6 показано положение фиксаторов в положении при транспортировании двигателя.
На фиг.7 изображен технологический фиксатор.
На фиг.8 изображена технологическая тяга, установленная между камерой и рамой.
На фиг.9 показана фиксация камеры при помощи пиротехнического фиксатора.
На фиг.10 представлена проставка в сборе с чекой.
На фиг.11 приведен эскиз чеки, применяемой для демонтажа проставки.
На фиг.12 показан разрез по корпусу и штоку пирофиксатора с установленной контрольной чекой.
На фиг.13 изображена контрольная чека.
На фиг.14 дан продольный разрез пирофиксатора и показана пирочека с грибком.
На фиг.15 приведен эскиз регулировочной пластины.
Основными элементами устройства являются следующие:
1 - технологический фиксатор;
2 - пиротехнический фиксатор;
3 - технологическая тяга;
4 - камера;
5 - рама;
6 - цилиндрическая часть камеры сгорания;
7 - проушина;
8 - стержни рамы;
9 - пластина;
10, 11 - платики;
12, 13, 14 - отверстия;
15 - фланец пирофиксатора;
16 - шпильки;
17 - гайки;
18 - проставка;
19 - коллектор;
20 - кронштейн;
21 - скоба;
22 - серьга;
23 - технологическая тяга;
24 - палец;
25 - коробчатая гайка;
26 - коническая поверхность технологического фиксатора;
27 - ответная коническая поверхность платика;
28 - направляющая коническая поверхность технологического фиксатора;
29 - шестигранник;
30 - контровочные отверстия;
31 - отверстие на корпусе технологического фиксатора;
32 - проушины;
33 - подшипники скольжения;
34 - контргайки;
35 - резьбовая тяга;
36 - наконечники резьбовые;
37 - чека (демонтажная);
38 - шток пирофиксатора;
39 - регулировочные пластины;
40 - корпус пирофиксатора;
41 - чека контровочная;
42 - пирочека;
43 - грибок пирочеки;
44 - кольцевые проточки;
45 - пиропатрон;
46 - штифт;
47 - заглушка;
D - отверстие серьги;
D1 - резьбовое отверстие проушины для технологического фиксатора;
D2 - отвертстие в проушине для штока пирофиксатора;
d - отверстия в штоке и корпусе пирофиксатора;
Н - глубина входа штока пирофиксатора в проушину;
M - геометрические оси камер;
П - привалочная плоскость двигателя;
l - длина технологической тяги.
Устройство для фиксации камер жидкостного ракетного двигателя (см. фиг.3) содержит технологический фиксатор 1(см. фиг.4, 5), пиротехнический фиксатор 2, а также технологическую тягу 3, которые установлены между камерой 4 и рамой 5 двигателя. На цилиндрической части 6 камеры сгорания закреплена проушина 7 (см. фиг.6), а между стержнями 8 (см. фиг.5) установлена пластина 9 с платиками 10, 11, при этом в проушине 7 и платиках 10, 11 выполнены отверстия 12, 13, 14. В отверстие 14 вставлен и закреплен при помощи резьбы технологический фиксатор 1, а в отверстие 13 установлен и закреплен пиротехнический фиксатор 2. Пирофиксатор снабжен фланцем 15, установленным на три шпильки 16 и прижатым гайками 17 к проставке 18.
На коллекторе 19 (см. фиг.8) цилиндрической части 6 камеры сгорания и раме 5 приварены кронштейн 20 и скоба 21, снабженные серьгами 22 с отверстиями D, между которыми установлена технологическая тяга 23, закрепленная при помощи пальцев 24 и корончатых гаек 25 в отверстиях D серег 22.
Технологический фиксатор 1 (см. фиг.7), закрепленный на платике 11 пластины 9 рамы 5 имеет одну коническую поверхность 26, контактирующую с ответной конической поверхностью 27 в отверстии 14 (см. фиг.6) платика 11 рамы 5, и другую направляющую коническую поверхность 28 с противоположной стороны фиксатора. Технологический фиксатор снабжен шестигранником 29, обеспечивающим его заворачивание в резьбовое отверстие D1 в проушине 7 при помощи гаечного ключа. На шестиграннике 29 выполнены контровочные отверстия 30 для контровки его от отворачивания. На конической части (поверхность 28) имеется сквозное отверстие 31 для установки красного флажка.
При сопряжении конической поверхности 26 технологического фиксатора 1 с ответной конической поверхностью 27 платика происходит улучшенная центровка технологического фиксатора и фиксация подвижной и неподвижной частей в двигателе достигается без зазоров. (см. фиг.6, 7).
Выполнение другой конической поверхности 28 с противоположной стороны технологического фиксатора 1 обусловлено необходимостью производства его монтажа или демонтажа в условиях ограниченной видимости и доступности. Направляющая коническая поверхность 28 позволяет подводить гаечный ключ к шестиграннику "вслепую", наощупь руками слесаря-сборщика.
Красный флажок, закрепляемый на отверстии 31 технологического фиксатора (не показан) и за пластину 9 рамы 5, не позволяет уронить последний внутрь отсека РН, а также сигнализирует о необходимости демонтажа технологического фиксатора 1 после установки пиротехнического фиксатора 2.
Технологическая тяга 23 выполнена регулируемой по длине с проушинами 32 по концам, содержащими сферические подшипники скольжения 33, а также контргайки 34, контактирующие по резьбе с проушинами 32 и резьбовой тягой 35, при этом противоположные проушины 32, контргайки 37 и наконечники 36 резьбовой тяги 35 выполнены с одной стороны с левой резьбой, а с другой стороны выполнены с правой резьбой. Вращением резьбовой тяги 35 по часовой или против часовой стрелки меняют общую длину тяги 23.
Пиротехнический фиксатор 2 (см. фиг.6, 9) установлен на трех шпильках 16 увеличенной длины, при этом в транспортном его положении между платиками 10, 11 пластины 9 рамы 5 и пирофиксатором 2 установлена проставка 18 с чекой 37 для демонтажа проставки. В рабочем положении (см. фиг.9) шток 39 пирофиксатора входит в отверстие D2 проушины 7 на цилиндрической части 6 камеры 4 на определенную глубину Н, при этом между фланцем 15 пирофиксатора 2 и платиком 10 рамы установлены регулировочные пластины 39.
В корпусе 40 и штоке 38 пирофиксатора 2 (см. фиг.12, 13, 14) выполнены отверстия d, в которые вставлена чека контрольная 41, а пирочека 42 снабжена грибком 43, при чем на грибке 43 выполнены кольцевые проточки 44.
Устройство для фиксации камеры жидкостного ракетного двигателя в нулевом положении от поворота вокруг оси качания работает следующим образом.
При сборке двигателя первоначально в стапеле закрепляется рама 5 по своей привалочной плоскости "П". Затем к раме пристыковываются и крепятся камеры 4, геометрические оси "М" которых также выставляются в стапеле перпендикулярно привалочной плоскости "П" рамы с высокой точностью, с неперпендикулярностью не более 15'. Рама после сварки входящих в нее составных частей: стержней, оснований, бобышек и т.д. - фрезеруется по привалочной плоскости и плоскости нижнего пояса с обеспечением их параллельности. После этого на шпильки 16, ввернутые в резьбовые отверстия платика 10, монтируется приспособление (кондуктор), в котором имеются отверстия, соответствующие по величине диаметрам штока пирофиксатора 2 и резьбовой части технологического фиксатора 1. При помощи электродрели и принадлежностей к ней в платиках 10, 11 пластины 9 рамы и в проушине 7 камеры 4 выполняются отверстия необходимой геометрии, нарезается резьба.
В отверстия платиков 10, 11 и проушины 7 вставляются технологический фиксатор 1 и пиротехнический фиксатор 2. Поскольку они имеют свои отклонения при изготовлении, то проводится их селективный подбор, позволяющий добиться наилучшей собираемости с камерой 4 и рамой 5. Проводится их маркировка с привязкой к плоскостям стабилизации, затем осуществляется сборка узла фиксации, как показано на фиг.6. В таком положении, со смонтированной проставкой 18, в зафиксированном состоянии камер, двигатель транспортируется различными видами транспорта: автомобильным, по железной дороге и т.д. Нарушений целостности деталей блоков камер не наблюдалось.
При огневой отработке двигателя на стенде в земных условиях на камеры действуют значительные вибрационные, динамические нагрузки, боковые силы, вызванные несимметричностью скачков уплотнения и другие, которые могут привести к разрушению камер. Поэтому для надежного удержания камер 4 в нулевом положении (см. фиг.4, 8) между кронштейном 20, приваренным к коллектору 19, и скобой 21 установлена технологическая тяга 23, т.е. в пространство, предназначенное для установки рулевого привода. Конструктивно технологическая тяга 23 выполнена таким образом, что позволяет компенсировать отклонения взаимного расположения кронштейна 20 и скобы 21 за счет возможности проворота в сферических подшипниках скольжения 33, а также регулирования своей длины 1 за счет проворачивания резьбовой тяги 35 вокруг своей оси. В случае длительных перевозок двигателя технологическая тяга 23 может устанавливаться дополнительно к технологическому фиксатору 1. Устранение люфтов в соединениях подшипников скольжения 33 с проушинами 32 достигается затяжкой резьбовой тяги 35 определенным моментом силы, при установленном технологическом фиксатор 1, что значительно снижает возможность разрушения мест крепления рулевых приводов на камере и раме двигателя. Технологическая тяга окрашена в красный цвет и демонтируется с двигателя перед установкой системы поворота камер и переводом пирофиксаторов в рабочее положение.
После контрольно-технических испытаний двигателя, перевозки его с завода-изготовителя в монтажно-испытательный комплекс, в ходе работ по установке в отсек изделия проводится установка пиротехнического фиксатора в рабочее положение, для чего демонтируют проставку 18, при ослабленных гайках 17, при помощи чеки 27 (см. фиг.6, 10), которая не позволяет уронить ее вовнутрь отсека и облегчает демонтажные работы. Пирофиксатор 2 своим штоком 38 вставляется в отверстие D2 проушины 7 на камере 4, при этом глубина Н захода штока 38 определяется подобранными заранее и установленными на двигателе на заводе-изготовителе регулировочными пластинами 39. Подбор пластин осуществлен, исходя из допустимого зазора h (см. фиг.9) между подвижной и неподвижной частями двигателя.
Перед монтажом штока 38 пирофиксатора в отверстие D2 проушины 7 проверяется отсутствие погнутости штока 38 при помощи чеки контрольной 41 путем ее вытаскивания (см. фиг.11). Шток 38 считается непогнутым и не вызывающим аварийную ситуацию, если чека контрольная 41 вытаскивается из отверстий d без "заедания". В противном случае пирофиксатор подлежит замене на другой, работоспособный.
Для удержания пирочеки 42 в исходном положении служит штифт 46, который срезается штоком 38 при срабатывании пиропатрона 45, обеспечивая перемещение пирочеки со штоком в сторону от камеры и, тем самым, ее расфиксацию по электрической команде на пиропатрон в нужное время начала полета ступени с работающим двигателем.
Удержание штока 38 и пирочеки 42 от перемещения в обратную сторону осуществляется следующим конструктивным элементом. На грибке 43 пирочеки выполнены две кольцевые проточки 44, которые позволили снизить площадь контакта деталей и после срабатывания пиропатрона и удара грибка 43 своей конической поверхностью о коническую поверхность заглушки 47 корпуса пирофиксатора 2, усилить эффект удержания пирочеки в отведенном положении, т.к. металл заглушки, прогибаясь от напряжений, заходит в кольцевые проточки 44 и надежно сцепливает грибок с заглушкой, не давая, тем самым, сдвигаться штоку в сторону камеры.
Предложенное устройство для фиксации камеры жидкостного ракетного двигателя разработано, исходя из требований головного разработчика по применению механического устройства фиксации камер для уменьшения массы системы поворота камер (СП КС) двигателя, устанавливаемого на верхней ступени РН.
Рулевые приводы вследствие применения автономной от них системы фиксации камер упростились, уменьшились их габаритные размеры и снизилась масса. Это повлекло за собой уменьшение массы элементов рамы в местах установки приводов, т.к. уменьшилось пространство между стержнями для установки рулевых приводов.
Таким образом, предложенное техническое решение позволило решить задачи сохранения целостности камер, надежной фиксации камер жидкостного ракетного двигателя с высокой точностью положения их геометрических осей на всех этапах от его изготовления, огневой отработки при контрольных испытаниях на стенде до расфиксации на начальном участке траектории полета РН.
Кроме того улучшена центровка, повысилось удобство монтажа технологического фиксатора, повысилась возможность компенсации линейных и угловых отклонений взаимного расположения камеры и рамы, исключены радиальные перемещения камеры при огневой стендовой отработке двигателя, обеспечена установка селективно подобранных пирофиксаторов по плоскостям стабилизации, обеспечена объективная оценка отсутствия погнутости штока пирофиксатора, надежность срабатывания и удержания чеки пирофиксатора в отведенном положнии.
Применение пирофиксаторов для фиксации камер в системе управления, повлекшее уменьшение массы системы поворота камер, позволяет выводить за счет этого на орбиту больше полезной нагрузки или меньше затрачивать топлива на предыдущих ступенях на доставку верхней ступени на заданную высоту полета РН.
Кроме того, предложенное устройство для фиксации камер жидкостного ракетного двигателя отличает простота конструкции, оно доступно в изготовлении, удобно в эксплуатации, обеспечивает сохранность и целостность блоков камер двигателя.