ЗАГЛУШКА РАКЕТНОГО ДВИГАТЕЛЯ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА
SOLID-PROPELLANT ROCKET ENGINE PLUG

Изобретение относится к ракетной технике и может быть использовано при создании заглушки ракетного двигателя твердого топлива (РДТТ), эксплуатирующегося под водой и запускаемого после его выталкивания пороховым аккумулятором давления (ПАДом) из пускового контейнера.
2
2
Известно, что в состав РДТТ входит заглушка, герметизирующая его внутреннюю полость [Ерохин Б.Т. Теория внутрикамерных процессов и проектирование РДТТ: Учебник для высших технических учебных заведений. - М.: Машиностроение, 1991. 560 с.: ил., страница 14, рисунок 1.4, позиция 14]. Эксплуатация РДТТ под водой выдвигает необходимость усовершенствования конструкции заглушки. При аварийном погружении РДТТ на глубину, превышающую расчетное значение, наружное гидростатическое давление воды разрушает корпус РДТТ. Таким образом, для исключения перепада давления на корпусе РДТТ, появляется задача разгерметизации заглушки при действии на нее наружного давления, превышающего критическое значение. Такие заглушки известны [Конструкции ракетных двигателей на твердом топливе. /Под общ. ред. Л.Н.Лаврова. - М.: Машиностроение, 1993 - 215 с., ил., страница 163, второй абзац]. Клапан аварийного затопления зафиксирован относительно заглушки фиксатором (например, штифтом или винтом с механически разрушаемым ослабленным звеном). Недостатком указанных заглушек является невозможность их использования в РДТТ, запускаемом после его выталкивания пороховым аккумулятором давления (ПАДом) из пускового контейнера. При воздействии на заглушку давления, развиваемого ПАДом (а это давление может доходить до 10-15 кг/см, т.е. превышать расчетное (3-5 кг/см) наружное давление разрушения цилиндрической обечайки корпуса), произойдет разгерметизация заглушки вследствие срабатывания клапана аварийного затопления. При наличии стартового ПАДа требуется принудительное вскрытие клапана аварийного затопления пиросредством, используемым в качестве фиксатора.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому положительному эффекту к предлагаемому изобретению является заглушка узла отсечки тяги [Конструкции ракетных двигателей на твердом топливе. /Под общ. ред. Л.Н.Лаврова. - М.: Машиностроение, 1993 - 215 с., ил., страницы 170, 171, рис.4.8]. Заглушка содержит клапан, установленный, например, в направляющем цилиндре. Клапан зафиксирован фиксатором. Недостатком представленной конструкции является то, что фиксатором является пиросредство, управляемое специальными электрическими командами. Управление клапаном аварийного затопления по электрическим командам и наличие в заглушке пиросредств существенно усложняет конструкцию не только заглушки, а ракеты в целом, снижает их надежность.
Технической задачей настоящего изобретения является расширение функциональных возможностей заглушки, обеспечение возможности использования клапана аварийного затопления в автоматическом режиме на заглушке, подверженной воздействию стартового ПАДа, при обеспечении простоты конструкции заглушки и повышение ее надежности.
Сущность изобретения заключается в том, что в заглушке ракетного двигателя твердого топлива, установленной в сопловом блоке, содержащей направляющий цилиндр с установленным в нем с возможностью продольного перемещения клапаном аварийного затопления, зафиксированным аварийным фиксатором, рассчитанным на срабатывание при воздействии на клапан аварийного затопления наружного давления, соответствующего предельно допустимому давлению при аварийном погружении, причем на направляющем цилиндре выполнены радиальные окна, клапан аварийного затопления выполнен в виде плунжера, имеющего выведенный во внутреннюю полость РДТТ хвостовик, причем диаметр хвостовика меньше диаметра плунжера. В непосредственной близости от наружного торца направляющего цилиндра в нем установлен с возможностью продольного перемещения поршень, зафиксированный стартовым фиксатором, рассчитанным на срабатывание при воздействии на поршень наружного давления, превышающего предельно допустимое давление при аварийном погружении. Масса плунжера превышает массу поршня. Заглушка может быть снабжена обратным клапаном. Заглушка может быть снабжена фиксатором.
Иными словами, сущность изобретения заключается в том, что клапан аварийного затопления при действии на него высокого давления стартового ПАДа остается закрытым, а при воздействии гораздо меньшего гидростатического давления воды при аварийном погружении автоматически (без дополнительных команд) открывается.
2
2
l
Технический результат достигается за счет блокировки плунжера поршнем в результате одновременного срабатывания аварийного и стартового фиксаторов. Одновременное срабатывание аварийного и стартового фиксаторов обусловлено высоким градиентом нарастания давления при работе стартового ПАДа, когда давление от 3-5 кг/смувеличивается до 10-15 кг/см за время, не превышающее 0,01-0,05 секунды. С точки зрения механического движения плунжера и поршня такой временной разницей можно пренебречь. Блокировка обеспечивается за счет того, что разные ускорения (соответственно разные перемещения) плунжера и поршня приводят к их встрече в момент, когда перемещение плунжера относительно его исходного положения незначительно (несколько миллиметров) и не приводит к разгерметизации плунжера. Разные перемещения обеспечиваются по двум причинам. Во-первых, отношение площади F поршня к площади f плунжера (по кольцу) больше единицы (зависит от относительного диаметра хвостовика). Во-вторых, отношение массы М плунжера к массе m поршня также больше единицы. Можно показать, что путь L, проходимый поршнем, относится к пути , проходимым плунжером, как
Т.е., если соотношения площадей F/f и масс М/m составляют по 5-10, то, согласно (1), на каждый миллиметр пути, проходимого плунжером, приходится 25-100 мм пути, проходимого поршнем. Соответственно, путь, пройденный плунжером к моменту столкновения, незначителен и не приводит к разгерметизации хвостовика. При высоком давлении клапан аварийного затопления остается закрытым, а при сравнительно низком давлении, соответствующем аварийному затоплению, он открывается. Указанное техническое решение позволят использовать механические фиксаторы, исключив пиросредство, управляемое специальными электрическими командами. Тем самым достигается простота конструкции заглушки и повышение ее надежности.
Данное техническое решение не известно из патентной и технической литературы.
Изобретение поясняется следующим графическим материалом.
На фиг.1 показан продольный разрез заглушки РДТТ в исходном состоянии.
На фиг.2 показан продольный разрез заглушки РДТТ в состоянии, соответствующем началу действия ПАДа при старте (при столкновении плунжера и поршня).
На фиг.3 показан продольный разрез заглушки РДТТ в состоянии, соответствующем окончанию действия ПАДа при старте (при поджатии плунжера поршнем).
На фиг.4 показан продольный разрез заглушки РДТТ в состоянии открытого клапана аварийного затопления.
Заглушка 1 ракетного двигателя твердого топлива установлена в сопловом блоке 2 РДТТ. Заглушка 1 опирается на сопловой блок 2 таким образом, чтобы наружное давление не приводило к ее разгерметизации, а внутрикамерное давление обеспечивало беспрепятственный вылет заглушки 1. Заглушка 1 содержит направляющий цилиндр 3 с установленным в нем с возможностью продольного перемещения клапаном аварийного затопления. Клапан аварийного затопления выполнен в виде плунжера 4, имеющего выведенный во внутреннюю полость РДТТ хвостовик 5. Диаметр хвостовика 5 меньше диаметра плунжера 4. Плунжер 4 зафиксирован относительно крестовины 6 аварийным фиксатором 7, рассчитанным на срабатывание при воздействии на клапан аварийного затопления наружного давления, соответствующего предельно допустимому давлению при аварийном погружении. На направляющем цилиндре 3 выполнены радиальные окна 8. В непосредственной близости от наружного торца направляющего цилиндра 3 в нем установлен с возможностью продольного перемещения поршень 9. Поршень 9 зафиксирован стартовым фиксатором 10, рассчитанным на срабатывание при воздействии на поршень 9 наружного давления, превышающего предельно допустимое давление при аварийном погружении. Масса М плунжера 4 превышает массу m поршня 9. Отношение площади F поршня 9 к площади f плунжера 4 (по кольцу, образованному между диаметром плунжера 4 и диаметром хвостовика 5) больше единицы (зависит от относительного диаметра хвостовика 5). Для предотвращения преждевременной разгерметизации внутренней полости РДТТ в процессе его запуска (до момента, когда заглушка 1 вышибается из сопла продуктами сгорания как единое целое), заглушка 1 снабжена дополнительным узлом. Дополнительный узел может быть выполнен по одному из нескольких вариантов. В одном варианте дополнительным узлом является обратный клапан 11. В другом варианте дополнительным узлом является фиксатор 12. Фиксатор 12 может быть выполнен в виде цанги или подпружиненного элемента. На фиг.1-4 условно одновременно изображены и обратный клапан 11, и фиксатор 12.
Устройство работает следующим образом.
При штатной эксплуатации РДТТ на него наружное избыточное давление практически не действует. Соответственно, обеспечивается герметичность стыков между сопловым блоком 2 и заглушкой 1, а также между заглушкой 1 и хвостовиком 5.
2
При запуске ракеты срабатывает ПАД, продукты сгорания которого под сравнительно высоким давлением (которое может доходить до 10-15 кг/см) выталкивают ракету из пускового контейнера. Указанное давление действует на заднее днище корпуса РДТТ (несущая способность которого выше, чем у цилиндрической обечайки корпуса) и на заглушку 1. Под воздействием указанного давления одновременно срабатывают аварийный 7 и стартовый 10 фиксаторы. Плунжер 4 и поршень 9 по направляющему цилиндру 3 перемещаются друг к другу (см. фиг.2). Путь, пройденный плунжером 4 к моменту столкновения с поршнем 9, незначителен (см. выражение (1) и не приводит к разгерметизации хвостовика 5. После столкновения плунжер 4 совместно с поршнем 9 под действием давления на площадь поперечного сечения хвостовика 5 (т.е. на площадь, составляющую разницу площадей поршня 9 и плунжера 4) прижимается к крестовине 6 (см. фиг.3). Клапан аварийного затопления практически сохраняет свое исходное положение. На данный момент заглушка обеспечивает герметичность внутренней полости РДТТ. На следующем этапе полета ракеты подается команда на запуск РДТТ. В начале подъема внутрикамерного давления заглушка 1 продолжает обеспечивать свою герметичность, что обеспечивается следующим. Обратный клапан 11 (если конструкция выполнена по варианту, содержащему обратный клапан 11) остается в закрытом положении и не допускает продукты сгорания к плунжеру 4. В другом варианте конструкции, содержащей фиксатор 12, поршень 9 посредством фиксатора 12 удерживает плунжер 4, не давая ему перемещаться под действием продуктов сгорания. При достижении значения внутрикамерного давления, соответствующего заданному давлению, срабатывания заглушки, продукты сгорания РДТТ вышибают заглушку 1 из соплового блока 2.
2
При нештатной эксплуатации РДТТ происходит его аварийное погружение под водой на глубины, соответствующие гидростатическому давлению 3-5 кг/см. Под воздействием этого относительно низкого давления срабатывает только аварийный фиксатор 7. Плунжер 4 перемещается к неподвижному поршню 9 (см. фиг.4). Происходят разгерметизация хвостовика 5 и открытие окон 8. Если конструкция выполнена по варианту, содержащему обратный клапан 11, то происходит открытие обратного клапана 11. Вода поступает во внутреннюю полость РДТТ, исключая перепад давления на его корпусе. Тем самым исключается разрушение корпуса РДТТ, т.е. обеспечивается его безопасность.
Технико-экономическая эффективность предлагаемого изобретения, по сравнению с прототипом, в качестве которого выбрана заглушка узла отсечки тяги [Конструкции ракетных двигателей на твердом топливе. /Под общ. ред. Л.Н.Лаврова. - М.: Машиностроение, 1993 - 215 с., ил., страницы 170, 171, рис.4.8], заключается в расширении функциональных возможностей заглушки, обеспечении возможности использования клапана аварийного затопления в автоматическом режиме на заглушке, подверженной воздействию стартового ПАДа, при обеспечении простоты конструкции заглушки и повышении ее надежности.