СИСТЕМА ЗАПУСКА РАКЕТНОГО ДВИГАТЕЛЯ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА И ЗАБОРНИК ДАВЛЕНИЯ РАКЕТНОГО ДВИГАТЕЛЯ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА
SOLID-PROPELLANT ROCKET ENGINE START SYSTEM AND PRESSURE INTAKE OF SOLID-PROPELLANT ROCKET ENGINE

Изобретение относится к ракетной технике и может быть использовано при создании ракетного двигателя твердого топлива (РДТТ).
Известно, что РДТТ должен содержать систему запуска [Конструкции ракетных двигателей на твердом топливе / Под общ. ред. Л.Н.Лаврова. - М.: Машиностроение, 1993. - 215 с., ил., страница 165, рис.4.1] и, во многих случаях, заборник давления [там же, страница 189, рис.5.2].
Система запуска предназначена для воспламенения заряда твердого топлива по команде, подаваемой на пиропатроны, и содержит пиропатрон (один или несколько), установленный в корпус РДТТ (как правило, в переднюю крышку), форсажную трубку, воспламенитель и узел крепления воспламенителя.
Заборник давления предназначен для отбора внутрикамерного давления к датчикам системы телеметрических измерений (СТИ) и снижения, теплового воздействия на датчики до приемлемого уровня в процессе:
- огневых стендовых испытаний РДТТ (на этапе отработки РДТТ и при проведении периодических испытаний на этапе серийного производства);
- летных испытаний (на этапе отработки летательного аппарата (ЛА) с РДТТ);
- штатных пусков ЛА (в случае, если информация по внутрикамерному давлению требуется системе управления ЛА).
Заборник давления содержит находящиеся в корпусе РДТТ (крышке) гнезда СТИ с каналами, газосвязанными с внутренней полостью корпуса РДТТ, и экран, прикрывающий данные каналы от прямого воздействия продуктов сгорания. В соответствии с перечисленными задачами (с учетом необходимости периодических испытаний любого, случайно отобранного из изготовленной партии РДТТ) заборник давления целесообразно выполнять на всех изготавливаемых РДТТ (даже если информация по внутрикамерному давлению системе управления ЛА не требуется). При этом гнезда СТИ на РДТТ в штатном исполнении закрываются пробками, а в случае проведения периодических испытаний пробки заменяются датчиками СТИ.
Система запуска РДТТ и заборник давления РДТТ требуют выполнения в корпусе РДТТ (например, на передней крышке) многочисленных бобышек, увеличивающих массу конструкции и усложняющих технологию изготовления РДТТ.
Объединение системы запуска РДТТ и заборника давления РДТТ в единый узел известно в корпусе РДТТ [патент РФ 2230926]. Однако указанная схема основана на использовании в качестве экрана СТИ несгораемого корпуса воспламенителя. Несгораемый корпус воспламенителя, как правило, используется только на малогабаритных РДТТ, обладает большой массой. Рассматриваемая схема не позволяет использовать воспламенитель со сгораемым корпусом, нашедшим широкое применение в крупногабаритных РДТТ.
Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому положительному эффекту к предлагаемому изобретению является система запуска РДТТ и заборник давления, выполненные на крышке [Конструкции ракетных двигателей на твердом топливе / Под общ. ред. Л.Н.Лаврова. - М.: Машиностроение, 1993. - 215 с, ил., страница 124, рис.2.55, схема слева вверху]. Объединение в прототипе системы запуска и заборника давления в единый узел призвано снизить массу и габариты крышки. Недостатки указанных устройств связаны с наличием отдельного узла крепления воспламенителя, внутри которого расположена форсажная трубка, выполненная из теплозащитного материала. Вызванное соосным расположением узла крепления над форсажной трубкой увеличение диаметра узла крепления и конструкции в целом не позволяет полностью реализовать потенциальные преимущества объединения системы запуска и заборника давления в единый узел.
Технической задачей настоящего изобретения является уменьшение массы и габаритов конструкции системы запуска РДТТ и заборника давления РДТТ, корпуса РДТТ (крышки), упрощение технологии их изготовления, повышение надежности.
Сущность изобретения «система запуска РДТТ» заключается в том, что в системе запуска РДТТ, содержащей пиропатроны (пиропатрон), установленные в корпус РДТТ (крышку), форсажную трубку, воспламенитель и узел его крепления, форсажная трубка снабжена резьбой, формирующей узел крепления воспламенителя. Воспламенитель установлен на узел крепления посредством донышка, имеющего сопрягаемый с узлом крепления штуцер. Снаружи форсажной трубки установлена втулка, часть внутреннего канала которой выполнена с диаметром, превышающим наружный диаметр штуцера. Внутренний канал форсажной трубки может быть выполнен с переменным по длине диаметром, образуя ресивер, примыкающий к месту установки пиропатронов. Втулка может быть сопряжена с форсажной трубкой по резьбе. В донышке или штуцере могут быть выполнены отверстия, сообщающие внутренний канал форсажной трубки с внутренней полостью корпуса РДТТ.
Сущность изобретения «заборник давления РДТТ» заключается в том, что в заборнике давления РДТТ, выполненном вокруг системы запуска РДТТ и защищающей ее втулки, содержащем находящиеся в корпусе РДТТ (крышке) гнезда системы телеметрических измерений с каналами, газосвязанными с внутренней полостью корпуса РДТТ, экран, прикрывающий каналы, корпус РДТТ (крышка) и (или) торец втулки снабжен ступенькой, обеспечивающей зазор между корпусом РДТТ (крышкой) и втулкой, причем зазор совместно с экраном формирует кольцевой коллектор. Экран выполнен в виде установленного соосно втулке полого цилиндра, закрывающего зазор, а в кольцевой коллектор выходят каналы. Участок внутренней цилиндрической поверхности экрана может быть выполнен с увеличенным диаметром и формирует совместно с втулкой заборный коллектор, при этом во втулке со стороны заборного коллектора выполнены глухие радиальные отверстия, а со стороны кольцевого коллектора выполнены сопряженные с ними продольные глухие отверстия. На участке втулки между кольцевым и заборным коллекторами могут быть выполнены кольцевые канавки, пересекающие продольные отверстия, а между продольными отверстиями, сообщенными с радиальными отверстиями, выполнены дополнительные продольные отверстия. На наружной поверхности втулки может быть выполнен уступ, контактирующий с ответным уступом, выполненным на внутренней поверхности экрана. Втулка может быть снабжена перфорированной стенкой, прикрывающей заборный коллектор.
Технический результат в системе запуска РДТТ достигается выполнением узла крепления непосредственно на форсажной трубке. Форсажная трубка выполнена из металла, т.е. из материала, обладающего необходимой для узла крепления прочностью. Несмотря на повышенную теплопроводность металла, исключение (или сведение к минимуму) из конструкции форсажной трубки теплозащитных пластмассовых элементов достигается уменьшением теплового воздействия от продуктов сгорания, находящихся во внутреннем канале форсажной трубки за счет того, что при большом удлинении форсажной трубки ее внутренний канал является застойной зоной. Газ, находящийся в застойной зоне, обладает малой массой и соответственно малым количеством тепла. Часть этого тепла передается металлической стенке форсажной трубки, обеспечивая некоторое остывание застойной зоны. При этом нагрев форсажной трубки со стороны застойной зоны является минимальным вследствие того, что теплоемкость металлической форсажной трубки на несколько порядков превышает теплоемкость порции газа, находящегося во внутреннем канале. Далее, при отсутствии циркуляции продуктов сгорания, застойная зона выполняет теплоизолирующую функцию, т.к. она препятствует поступлению новых порций горячего газа во внутренний канал форсажной трубки. Т.е. существенного конвективного нагрева открытых металлических поверхностей корпуса РДТТ (крышки) в районе гнезд пиропатронов не происходит. Вместе с тем наблюдается нагрев торца форсажной трубки со стороны узла крепления и теплопередача (распространение тепла по металлу) в сторону пиропатронов. Однако длина форсажной трубки достаточна, чтобы по времени ее полный прогрев наступил бы только к концу работы РДТТ. Донышко, имеющее сопрягаемый с узлом крепления штуцер, может входить либо в состав корпуса РДТТ (крышки), либо в состав воспламенителя. Донышко обеспечивает сопряжение различных по диаметру элементов - воспламенителя и форсажной трубки. Выполнение ресивера на внутреннем канале форсажной трубки увеличивает ее свободный внутренний объем и несколько усиливает эффект застойной зоны. Увеличение свободного внутреннего объема целесообразно для уменьшения давления, развиваемого пиропатронами при их срабатывании, т.е. для уменьшения нагрузки на резьбу как самих пиропатронов, так и узла крепления воспламенителя. Сопряжение втулки с форсажной трубкой по резьбе обеспечивает простоту и надежность крепления втулки, а также возможность фиксации втулкой других элементов, например, экрана заборника давления. Выполнение в донышке или штуцере отверстий, сообщающих внутренний канал форсажной трубки с внутренней полостью корпуса РДТТ, обеспечивает:
- возможность проверки на герметичность внутренней полости корпуса РДТТ посредством наддува этой полости как через гнездо пиропатрона, так и через гнездо системы телеметрических измерений;
- возможность осушки внутренней полости корпуса РДТТ через гнездо пиропатрона;
- снижение заброса давления во внутреннем канале форсажной трубки в процессе срабатывания пиропатронов.
Предлагаемая конструкция системы запуска РДТТ обеспечивает минимизацию поперечных габаритов ее основных элементов и, как следствие, уменьшение их массы, упрощение технологии изготовления, повышение надежности конструкции. Обеспечиваются предпосылки уменьшения поперечных габаритов заборника давления.
Технический результат в заборнике давления РДТТ достигается увеличением плотности компоновки элементов заборника давления, выполненных вокруг системы запуска РДТТ, за счет того, что для кольцевого коллектора, образованного прикрытым кольцевым экраном зазора, радиус расположения кольцевого коллектора не превышает радиус втулки, (имеющей, как было показано, минимально возможный радиус). Таким образом, бобышки в корпусе РДТТ (крышке) для гнезд СТИ находятся практически на одном минимизированном радиусе с бобышками для гнезд пиропатронов. Максимальная реализация потенциальных преимуществ объединения системы запуска и заборника давления в единый узел достигается тем, что корпус РДТТ (крышка) выполнен в виде простой осесимметричной (т.е. технологичной) тонкостенной (т.е. имеющей минимальную массу) мембраны, имеющей только одну центральную бобышку с минимальным радиусом. В единой центральной бобышке выполнены все необходимые гнезда (для пиропатронов и для датчиков СТИ). Выполнение отдельного заборного коллектора, газосвязанного с кольцевым коллектором посредством выполненных во втулке со стороны заборного коллектора глухих радиальных отверстий, и сопряженных с ними продольных глухих отверстий, выполненных со стороны кольцевого коллектора, снижает тепловое воздействие на датчики СТИ, т.е. повышает надежность СТИ. Во втулке выполнены ответвления, образованные дополнительными продольными глухими отверстиями, не связанными с радиальными отверстиями. Дополнительные глухие отверстия имеют несколько меньший диаметр по сравнению с основными продольными глухими отверстиями и объединены с основными продольными глухими отверстиями посредством кольцевых каналов. Выполненные таким образом ответвления обеспечивают более равномерное распределение давления по окружности кольцевого коллектора при резких изменениях (или колебаниях) внутрикамерного давления, т.е. отсутствие циркуляции продуктов сгорания и работоспособность СТИ при зашлаковке части продольных глухих отверстий, т.е. повышают надежность СТИ. Уступ, выполненный на наружной поверхности втулки, контактирующий с ответным уступом, выполненным на внутренней поверхности экрана, обеспечивает простую и надежную механическую фиксацию экрана при установке втулки на форсажную трубку посредством резьбы. Перфорированная стенка, выполненная на втулке и прикрывающая заборный коллектор, снижает тепловое воздействие на датчики СТИ, т.е. повышает надежность СТИ.
Предлагаемая конструкция заборника давления РДТТ обеспечивает минимизацию поперечных габаритов его основных элементов, и как следствие, уменьшение их массы, упрощение технологии изготовления, повышение надежности конструкции.
Данное техническое решение не известно из патентной и технической литературы.
Изобретение поясняется следующими чертежами:
на фиг.1 показан вид снаружи корпуса РДТТ (крышки) с размещенными на нем элементами системы запуска РДТТ и заборника давления РДТТ;
на фиг.2 показан продольный разрез по А-А фиг.1;
на фиг.3 показан продольный разрез по Б-Б фиг.1;
на фиг.4 показан продольный разрез по В-В фиг.1;
на фиг.5 показана втулка в изометрии с четвертным вырезом.
Система запуска ракетного двигателя твердого топлива (РДТТ) содержит один или несколько пиропатронов 1, установленных в гнезда бобышки 2, выполненной (см. фиг.2) в корпусе 3 РДТТ (как правило, в передней крышке корпуса 3). Гнезда пиропатронов 1 выполнены со стороны наружной поверхности корпуса 3. Со стороны внутренней полости корпуса 3 РДТТ (крышки) выполнено глухое резьбовое отверстие 4, сообщенное с гнездами пиропатронов 1. В глухое резьбовое отверстие 4 установлена форсажная трубка 5. Форсажная трубка 5 имеет сквозной внутренний канал 6, выполненный с переменным по длине диаметром, образуя со стороны торца, сопряженного с корпусом 3 РДТТ (крышкой), ресивер 7. Со стороны противоположного торца форсажной трубки 5 на ее наружной поверхности выполнен в виде резьбы узел 8 крепления. Корпус воспламенителя 9 выполнен из быстро сгораемого материала (фольга или плетеная корзинка). Воспламенитель 9 установлен на узел 8 крепления посредством донышка 10, имеющего сопрягаемый с узлом 8 крепления штуцер 11. В донышке 10 или штуцере 11 выполнены отверстия 12, сообщающие внутренний канал 6 форсажной трубки 5 с внутренней полостью корпуса 1 РДТТ. Снаружи форсажной трубки 5 установлена втулка 13, часть внутреннего канала которой выполнена с диаметром, превышающим наружный диаметр штуцера 11. Втулка 13 сопряжена с форсажной трубкой 5 по резьбе 14. Резьба 14 может быть выполнена по всей длине широкой части (над ресивером 7) форсажной трубки 5, т.е. она обеспечивает фиксацию форсажной трубки 5 на корпусе 1 РДТТ (крышке) и фиксацию втулки 13 на форсажной трубке 5.
Заборник давления ракетного двигателя твердого топлива (РДТТ) выполнен вокруг системы запуска РДТТ. Он содержит находящиеся (см. фиг.3) в бобышке 2 корпуса 1 РДТТ (крышке) гнезда 15 системы телеметрических измерений (СТИ), газосвязанные с внутренней полостью корпуса 1 РДТТ посредством каналов 16. Соосно втулке 13 установлен экран 17, выполненный в виде полого цилиндра, закрывающего кольцевой коллектор 18. Кольцевой коллектор 18 образован зазором 19 между корпусом 1 РДТТ (крышкой) и втулкой 13. При этом корпус 1 РДТТ (крышка), или торец втулки 13, снабжены ступенькой 20, формирующей зазор 19. Ступенька 20 может быть выполнена на обоих указанных элементах (корпусе 1 и втулке 13). В кольцевой коллектор 18 выходят каналы 16, сообщающие его с гнездами 15 системы телеметрических измерений. В гнезда 15 установлены пробки 21 или датчики СТИ. Участок внутренней цилиндрической поверхности экрана 17 выполнен с увеличенным диаметром и формирует совместно с втулкой 13 заборный коллектор 22. Во втулке 13 со стороны заборного коллектора 22 выполнены глухие радиальные отверстия 23, а со стороны кольцевого коллектора 18 выполнены сопряженные с ними продольные глухие отверстия 26 (см. фиг.4 и фиг.5). На участке втулки 13 между кольцевым 18 и заборным 22 коллекторами выполнены кольцевые канавки 25, пересекающие продольные отверстия 26. Между продольными отверстиями 26, сообщенными с радиальными отверстиями 23, выполнены дополнительные продольные отверстия 24, имеющие несколько меньший диаметр по сравнению с основными продольными отверстиями 26 (см. фиг.2 и фиг.5). На наружной поверхности втулки 13 выполнен уступ 27, контактирующий с ответным уступом 28, выполненным на внутренней поверхности экрана 17. Втулка 13 снабжена перфорированной стенкой 29, прикрывающей заборный коллектор 22.
Устройство работает следующим образом. При изготовлении (сборке) и наземной эксплуатации РДТТ проверяется на герметичность посредством наддува внутренней полости корпуса 3 РДТТ испытательным давлением по одному из двух вариантов. По первому варианту подача испытательного давления производится через гнездо от пиропатрона 1, внутренний канал 6 форсажной трубки 5, отверстия 12. Далее давление через заборный коллектор 22, радиальные 23 и продольные 26 отверстия попадает к гнездам 15. Остальные гнезда (гнездо для второго пиропатрона и гнезда 15) при этом закрыты. Гнезда 15 закрыты либо пробками 21, либо датчиками СТИ.
По второму варианту подача испытательного давления производится через одно из гнезд 15 через продольные 26 и радиальные 23 отверстия во внутреннюю полость корпуса 3. Далее давление через отверстия 12, внутренний канал 6 форсажной трубки 5 попадает к пиропатронам 1. При этом остальные гнезда (второе гнездо 15 и гнезда для пиропатронов) закрыты.
Таким образом, при подаче испытательного давления как через гнездо от пиропатрона 1, так и через гнездо 15 обеспечивается надежная проверка герметичности всех стыков РДТТ благодаря доступу испытательного давления и к пиропатронам 1, и к гнездам 15 СТИ.
При необходимости при изготовлении (сборке) и наземной эксплуатации РДТТ производится осушка внутренней полости корпуса 3 РДТТ посредством неоднократного заполнения этой полости сухим газом. Заполнение производится по одному из двух ранее описанных вариантов (т.е. как через гнездо от пиропатрона 1, так и через гнездо 15).
При проведении периодических испытаний любого случайно отобранного из изготовленной партии РДТТ пробки 21 (в случае, если информация по внутрикамерному давлению не требуется системе управления ЛА, на штатном РДТТ стоят именно пробки 21) заменяются датчиками СТИ. Двигатель, укомплектованный либо пробками 21, либо датчиками СТИ, готов к работе.
При эксплуатации РДТТ (т.е. до момента его запуска), нагрузки, приложенные к воспламенителю 9, воспринимаются донышком 10, узлом 8 крепления, металлической форсажной трубкой 5, прочно закрепленной на корпусе 3 РДТТ (крышке). При этом обеспечивается целостность конструкции.
При команде на запуск двигателя подается импульс тока одновременно на оба пиропатрона 1, установленных на РДТТ. Инициирование воспламенителя 9 может происходить при срабатывании или одного из двух пиропатронов 1, или сразу двух. Форс пламени от пиропатронов 1 через форсажную трубку 5 и донышко 10 воспламеняет пиротехнический состав воспламенителя 9. При том заброс давления в сквозном внутреннем канале 6 форсажной трубки 5 является умеренным, т.к. наличие ресивера 7, увеличивающего внутренний объем, и отверстий 12, обеспечивающих дополнительный расход продуктов сгорания от пиропатронов 1, снижает максимальный пик давления в указанной полости. Это обеспечивает снижение нагрузки на резьбовые соединения на пиропатронах и узле 8 крепления воспламенителя 9. В процессе срабатывания воспламенителя 9 происходит запуск РДТТ.
При дальнейшей работе РДТТ корпус воспламенителя 9 практически мгновенно сгорает, оголяя донышко 10 и расположенную за ним форсажную трубку 5. При большом удлинении форсажной трубки 5 ее внутренний канал 6 и ресивер 7 формирует застойную зону. Газ, находящийся в застойной зоне, обладает малой массой и, соответственно, малым количеством тепла. Часть этого тепла передается металлической стенке форсажной трубки 5, обеспечивая некоторое остывание застойной зоны. При этом нагрев форсажной трубки 5 со стороны застойной зоны является минимальным вследствие того, что теплоемкость металлической форсажной трубки 5 на несколько порядков превышает теплоемкость порции газа, находящегося во внутреннем канале 6 и ресивере 7. Далее, при отсутствии циркуляции продуктов сгорания, застойная зона выполняет теплоизолирующую функцию, т.к. она препятствует поступлению новых порций горячего газа во внутренний канал 6 форсажной трубки 5. Т.е. существенного конвективного нагрева открытых металлических поверхностей корпуса 3 РДТТ (крышки) в районе гнезд пиропатронов 1 не происходит. Вместе с тем наблюдается нагрев торца форсажной трубки 5 со стороны узла 8 крепления и теплопередача (распространение тепла по металлу) в сторону пиропатронов 1. Однако длина форсажной трубки 5 достаточна, чтобы по времени ее полный прогрев наступил бы только к концу работы РДТТ.
Измерение параметров работы РДТТ (давления, пульсации давления), обеспечивается беспрепятственным доступом измеряемого давления к находящимся в гнездах 15 датчикам СТИ. При этом система, состоящая из перфорированной стенки 29, заборного коллектора 22, глухих радиальных отверстий 23, сопряженных с ними продольных глухих отверстий 26, кольцевого коллектора 18, каналов 16, обеспечивает существенное снижение теплового воздействия на датчики СТИ. Дополнительные глухие продольные отверстия 24, объединенные с основными продольными глухими отверстиями 26 посредством кольцевых каналов 25, образуют ответвления, которые обеспечивают более равномерное распределение давления по окружности кольцевого коллектора 18 при резких изменениях (или колебаниях) внутрикамерного давления. Таким образом, обеспечивается отсутствие циркуляции продуктов сгорания и работоспособность СТИ при зашлаковке части продольных глухих отверстий 26.
Технико-экономическая эффективность предлагаемого изобретения, по сравнению с прототипом, в качестве которого выбраны система запуска РДТТ и заборник давления, выполненные на крышке [Конструкции ракетных двигателей на твердом топливе / Под общ. ред. Л.Н.Лаврова. - М.: Машиностроение, 1993. - 215 с., ил., страница 124, рис.2.55, схема слева вверху], заключается в уменьшении массы и габаритов конструкции системы запуска РДТТ и заборника давления РДТТ, корпуса РДТТ (крышки), упрощении технологии их изготовления, повышении надежности.