РАКЕТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ
ROCKET ENGINE

Изобретение относится к ракетным двигателям (РД), а именно к ракетным двигателям с комбинированными зарядами.
Из уровня техники известен РД (пат. США №3105350), включающий корпус, заряд, состоящий из твердого и пастообразного топлива, и заглушки, удерживающие пастообразное топливо, принятый за прототип.
Недостатком прототипа является слабая устойчивость конструкции из-за нарушения формы заряда под действием эксплуатационных и полетных перегрузок. Нарушение формы происходит вследствие того, что основным, скрепленным с корпусом является пастообразный заряд, обладающий недостаточным модулем упругости для сохранения целостности формы.
Задачей настоящего изобретения является разработка конструкции РД с зарядом пастообразного и твердого топлива, обладающего повышенным коэффициентом заполнения корпуса топливом и сохраняющим свою форму под действием эксплуатационных и полетных нагрузок.
Для решения этой задачи предлагается конструкция РД, включающая корпус, заряд, состоящий из твердого и пастообразного топлива, заглушек, удерживающих пастообразное топливо от вытекания, при этом в заряде твердого топлива выполнены продольные и поперечные глухие каналы, частично покрытые клеящим составом и выходящие на поверхность твердотопливного заряда, заполненные пастообразным топливом и заглушенные со стороны твердотопливного заряда заглушками из быстро сгораемого материала.
В частности, поверхность каналов частично покрыта герметизирующим составом.
В частности, продольный канал, расположенный по оси твердотопливного заряда, заполнен пастообразным топливом со значительно большей, чем у твердого топлива скоростью горения, а продольные каналы - со скоростью горения, близкой к скорости горения твердого топлива.
В частности, поперечные каналы, расположенные в районе заднего днища, заполнены пастообразным топливом с температурой горения, значительно меньшей, чем у твердого топлива.
В частности, поверхность каналов частично покрыта антиадгезионным составом.
В частности, в центральном канале с пастообразным топливом размещены вкладыши, выполненные из быстро сгораемого материала.
В частности, вкладыши выполнены пустотелыми и заполнены материалом со скоростью горения, значительно большей, чем у твердого или пастообразного топлива и заглушены по крайней мере с одного из торцов быстро сгораемыми заглушками.
Предлагаемая конструкция РД отличается от прототипа тем, что в заряде твердого топлива выполнены продольные и поперечные глухие каналы, частично покрытые клеящим составом и выходящие на поверхность твердотопливного заряда, заполненные пастообразным топливом и заглушенные со стороны твердотопливного заряда заглушками из быстро сгораемого материала.
В предлагаемой конструкции РД каркасом для мягкого, податливого пастообразного топлива является жесткий твердотопливный заряд, обеспечивающий сохранение формы под действием эксплуатационных и полетных нагрузок.
Наличие герметично вклеенных в каналы с пастообразным топливом быстро сгораемых заглушек предохраняет последнее от вытекания в процессе эксплуатации и обеспечивает энергичное подключение пастообразного топлива к процессу горения.
Наличие клеящего состава на поверхности каналов обеспечивает одновременное горение твердого и пастообразного топлива без проскока пламени.
Покрытие поверхности каналов герметизирующим слоем предотвращает взаимную миграцию компонентов твердого и пастообразного топлива.
Быстрое выгорание пастообразного топлива по центральному каналу твердотопливного заряда обеспечивает подключение к процессу горения большой поверхности твердого топлива в начале работы двигателя.
Использование конфигурации твердотопливного заряда под заполнение пастообразным топливом повышает коэффициент заполнения топливом без ухудшения его прочностных характеристик. Замена твердого топлива пастообразным, особенно на двигателях третьей ступени ракеты, обеспечивает увеличение баллистической эффективности двигателя.
Заполнение поперечных каналов в районе заднего днища пастообразным топливом с температурой горения, значительно меньшей основного заряда, позволяет защитить сопло от действия высокотемпературных агрессивных газов в процессе работы двигателя.
Покрытие поверхности канала антиадгезионным составом обеспечивает контролируемый проскок пламени и запрограммированное увеличение поверхности горения.
Размещение в продольном канале, расположенном по оси твердотопливного заряда с пастообразным топливом вкладышей из быстро или легко сгораемого материала, например из твердого топлива со значительно большей, чем у основного заряда скоростью горения или пенопласта, обеспечивает запрограммированное и быстрое подключение поверхности горения.
Выполнение вкладышей пустотелыми или с быстро сгораемым наполнителем обеспечивает быстрое подключение поверхности горения без уменьшения коэффициента заполнения топливом канала.
Предложенное техническое решение значительно расширяет возможности регулирования поверхности горения и, конечном счете, позволяет увеличить коэффициент заполнения корпуса топливом.
Работает предлагаемый ракетный двигатель следующим образом.
В процессе предстартовой эксплуатации легко сгораемые (например, пенопластовые) или твердотопливные заглушки удерживают пастообразное топливо в каналах и предохраняют его от вытекания при всех видах нагрузок. При срабатывании воспламенителя твердотопливные заглушки мгновенно воспламеняются, а легкосгораемые - выгорают, обеспечивая подключение к процессу горения пастообразного топлива. Таким образом, наличие заглушек практически не влияет на характер выхода ракетного двигателя на рабочий режим. Это проверено экспериментально на модельных двигателях.
Сущность предлагаемого технического решения поясняется чертежами (Фиг.1, 2).
Фиг.1 - общий вид РД с продольными каналами, заполненными пастообразным топливом с высокой скоростью горения и поперечными каналами в районе сопла - с низкой температурой горения. Фиг.2 - общий вид РД с несколькими продольными каналами, заполненными пастообразным топливом. На фиг.1, 2, цифрами обозначены:
1 - корпус РД;
2 - твердотопливный заряд;
3 - пастообразное топливо;
4 - заглушки;
5 - каналы в твердотопливном заряде, заполненные пастообразным топливом с низкой температурой горения;
6 - твердотопливные или пенопластовые вкладыши.
7 - участок канала, покрытый клеевым составом;
8 - участок канала с антиадгезионным покрытием;
9 - высокоскоростной наполнитель, выходящий на канал заряда вкладышей.
Примеры конкретного исполнения
Пример 1.
Крупногабаритный твердотопливный заряд, фиг.1. Твердое топливо на основе нитроэфиров имеет следующие характеристики (Энергетические конденсированные системы. Краткий энциклопедический словарь. Под ред. Б.П.Жукова. - Янус-К, 2000):
3
- плотность- 1,86 г/см;
- скорость горения - 9 мм/с;
- удельный импульс - 260 с.
Канал заряда имеет размеры: диаметр 400 мм, длина 3000 мм. Канал заполнен высокоскоростным пастообразным топливом с характеристиками (Энергетические конденсированные системы. Краткий энциклопедический словарь. Под ред. Б.П.Жукова. - Янус-К, 2000):
3;
- плотность - 1.66 г/ см
- скорость горения - 100 мм/с;
- удельный импульс - 280 с.
В районе заднего днища расположены 6 поперечных каналов с размерами: диаметр 100 мм, длина 280 мм. Каналы заполнены топливом с температурой горения 2000К. Поверхность в процессе горения заряда постепенно уменьшается, а поверхность горения цилиндрического канала за счет выгорания пастообразного топлива и разгара самого канала увеличивается. Такой характер изменения поверхностей горения обеспечивает почти прямоугольную диаграмму изменения давления в процессе работы двигателя.
Низкотемпературное топливо обеспечивает надежную защиту сопла в процессе работы двигателя.
Твердое и пастообразное топливо имеют одинаковый полимер и пластификатор, поэтому нет необходимости наносить на поверхность канала твердотопливного заряда герметизирующее или клеящее покрытие.
Заполнение канала твердотопливного заряда пастообразным топливом позволило увеличить коэффициент заполнения корпуса в пересчете на твердое топливо на 2%.
Заглушки выполнены из твердого пенопласта. Подключение пастообразного топлива при воспламенении заряда происходит практически мгновенно и наличие заглушек на характер выхода двигателя на режим не влияет.
Пример 2.
Крупногабаритный заряд второй ступени ракеты, изготовленный из такого же, как в первом примере твердого топлива, фиг.2. При этом центральный по оси заряда канал заполнен топливом с высокой скоростью горения: порядка 100 мм/с, а остальные каналы пастообразным топливом - со скоростью горения твердого топлива: 9-11 мм/с. Такая конструкция позволяет обеспечить прямоугольную диаграмму давление-время и повысить коэффициент заполнения корпуса на 2%. Кроме того, замена твердого топлива на пастообразное, более легкое, чем твердое, но обладающее более высоким единичным импульсом на двигателе третьей ступени, повышает эффективность ракеты в целом.
Изготовление зарядов предлагаемой конструкции производят в два этапа: сначала изготавливают твердотопливный заряд. Извлекают формообразующую оснастку. Полученные каналы при необходимости покрывают клеящим или антиадгезивным составом, или вклеивают вкладыши из пенопласта или быстрогорящего топлива для обеспечения проскока пламени. Затем в подготовленные таким образом каналы в вертикальном положении заливают пастообразное топливо. Заполненные каналы заклеивают заглушками. Поперечные каналы на фиг.1 в районе сопла заливают в горизонтальном положении заряда, поворачивают последний под каждый канал, чтобы он располагался вертикально вниз. После заливки очередного канала его герметизируют заглушкой, а потом поворачивают заряд под очередной канал. При существующем уровне развития технологии изготовление заряда предлагаемой конструкции вполне реально и в настоящее время предлагаемая конструкция отрабатывается на модельных двигателях.