ОСЕСИММЕТРИЧНОЕ СОПЛО РАКЕТНОГО ДВИГАТЕЛЯ
AXISYMMETRIC NOZZLE OF ROCKET ENGINE

Изобретение относится к области ракетной техники, в частности к ракетным двигателям, и может быть использовано при разработке и создании осесимметричного сопла с внутренней вставкой, имеющего улучшенные массово-энергетические характеристики, а именно увеличенную тягу при заданных габаритах.
Развитие ракетной техники требует разработки оптимальных сопл двигательных установок, обеспечивающих максимальную тягу. В соплах осуществляется разгон газового потока и создается значительная часть тягового усилия двигателя. Как газодинамическое устройство, сопло работает с максимальной эффективностью в ограниченном диапазоне изменения определяющих параметров. Максимально возможная тяга двигателя с соплом Лаваля реализуется на расчетном режиме, при условии равенства статического давления на срезе сопла давлению в окружающей среде. В выходном сечении создается параллельный поток с одним и тем же значением скорости в любой точке. На нерасчетном режиме течение в сопле характеризуется образованием интенсивной волновой структуры, что приводит к потере тяги.
Основные недостатки сопл Лаваля связаны с их большими габаритами. Для аэродинамических труб требование к однородности потока в рабочей части является важнейшим. Поэтому используются сопла с плавным расширением, которые имеют большую длину. Напротив, для ракет предпочтительно уменьшение длины и веса сопла. Предложения по сокращению габаритов особенно актуальны при полетах на больших высотах. На малых высотах двигатель работает с перерасширением и высокое давление в окружающей среде приводит к образованию скачков уплотнения в сверхзвуковой части сопла. В результате часть сопла не участвует в создании тяги и оказывается бесполезной. На больших высотах с низким атмосферным давлением реализуется недорасширение струи. Длина сопла оказывается недостаточной для обеспечения расчетного режима истечения струи. Выбор степени расширения в сопле делается на основе компромисса между увеличением габаритов и веса сопла, с одной стороны, и увеличением тяги - с другой.
Известны сопловые насадки, в которых для снижения веса двигателя могут использоваться композиционные материалы (см. патент РФ №2266424, МПК F02K 9/97, F02K 1/80, дата публикации 20.01.2005 г.). По сравнению с металлическими сплавами плотность композиционного материала значительно меньше, что позволяет изготовить сопловой насадок, имеющий или большую длину для увеличения тяги, или меньшую массу. Применение композиционного материала типа "углерод-углерод", "углерод-керамика" исключает необходимость дополнительного охлаждения насадка. К недостаткам таких сопл можно отнести их большие габариты.
Для повышения эффективности работы двигателя предложены различные способы регулирования высотности сопла. Например, сопло с удаляемой вставкой, щелевое сопло, сопло с выдвижным насадком и т.д.
Известны сопла с внутренними удаляемыми одной или несколькими вставками (см. Г.Б. Синярев, М.В. Добровольский. Жидкостные ракетные двигатели. Теория и проектирование. М.: Государственное издательство оборонной промышленности, 1957 г.; патент США №3237402, МПК, дата публикации 01.03.1966 г.). Использование внутреннего сопла-вставки уменьшает геометрическую степень расширения сопла и не допускает отрыва потока от его стенки при работе двигателя при высоком атмосферном давлении. При достижении заданной высоты вставка удаляется, и сопло начинает работать при большей степени расширения. Недостатком является необходимость обеспечения безопасного отделения вставки.
Известно сопло с внешним насадком (см. патент РФ №2353791, МПК F02K 9/97, F02K 1/09, дата приоритета 29.10.2007 г.). Сопловой насадок содержит секции, выдвигаемые на режиме полета при низком атмосферном давлении. Таким образом достигается увеличение степени расширения струи и увеличение тяги. К недостаткам таких сопл относятся их большие габариты.
Известны сопла ракетного двигателя (см. патент США №3469787, МПК, дата публикации и патент РФ №2322607, МПК F02K 9/97, дата публикации 10.12.2005 г.), в которых выполнены кольцевые щели. По мере увеличения высоты полета щели поочередно закрываются заслонками, что повышает эффективность работы сопла на различных высотах. Недостатки таких сопл связаны с нарушением гладкости поверхности стенки сопла.
Наиболее близким из известных технических решений, принятым за прототип, является жидкостный ракетный двигатель (см. патент РФ на изобретение №2391549, МПК F02K 9/97, дата публикации 10.06.2010 г.), содержащий осесимметричное сопло с сопловой вставкой. Стенка сверхзвуковой части сопла ограничена плоскостями, одна из которых проходит через критическое сечение круглой формы, а другая - через кромку выходного сечения сопла. Вставка представляет собой профилированную оболочку, длина, выходной диаметр и степень расширения которой меньше, чем соответствующие геометрические параметры стенки сверхзвуковой части основного сопла. В этом случае обеспечиваются два режима работы сопла. На начальном этапе полета ускорение потока происходит во вставке, что обеспечивает более низкую степень расширения с давлением на срезе вставки, близким к давлению окружающей среды. Вставка изготавливается из композиционного материала и не требует дополнительного охлаждения. На заключительном этапе полета, при достижении определенной высоты вставка удаляется и поток расширяется по всему соплу, обеспечивая уменьшение давления в выходном сечении. Таким образом, достигается высокая эффективность работы сопла в широком диапазоне изменения высоты полета.
К недостаткам таких сопл можно отнести то, что при полете на больших высотах реализуется режим с недорасширением струи. Габаритные ограничения не позволяют создать максимально возможную тягу сопла. В выходном сечении сопла газодинамические параметры течения изменяются по радиальной координате, в направлении от оси симметрии к кромке.
Отмеченная особенность, неучтенная при разработке прототипа, свидетельствует о возможности дополнительного увеличения тяги.
Задачей и техническим результатом предлагаемого изобретения является разработка сопла ракетного двигателя, имеющего увеличенную тягу при заданных габаритах.
Решение поставленной задачи и технический результат достигаются тем, что используется сопло с внутренней сопловой вставкой, которая выполнена неудаляемой. Сопловая вставка выполнена в виде осесимметричной профилированной оболочки, длина, выходной диаметр и степень расширения которой меньше, чем соответствующие геометрические параметры стенки сверхзвуковой части сопла, ограниченной плоскостями, одна из которых проходит через критическое сечение круглой формы, а другая - через кромку выходного сечения сопла. Сопловая вставка выполнена с возможностью ее перестановки вдоль оси сопла. На режиме полета в плотных слоях атмосферы передняя кромка вставки примыкает к стенке сверхзвуковой части сопла вблизи критического сечения. При полете в разреженной атмосфере вставка размещается вне области аэродинамической интерференции с кромкой выходного сечения сопла. В этом случае передняя кромка вставки примыкает к поверхности, которая ограничивает возмущения, достигающие стенки сопла. Угол между касательными к образующим данной поверхности и стенки сопла, проходящим через кромку стенки в выходном сечении, равен , где М - местное число Маха около стенки в выходном сечении сопла. Таким образом, на режиме полета в плотных слоях атмосферы вставка устанавливается вблизи критического сечения и обеспечивает расширение струи, а при полете в разреженной атмосфере размещается около выходного сечения и создает дополнительную тягу в результате отклонения струи.
Изобретение поясняется чертежами.
На фиг.1 и 2 показана сверхзвуковая часть сопла со вставкой. Распределение числа Маха в продольном сечении сопла показано на фиг.3. На фиг.4 представлено сопоставление тяговых характеристик для различных вариантов геометрии сопла.
Основными конструктивными элементами осесимметричного сопла являются стенка 5 сверхзвуковой части 1 сопла, которая ограничена критическим сечением 2 и выходным сечением 3, имеющими круглую форму и перпендикулярными к оси симметрии 4, и сопловая вставка 7, длина, выходной диаметр и степень расширения которой меньше, чем соответствующие геометрические параметры стенки 5 сверхзвуковой части 1 (фиг.1 и 2). Стенка 5 имеет кромку 6, расположенную в выходном сечении 3 сопла. Сопловая вставка 7 имеет два установочных положения. В первом положении вставка 7 примыкает передней кромкой 8 к стенке 5 вблизи критического сечения 2 (фиг.1). Второе положение вставки 7 соответствует условию исчезновения ее влияния на течение около стенки 5 сопла (фиг.2). В этом случае вставка 7 находится за поверхностью 9, ограничивающей возмущения к кромке 6 стенки 5.
На фиг.1 показано продольное сечение сверхзвуковой части 1 сопла со вставкой 7, установленной в первое положение, соответствующее условиям полета в плотных слоях атмосферы. При полете в разреженной атмосфере вставка 7 переставляется во второе положение, которое отвечает условию отсутствия аэродинамической интерференции с кромкой 6 и, следовательно, устраняет влияние вставки 7 на течение около стенки 5 (фиг.2). Поверхность 9, ограничивающая область аэродинамической интерференции кромки 6 имеет осесимметричную форму с вершиной, лежащей на оси 4. Касательная 10 к образующей поверхности 9, проходящая через кромку 6 выходного
сечения 3, направлена под углом  касательной 11 к образующей стенки 5 в выходном сечении 3. Здесь М - местное число Маха вблизи стенки 5 в выходном сечении 3 сопла. Для получения наибольшего прироста тяги передняя кромка 8 вставки 7 примыкает к поверхности 9.
Работа сопла происходит следующим образом. При полете в плотных слоях атмосферы расширение струи, вытекающей через критическое сечение 2, происходит по вставке 7, занимающей первое положение. Вставка 7 имеет длину, диаметр выходного сечения и степень расширения, меньшие по сравнению с соответствующими геометрическими параметрами стенки 5, и обеспечивает благоприятные условия работы сопла при высоких значениях давления в окружающей среде. На расчетной высоте полета вставка 7 переставляется во второе положение. Расширение вытекающей через критическое сечение 2 струи происходит по стенке 5, на которой реализуется направленная по оси симметрии 4 реактивная тяга. Увеличение степени расширения создает благоприятные условия работы сопла при низких значениях давления в окружающей среде. Вставка 7 находится вне области аэродинамической интерференции с кромкой 6 стенки 5 и, в свою очередь, дает увеличение тяги на режиме недорасширения в результате отклонения струи в области выходного сечения.
2
1
2
1
Работоспособность такого сопла подтверждается расчетными исследованиями. Течение в сверхзвуковой части 1 сопла исследовано в рамках системы уравнений Эйлера. Выполнено интегрирование сил давления по поверхности стенки 5 и вставки 7. Рассмотрен случай, когда вставка 7 имеет срединную поверхность, совпадающую с поверхностью усеченного конуса, и параболический профиль с относительной толщиной 0.5%. Получены оценки прироста тяги для степени расширения стенки 5 составляющей d/d=4.3 и 7.0 (здесь степень расширения определяется как отношение диаметра d в выходном сечении 3 сопла к диаметру d в критическом сечении 2 сопла). Исследованы сопла, имеющие стенку 5 сверхзвуковой части с конической образующей и с оптимизированной образующей, спрофилированной на получение максимальной тяги (см. Таковицкий С.А. Оптимальные сверхзвуковые сопла, имеющие степенную образующую // Известия РАН. МЖГ. №1. 2009).
На фиг.3 для сопла со вставкой 7, установленной во второе положение, представлено продольное сечение поля течения в сопле в виде линий равных значений числа Маха. Изомахи даны с шагом 0.5, ближайшая к критическому сечению линия соответствует числу Маха М=1.5. Течение в сопле имеет сложную структуру. В центральной части потока располагается протяженная область пониженного давления, ограниченная фронтом висячего скачка уплотнения. Область влияния вставки 7 ограничена поверхностями скачков уплотнения 12 (с внутренней стороны вставки 7) и волн разрежения 13 (с внешней стороны вставки 7). Волны разрежения 13, образующиеся при обтекании вставки 7, не попадают на стенку 5, что свидетельствует об отсутствии аэродинамической интерференции. В результате увеличения давления на внутренней поверхности и уменьшения давления на внешней поверхности вставки 7 создается дополнительная тяга.
1
1
2
1
Реактивная тяга сопла включает две составляющие. Постоянная составляющая I реактивной тяги связана с импульсом потока в критическом сечении 2. Вторая составляющая реактивной тяги - аэродинамическая сила F, действующая на поверхность стенки 5 расширяющейся части сопла и на вставку 7. Для оценки эффективности сопла по тяговым характеристикам принят безразмерный параметр F=F/I, определяемый как отношение двух составляющих реактивной тяги. На фиг.4 дано сопоставление тяговых характеристик идеальных сопл, сопл без вставок и сопл со вставками. По оси абсцисс отложена величина d/d, обратная степени расширения сопла (см. выше). Сопла с конической образующей уступают соплам с криволинейной образующей по реактивной тяге. В свою очередь, оптимизированные сопла не обеспечивают получение максимально возможной идеальной тяги вследствие ограничений на внешние габариты. Для достижения идеальной тяги сопла требуется примерно двукратное увеличение длины. Применение вставки 7 позволяет увеличить тягу. Наибольший относительный прирост по параметру F достигается у сопл с конической стенкой 5 - около 3%.
Таким образом, технический результат увеличения тяги достигается благодаря наличию отличительных признаков предлагаемого технического решения, заключающихся в использовании сопловой вставки, которая выполнена неудаляемой и имеющей два установочных положения. В первом положении, на режиме полета в плотных слоях атмосферы, вставка обеспечивает расширение струи. При полете в разреженной атмосфере вставка занимает положение, при котором отсутствует ее влияние на обтекание стенки сопла и создается дополнительная тяга за счет отклонения струи.
Предложенное техническое решение может найти применение при создании двухрежимного сопла ракетного двигателя с улучшенными тяговыми характеристиками.