КАРДАННАЯ ПОДВЕСКА
JIMBAL MOUNT

Предлагаемое изобретение относится к области конструирования и эксплуатации жидкостных ракетных двигателей (ЖРД). Карданная подвеска является составной частью двигателя и обеспечивает управление вектором тяги двигателя в двух взаимно-перпендикулярных плоскостях.
Известные карданные подвески по конструкции подразделяются на:
- шаровые, у которых карданный элемент выполнен в виде шара;
- рамочные, у которых карданный элемент выполнен в виде рамки с подшипниковыми опорами.
Шаровая карданная подвеска имеет небольшую массу и габариты, равномерно передает усилие тяги двигателя от камеры на корпус ракеты-носителя (РН), что определяет ее применение на двигателях больших тяг.
Однако она увеличивает осевые габариты двигателя за счет:
- размещения ее на головке камеры;
- увеличения длины силового элемента (рамы), вызванного необходимостью равномерной передачи усилия тяги, сведенного в подвеске в точку, на корпус РН. Кроме того, использование подвески в двигателе значительно увеличивает расстояние между центром подвески и срезом сопла, которое при повороте двигателя приводит к увеличению его поперечных зон размещения.
Рамочные карданные подвески (карданные подвески) устанавливаются на двигателе эквидистантно камере и, как правило, в зоне ее минимального сечения. Это значительно сокращает осевые размеры двигателя и поперечные размеры зон размещения, что имеет существенное значение для многодвигательных ступеней РН больших тяг с резервированием тяги и угла управления вектором тяги.
Разработка рамочной большегрузной подвески, с целью использования ее преимуществ в двигателе является сложной конструктивной проблемой, вызванной большими нагрузками в ее силовых элементах, усугубляемой ее недостатками.
По сведениям, опубликованным в открытой печати, выявлены следующие подвески.
ЖРД (страна)
РН(ступень)
Тяга <u>зем</u>пуст, тс
Вариант конструкции подвески, ее установка (источник информации)
LE-7 (Япония)
Н2
<img file="00000001.tif" he="10" wi="7" img-content="undefined" img-format="tif" />
Шаровая подвеска, на головке камеры. (Ракеты-носители. Космодромы, изд. "Старт+", Москва, 2007 г.)
F-1 (США)
Сатурн 5
<img file="00000002.tif" he="10" wi="8" img-content="undefined" img-format="tif" />
Шаровая подвеска, на головке камеры. (Справочник "Иностранные ракетные двигатели", ЦИАМ, 1967 г.)
Н-1 (США)
Сатурн 1
<img file="00000003.tif" he="10" wi="5" img-content="undefined" img-format="tif" />
Шаровая подвеска, на головке камеры. (Обзор №195 "ЖРД на кислороде и керосине", ГОНТИ 3,1964 г.)
LR91-AJ-5 (США)
Титан II
<img file="00000004.tif" he="11" wi="9" img-content="undefined" img-format="tif" />
Шаровая подвеска, на головке камеры. (Алемасов В.Е. "Теория ракетных двигателей, машиностроение", Москва, 1969 г.)
RS-68 (США)
Дельта-4
<img file="00000005.tif" he="10" wi="8" img-content="undefined" img-format="tif" />
Шаровая подвеска, на головке камеры. (Зарубежное военное обозрение №5-6, 2001 г.)
РД180 Россия
Атлас 5
<img file="00000006.tif" he="10" wi="8" img-content="undefined" img-format="tif" />
Рамочная подвеска, на головке камеры. (Труды НПО "Энергомаш", т XXI, Москва 2003 г.)
При патентном исследовании обнаружен патент ФРГ на карданную подвеску №1.153.657, кл. 72d 19/01 - прототип.
Рамочная карданная подвеска содержит:
- прямоугольную силовую рамку, в середине каждой стороны которой расположены подшипниковые опоры. Рамка с помощью двух подшипниковых опор устанавливается на консольные цапфы камеры двигателя и с помощью крепежа одной из опор фиксируется относительно камеры. Подшипник второй опоры на цапфе расположен свободно - является плавающим. Такая конструкция исключает температурные напряжения в конструкции;
- две траверсы, в которых установлены цапфы, подшипники и элементы их крепления. Подшипник одной из опор траверсы закреплен и определяет положение установки кардана. Второй является плавающим. Фиксированные опоры воспринимают радиальные и осевые нагрузки, возникающие при управлении вектором тяги. Плавающие - только радиальные нагрузки. Траверсы имеют привалочную плоскость, через которую крепятся к раме двигателя или РН.
В известной рамочной подвеске тяга двигателя передается только на две ее подшипниковые опоры через цапфы камеры, что определяет неравномерность усилий в силовых элементах конструкций камеры, подвески, рамки двигателя. Этот недостаток и большие нагрузки в конструкции сдерживают разработку рамочной подвески и применение ее в двигателях с тягой более 300 тс.
Целью предлагаемого изобретения является разработка рамочной карданной подвески, обеспечивающей снижение осевых размеров двигателя, при ее установке в минимальном сечении камеры, снижение уровня нагрузок в силовых ее элементах и более равномерной передачи усилия тяги на раму двигателя и корпус РН.
Указанная цель достигается тем, что в известном техническом решении карданная подвеска, содержащая подшипниковые опоры с цапфами камеры и траверс, соединенные между собой рамкой, согласно предлагаемому решению выполнена с четырьмя дополнительными подшипниковыми опорами, соединенными рамкой и установленными попарно на цапфах камеры и траверс, оси которых перпендикулярны осям двух других опор, а цапфы камеры подкреплены дополнительно кронштейнами.
Предлагаемый кардан имеет две фиксированные опоры, и расположены они под углом 90° на цапфах камеры, а остальные опоры (6 шт.) цапф камеры и траверс выполнены плавающими. Это вызвано тем, что подшипники цапф камеры имеют большую кривизну контактирующих поверхностей, а следовательно, воспринимают большую осевую нагрузку, чем подшипники траверс. Осевая нагрузка, передаваемая фиксированными опорами цапф камеры, воспринимается подшипниковыми опорами траверс как радиальная.
Одна из рамок для размещения и прокачки второй имеет в наименее нагруженном сечении вырез.
Указанная сущность изобретения иллюстрируется кинематической схемой (рис.1) и общим видом (рис.2), где:
1 - камера с цапфами и кронштейном подкрепления цапф;
2 - цапфы камеры;
3 - кронштейн силового подкрепления цапф камеры;
4 - опора цапфы камеры с фиксированным подшипником;
5 - опора цапфы камеры с "плавающим" подшипником;
6 - рамка кардана;
7 - рамка кардана с вырезом;
8 - опора цапфы траверсы с "плавающим" подшипником;
9 - траверса;
10 - цапфа траверсы;
11 - сферический поворотный подшипник;
12 - рама двигателя или РН;
I-I, II-II - оси поворота (плоскость качания).
Камера 1 через две пары цапф 2, консольные концы которых подкреплены кронштейнами 3 через подшипниковые опоры 4 и 5, передает усилие тяги двигателя на рамки 6 и 7. Рамки 6 и 7 через подшипниковые опоры 8 передают усилие на четыре траверсы 9. Траверсы 9, цапфы 10 и подшипники 11 - на раму 12 двигателя и корпус РН. Рамка 7 кардана и кронштейн 3 имеют вырез под размещение и прокачку рамки 6. Следует отметить, что предлагаемая подвеска, благодаря четырем подшипниковым опорам 4 и 5 (вместо двух в прототипе), обеспечивает передачу усилия тяги более равномерно, чем в прототипе. Это исключает конструктивно сложный дополнительный силовой бандаж камеры, разгружает подшипники опор в два раза.
Указанное обстоятельство сохраняется при качании камеры 1 в двух взаимно-перпендикулярных плоскостях I-I и II-II, благодаря свободному вращению камеры 1 относительно рамок кардана 6 и 7 и их с камерой 1 относительно траверс 9. Кроме того, в конструкции заложены гарантированные зазоры между подвижными и относительно неподвижными элементами конструкции. Качание камеры в двух плоскостях обеспечивается двумя рулевыми машинками, закрепленными штоками за камеру 1, а корпусом - за раму 12 двигателя.
Кинематическая схема поворота камеры в двух плоскостях следующая. Поворот камеры 1 в плоскости I-I через подшипниковые опоры 4 и 5 вызывает одновременное вращение рамки 6 в опорах 8 траверс 9. Для поворота камеры 1 в плоскости II-II достаточен поворот рамки 7 с камерой. Необходимым и достаточным условием поворота камеры в двух взаимно перпендикулярных плоскостях является сохранение постоянства положения геометрического центра вращения карданной подвески при эволюции оси камеры в пространстве. Это условие достигается соосностью выполнения подшипниковых опор камеры 1 и траверс 9 в номинальном положении при изготовлении.
Таким образом, конструктивное исполнение карданной подвески с четырьмя дополнительными подшипниковыми опорами, соединенными рамкой и установленными попарно на цапфах камеры и траверс, оси которых перпендикулярны осям двух других опор, а цапфы камеры подкреплены дополнительно кронштейнами, в отличии от известного решения (четыре опоры и одна рамка), обеспечивают снижение уровня нагрузок в два раза и более равномерное их распределение по силовым элементам двигателя.