РАЗДВИЖНОЙ ДВУХСЕКЦИОННЫЙ СОПЛОВОЙ НАСАДОК РАКЕТНОГО ДВИГАТЕЛЯ
EXTENDABLE TWO-SECTION NOZZLE HEAD PIECE OF ROCKET ENGINE

Изобретение относится к ракетной технике и может быть использовано при разработке раздвижных сопловых насадков, например, из углерод-углеродного композиционного материала, например, для жидкостных ракетных двигателей.
Известен раздвижной сопловой насадок двигателя верхней ступени RL10B-2 ракеты-носителя Дельта III компании МакДоннел Дуглас (разработчик насадка «P&W/SEP) (Технический отчет 97-2672 AIAA. Разработка углерод-углеродного переходного сопла (насадки) для жидкостного ракетного двигателя RL10B-2, Р.А.Эллис, Дж.К.Ли и Ф.М.Пэйн, CSD, США и М.Лякост, А.Лякомб и П.Джоез, SEP, Франция, представлена на 33-й совместной конференции по реактивным двигателям AIAA/ASME/SAE/ASEE, Сиэтл, штат Вашингтон, 6-9 июля 1997 г.) - прототип, содержащий неподвижную часть, выдвигаемый раструб, выполненные из углерод-углеродного материала, систему выдвижения и фиксации выдвигаемого раструба в рабочем (выдвинутом) положении и резиновое уплотнение (типа «бампер»).
В этом насадке на наружной поверхности неподвижной части в районе ее среза размещено резиновое уплотнение торцового типа, служащее для герметизации узла стыка неподвижной части и выдвигаемого раструба.
Недостатком такой конструкции насадка является то, что резиновое уплотнение в условиях работающего двигателя нагревается до температуры наружной поверхности углерод-углеродного материала неподвижной части (~950-1200°C) и, соответственно, прококсовывается с нарушением целостности. Вследствие этого через зазор в узле стыка неподвижной части и выдвигаемого раструба появляются протечки высокотемпературных продуктов сгорания кислород-водородного топлива.
Это может привести к нерасчетному нагреву и нарушению целостности металлических элементов системы выдвижения раструба, закрепленных в районе узла стыка неподвижной части и раструба.
Кроме того, протечки продуктов сгорания могут привести к уносу углерод-углеродного материала цанг и кольцевого участка хвостовика выдвигаемого раструба, взаимодействующего с цангами. При этом осевое усилие, создаваемое продуктами сгорания на раструбе (тяга раструба), направленное в сторону регенеративно-охлаждаемого сопла, может вывести раструб из зацепления с цангами и отбросить его в сторону сопла.
Технической задачей предлагаемого изобретения является повышение надежности работы раздвижного соплового насадка путем исключения воздействия продуктов сгорания на элементы фиксации насадка.
Технический результат достигается тем, что в раздвижном двухсекционном сопловом насадке ракетного двигателя, содержащем неподвижную часть и выдвигаемый раструб, имеющий со стороны камеры сгорания двигателя хвостовик для взаимодействия с неподвижной частью, уплотнительный элемент, цанги, систему выдвижения раструба, уплотнительный элемент выполнен из температуростойкого материала с малой деформативностью, например, в виде плетеного шнура из терморасширенного графита, при этом внутренняя поверхность хвостовика насадка, обращенная к неподвижной части и взаимодействующая при раздвижке насадка с уплотнительным элементом, имеет цилиндрический участок, переходящий в конус, минимальный диаметр которого не превышает максимальный диаметр уплотнительного элемента.
На фиг.1 изображена конструкция раздвижного двухсекционного соплового насадка в сложенном положении. На фиг.2 показано рабочее (выдвинутое) положение насадка.
Раздвижной двухсекционный сопловой насадок, например, из углерод-углеродного композиционного материала, например, жидкостного ракетного двигателя имеет неподвижную часть 1 и выдвигаемый раструб 2. На неподвижной части 1 в районе ее среза установлен уплотнительный элемент 3, выполненный в виде плетеного шнура из терморасширенного графита. Выдвигаемый раструб 2 имеет хвостовик, содержащий цилиндрический участок 4, переходящий в конус 5.
Фиксация рабочего положения выдвигаемого раструба 2 осуществляется с помощью цанг 6, выполненных из углерод-углеродного композиционного материала.
В сложенном положении (фиг.1) уплотнительный элемент 3 находится в недеформированном (свободном) состоянии. В рабочем положении (фиг.2) уплотнительный элемент 3 находится в деформированном состоянии и тем самым исключает в условиях работающего двигателя свободное истечение продуктов сгорания через узел стыка неподвижной части 1 с выдвигаемым раструбом 2, обеспечивая необходимый уровень герметичности.
Функционирование соплового насадка осуществляется следующим образом.
После подачи команды на раздвижку выдвигаемый раструб 2 с помощью элементов системы выдвижения переводится из транспортного (сложенного) в рабочее положение и фиксируется с помощью цанг 6.
Хвостовик выдвигаемого раструба 2 своей конической поверхностью 5 под действием осевого усилия, например, электропривода (не показан), входящего в состав системы выдвижения, обеспечивает обжатие уплотнительного элемента 3 в радиальном направлении. Цилиндрический участок 4 хвостовика, взаимодействуя с уплотнительным элементом 3, обеспечивает центрирование выдвигаемого раструба 2 относительно неподвижной части 1 в рабочем положении. Так как уплотнительный элемент 3 имеет малую деформативность (деформация плетеного шнура происходит за счет уплотнения его внутренней структуры), происходит его плотное обжатие, исключающее проход газов через стык неподвижной части 1 и выдвигаемого раструба 2. В то же самое время малая деформативность уплотнительного шнура, напрямую зависящая от плотности его навивки, обеспечивает малую газопроницаемость через шнур.
Усилие на приводе, требуемое для фиксации раструба в рабочем положении, может быть достигнуто путем варьирования углом конусности (α) поверхности 5 хвостовика, степенью поджатая уплотнительного элемента 3, его геометрическими параметрами и плотностью навивки.
Терморасширенный графит в качестве материала уплотнительного элемента применяется для неподвижных уплотнительных узлов и обеспечивает работу до 2000°C.
Таким образом, предлагаемая конструкция раздвижного двухсекционного соплового насадка позволяет повысить надежность его работы, обеспечить требуемый уровень герметичности узла стыка неподвижной части и выдвигаемого раструба и целостность конструкции.
Работоспособность предлагаемой конструкции раздвижного двухсекционного соплового насадка подтверждена серией огневых стендовых испытаний двухсекционных насадков в составе жидкостного ракетного двигателя длительностью до ~1400 с в условиях многократного (до 7 циклов) включения двигателя.