МОДЕЛЬ КАМЕРЫ ЖИДКОСТНОГО РАКЕТНОГО ДВИГАТЕЛЯ

Полезная модель относится к ракетной технике, а именно к жидкостным ракетным двигателям (ЖРД). В современных конструкциях ЖРД применяют сопла с выдвигаемыми насадками, изготовляемыми из металлических материалов. Выдвижение насадков в рабочее положение может осуществляться после разделения ступеней ракеты. Различают два способа раздвижки насадков в рабочее положение: до запуска двигателя-холодная раздвижка и после запуска двигателя-горячая раздвижка. Для реализации схем холодной раздвижки необходим интервал времени между разделением ступеней и запуском двигателя. В общем случае, этот интервал, являющийся фактически неуправляемым участком полета ракеты, определяется совокупностью таких факторов, как относительные скорости отделения ступеней, а также возмущения от действия отраженных струй.
Преимуществом способа холодной раздвижки является то, что параметры выдвижения насадков, в частности, время выдвижения насадков из исходного положения в рабочее, кинетическая энергия насадков в момент достижения ими конечного положения отрабатываются в процессе автономных испытаний. Надежность работы сопел с телескопически выдвигаемым насадком достигается обеспечением соосности насадка с неподвижным стационарным соплом, что особенно важно в конце движения насадка.
Известен двигатель RL 10B-2 (AIAA 98-3363, Joint Propulsion Conference and Exhibit, july 13-15 1998), в котором камера сгорания является охлаждаемой, а в качестве материалов для ее изготовления используются металлические сплавы. Выдвижение насадка в рабочее положение осуществляется телескопическим механизмом.
Недостатком этой конструкции является то, что при выдвижении соплового насадка отсутствуют механизмы центрирования, обеспечивающее соосное выдвижение соплового насадка относительно неподвижного сопла. Кроме того, камера сгорания выполнена из металлического сплава и является охлаждаемой, что приводит к утяжелению конструкции.
Технический результат, достигаемый с помощью предлагаемой полезной модели, состоит в обеспечении уменьшения осевого габарита камеры сгорания и сопла, соосности выдвижения насадка относительно неподвижного стационарного сопла при осевых и изгибных нагрузках во время запуска двигателя, в повышении прочности и надежности системы выдвижения сдвигаемого насадка при одновременном снижении его массы и уменьшении затрат при его изготовлении, что приводит к снижению полетной массы сопла и всего двигателя в целом, а также в исключении системы регенеративного охлаждения камеры сгорания и сопла, изготовляемых из высокотемпературных композиционных материалов, что исключает использование дорогостоящих технологических операций фрезерования и вакуумной пайки оболочек.
Технический результат достигается тем, что на закритической части неподвижного стационарного сопла установлена сетчатая рама, представляющая собой кольцо и служащая опорой сетчатому направляющему цилиндру с расположенными на его боковой поверхности направляющими для осевого перемещения по ним сдвигаемого насадка. При этом камера сгорания, неподвижное стационарное сопло, сдвигаемый насадок, сетчатый направляющий цилиндр, сетчатая рама выполнены неохлаждаемыми из композиционных материалов, армированных углеродными и комбинированными волокнами.
Применение композиционного материала, обладающего высокой удельной прочностью при растяжении вдоль волокна позволяет достигнуть массового совершенства конструкции по сравнению с традиционными металлическими сплавами. Композиционные материалы, используемые в конструкции ЖРД, представляют собой гетерогенные среды, жесткость и прочность которых определяется армирующими элементами (волокнами, нитями, жгутами, тканями), а совместная работа этих элементов определяется изотропным связующим.
Кроме того, внутренняя и внешняя поверхности камеры сгорания, неподвижного стационарного сопла и сдвигаемого насадка могут иметь покрытия на основе тугоплавких материалов, а внешняя теплозащита сдвигаемого насадка может быть выполнена из материала с низкой теплопроводностью, например, углеродного войлока или войлокарба-22.
Предлагаемая полезная модель камеры жидкостного ракетного двигателя поясняется фиг.1, где изображена камера сгорания (1) с неподвижным стационарным соплом (2). На фиг.2 представлено пространственное изображение предлагаемой модели камеры ЖРД.
Система раздвижки сопла содержит сдвигаемый сопловой насадок (3), коаксильно размещенный относительно неподвижного стационарного сопла (2), на закритической части которого установлена сетчатая рама (4). Сетчатая рама (4) представляет собой кольцо и является опорой для сетчатого направляющего цилиндра (5). Этот цилиндр (5) образован пересекающимися спиральными и кольцевыми ребрами, выполненными из нескольких слоев ленты на основе композиционного материала. На сетчатом цилиндре (5) расположены направляющие для осевого перемещения по ним сдвигаемого насадка. Камера сгорания (1), неподвижное стационарное сопло (2), сдвигаемый сопловой насадок (3), сетчатый направляющий цилиндр (5) и сетчатая рама (4) выполнены неохлаждаемыми из композиционных материалов, армированных углеродными и комбинированными волокнами, в т.ч. стеклянными, металлическими. Связующее может быть как полимерным, так и металлическим.
Внутренняя и внешняя поверхности камеры сгорания, стационарного сопла и сдвигаемого насадка могут иметь антиокислительное покрытия на основе тугоплавких материалов, например, AlN,SiC,HfC. Данное покрытие, благодаря особой микроструктуре, обладает высокими эксплуатационными свойствами: термической и коррозионной стойкостью, низкой газопроницаемостью. На наружную поверхность сдвигаемого соплового насадка может быть нанесено ТЗП из материала с низкой теплопроводностью (углеродный войлок, войлокарб-22), обеспечивающее защиту агрегатов ДУ от внешних тепловых воздействий со стороны сопла. Система раздвижки сопла работает следующим образом:
Выдвижение соплового насадка (3) проводится по команде от системы управления, с помощью гидравлического, пневматического, электрического, или пиротехнического привода, например пироболта (на схеме не показан). При поступлении команды от системы управления срабатывает пироболт (детонирующий состав в полости болта разрушает стенку корпуса пироболта), происходит расфиксация сдвигаемого соплового насадка (3) и неподвижного стационарного сопла (2). Страгивание выдвигаемого соплового насадка (3) и его дальнейшее движение происходит под действием сил привода выдвижения.
Насадок (3) вместе с направляющим цилиндром (5) перемещаются до фиксации насадка (3) на неподвижном стационарном сопле (2). Боковые силы, действующие на сдвигаемый сопловой насадок (3) и стремящиеся вывести его из соосного положения с неподвижным раструбом (2), воспринимаются сетчатым направляющим цилиндром (5) на участке движения сетчатого направляющего цилиндра со сдвигаемым сопловым насадком (3).
Данная конструкция направляющего устройства позволяет обеспечивать его соосное движение в широком диапазоне возмущающих боковых сил, и тем самым, обеспечивать надежную стыковку с неподвижным раструбом.
В ФГУП "Центр Келдыша" была изготовлена модель камеры ЖРД из углепластика со следующими параметрами:
- диаметр камеры сгорания (Dkc), мм - 80
- длина камеры сгорания (Lkc), мм - 193
- топливо-жидкий кислород + жидкий водород
- диаметр среза стационарного сопла (Dcp1), мм - 232
- диаметр среза сдвигаемого сопла (Dcp2), мм - 600
- общая масса двигателя, кг-13
При этом масса аналога из традиционных металлических сплавов составляет 60 кг.
Огневые испытания этой модели показали следующие технические характеристики:
-номинальная тяга в пустоте, кгс - 2000
-время работы двигателя, с - 150
-максимальная температура на поверхности сопловых насадков, К-1800
Кроме того, в ФГУП «Центр Келдыша» была изготовлена модель камеры сгорания с соплом из стеклопластика диаметром 18 мм. Изготовленная камера сгорания прошла огневые испытания при температурах потока 2000 К.