РАКЕТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ С РАЗДВИЖНЫМ ДИФФУЗОРОМ
ROCKET ENGINE WITH SLIDING DIFFUSER

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к ракетному двигателю с раздвижным диффузором, содержащему сопло истечения газов, исходящих из камеры сгорания, причем сопло имеет продольную ось и содержит первую часть, определяющую критическое сечение сопла и первую неподвижную секцию диффузора, по меньшей мере одну вторую выдвижную секцию диффузора, сечение которой больше сечения первой неподвижной секции диффузора, и механизм выдвижения второй выдвижной секции диффузора, расположенный снаружи от первой и второй секций диффузора.
Уровень техники
Сопла ракетных двигателей с раздвижным диффузором часто используются, в частности, в ступенях ракетоносителей, что позволяет адаптировать выходное сечение сопла к давлению окружающей среды, которое снижается от малых высот вблизи поверхности Земли до больших высот, на которых космический летательный аппарат выходит из земной атмосферы. При этом сохраняется оптимальная тяга независимо от изменения высоты.
Выдвижение выдвижной части диффузора производится автоматически с электрическим, гидравлическим или пневматическим управлением.
Примеры выполнения раздвижных диффузоров сопел ракетных двигателей описаны, в частности, в патентных документах US 4383407, US 5048289, EP 0516519 B1 и US 7299636 B2.
Раздвижные диффузоры по существу конической формы могут быть изготовлены из металлов с регенеративными охлаждающими контурами или из композиционного материала.
В частности, известен двигатель VINCI, который является ракетным двигателем, работающим на криогенном ракетном топливе, и снабжен раздвижным диффузором из термоконструкционного композиционного материала. Он оснащен механизмом выдвижения, который образован бесконечным винтом и системой крепления, с одной стороны, на верхней конической части, укрепленной на конструкции камеры сгорания, и, с другой стороны, на нижней подвижной конической части диффузора.
2
Механизм выдвижения расположен напротив диффузора, который при работе ракетного двигателя выделяет посредством теплового излучения тепловой поток, причем в некоторых местах диффузора тепловой поток может достигать 250 кВт/м.
Этот интенсивный тепловой поток может вызывать общее повышение температуры элементов механизма выдвижения, что ухудшает их механические свойства и в некоторых случаях может даже приводить к разрушению некоторых элементов.
Раскрытие изобретения
Задачей изобретения является устранение указанных недостатков и повышение надежности ракетного двигателя с раздвижным диффузором путем снижения до минимума влияния теплового излучения от диффузора во время работы ракетного двигателя.
В соответствии с изобретением решение поставленной задачи достигается в ракетном двигателе с раздвижным диффузором, содержащем сопло истечения газов, исходящих из камеры сгорания, причем сопло имеет продольную ось и содержит первую часть, определяющую критическое сечение сопла и первую неподвижную секцию диффузора, по меньшей мере одну вторую выдвижную секцию диффузора, сечение которой больше сечения первой неподвижной секции диффузора, и механизм выдвижения второй выдвижной секции диффузора, расположенный снаружи от первой и второй секций диффузора, отличающемся тем, что он дополнительно содержит жесткий экран тепловой защиты, встроенный между механизмом выдвижения и первой неподвижной секцией диффузора, при этом экран тепловой защиты содержит выпуклую стенку (на стороне, обращенной к первой неподвижной секции диффузора.
Предпочтительно экран тепловой защиты дополнительно содержит боковые ребра на обеих сторонах выпуклой стенки.
Предпочтительно ракетный двигатель дополнительно содержит гибкую ленту тепловой защиты, расположенную между жестким экраном тепловой защиты и механизмом выдвижения.
Предпочтительно гибкая лента тепловой защиты проходит по всей высоте первой неподвижной секции диффузора, а жесткий экран тепловой защиты проходит только на нижней части первой секции диффузора.
Предпочтительно жесткий экран тепловой защиты изготовлен из жаропрочного металлического материала, такого как сплав вольфрама и/или молибдена.
Предпочтительно гибкая лента тепловой защиты изготовлена из боросиликатной ткани и волокон гидроксида алюминия.
Согласно частному примеру выполнения механизм выдвижения содержит бесконечный винт, прикрепленный к первой неподвижной секции диффузора, и шариковую гайку, взаимодействующую с бесконечным винтом и прикрепленную к верхней части второй подвижной секции диффузора.
Предпочтительно шариковая гайка соединена с верхней частью второй подвижной секции диффузора с помощью детали в форме ребра.
Краткий перечень чертежей
Другие особенности и преимущества изобретения будут ясны из последующего описания не являющихся ограничительными примеров осуществления со ссылками на прилагаемые чертежи. На чертежах:
фиг.1 изображает на виде сбоку с частичным продольным разрезом находящийся во втянутом положении раздвижной диффузор ракетного двигателя, в котором может использоваться изобретение,
фиг.2 изображает на виде сбоку с частичным продольным разрезом раздвижной диффузор по фиг.1 в раздвинутом положении,
фиг.3 подробно изображает пример выполнения механизма выдвижения диффузора, снабженного системой тепловой защиты по изобретению,
фиг.4 изображает на виде сверху по стрелке F на фиг.3 систему тепловой защиты по изобретению,
фиг.5 и 6 изображают в перспективе примеры выполнения экрана, который может использоваться в системе тепловой защиты по изобретению.
Осуществление изобретения
На фиг.1 и 2 показан пример выполнения ракетного двигателя, содержащего камеру 14 сгорания, к которой прикреплено сопло 10 с продольной осью ZZ', содержащее критическое сечение 15 сопла и раздвижной диффузор.
Сопло 10 содержит первую часть, которая прикреплена к камере 14 сгорания и определяет критическое сечение 15 сопла и содержит неподвижную секцию 12 диффузора, по существу, в форме усеченного конуса, и вторую часть, образованную выдвижной секцией 16 диффузора, по существу, также в форме усеченного конуса, сечение которого больше сечения неподвижной секции 12 диффузора.
Механизм 18 выдвижения позволяет избирательным образом модифицировать положение выдвижной секции 16 диффузора по отношению к неподвижной секции 12 диффузора.
На фиг.1 выдвижная секция 16 диффузора показана во втянутом положении вокруг неподвижной секции 12 диффузора и камеры 14 сгорания. Это втянутое положение может соответствовать фазе транспортировки ракетного двигателя верхней ступени ракеты-носителя. Это втянутое положение может также соответствовать рабочей фазе, в которой газы сгорания выходят только через неподвижную секцию 12 диффузора.
На фиг.2 выдвижная секция 16 диффузора показана в выдвинутом положении, в котором она продолжает по направлению потока газов неподвижную секцию 12 диффузора с образованием диффузора большей длины и большего диаметра на выходе.
Механизм 18 выдвижения диффузора может быть выполнен различным образом, например, с помощью рычагов или направляющих тяг.
В примере выполнения по фиг.1-4 механизм 18 выдвижения диффузора содержит несколько (например, от трех до шести) тяг 20, параллельных оси ZZ", причем каждая тяга 20 выполнена в виде бесконечного винта 26, взаимодействующего с шариковой гайкой 22. Каждая тяга 20 прикреплена своей нижней частью к крепежному блоку 25, который установлен на выходной части неподвижной секции 12 диффузора. Тяги 20 имеют верхние концы, прикрепленные к несущей конструкции ракетного двигателя, не показанной на чертежах. Шариковая гайка 22, взаимодействующая с бесконечным винтом 26 направляющей тяги 20, соединена с верхней частью выдвижной секции 16 диффузора. Соединительный элемент между шариковой гайкой 22 и выдвижной секцией 16 диффузора может содержать крепежную планку 34 в форме ребра, способного отводить получаемое тепло, и захвата 35, закрепляющегося на верхней части выдвижной секции 16 диффузора.
В показанном на фиг.1 втянутом положении выдвижной секции 16 диффузора шариковые гайки 22 механизма 18 выдвижения и крепежные планки 34 находятся в верхнем положении на тягах 20.
В показанном на фиг.2 выдвинутом положении выдвижной секции 16 диффузора шариковые гайки 22 (обозначенные в этом положении позициями 22' на фиг.2 и 3) и крепежные планки 34 находятся вблизи стыка между неподвижной секцией 12 диффузора и выдвижной секцией 16 диффузора.
Стенка неподвижной секции 12 диффузора может быть изготовлена из металла и в этом случае целесообразно, чтобы эта стенка охлаждалась регенеративным контуром охлаждения. Как стенка неподвижной секции 12, так и стенка выдвижной секции 16 диффузора могут быть также выгодным образом изготовлены из композиционного материала, например, с керамической матрицей.
2
В процессе работы ракетного двигателя в выдвинутом положении выдвижной секции 16 диффузор и в особенности неподвижная секция 12 диффузора выделяет посредством теплового излучения тепловой поток, который в некоторых местах диффузора может достигать 250 кВт/м диффузора, а температура самого диффузора может превышать 1400 К.
Согласно изобретению между неподвижной секцией 12 диффузора и механизмом 18 выдвижения диффузора помещен экран 102 тепловой защиты, который соединен средствами 101 связи с выходной частью неподвижной секции 12 диффузора и предназначен для того, чтобы защищать механизм 18 от теплового излучения диффузора.
Жесткий тепловой экран 102 защищает нижнюю часть механизма 18 выдвижения диффузора.
Как можно видеть на фиг.3-5, тепловой экран 102 представляет собой выпуклую стенку 104 на стороне, обращенной к неподвижной секции 12 диффузора.
Выпуклость экрана 102 позволяет снизить его коэффициент вида (формы) относительно неподвижной секции 12 диффузора и за счет этого обеспечивает отклонение излучения в космос, так что благодаря экрану 102 снижается перегрев диффузора.
Выпуклость экрана 102 позволяет также повысить его жесткость по сравнению с плоским экраном. Боковые ребра 105, 106 образованы на экране 102 с обеих сторон от выпуклой стенки 104 для повышения отвода тепла в космос, а также для повышения жесткости конструкции.
В примере выполнения по фиг.5 средства 101 связи экрана 102 тепловой защиты с выходной частью неподвижной секции 12 диффузора содержат крепежную полосу, которая прикреплена своими боковыми изогнутыми концами 101а, 101b, образующими крепежные лапки, к боковым ребрам 105, 106 теплового экрана 102, при этом щель 107 образована между выпуклой стенкой 104 и крепежной полосой 101.
Выгодным образом гибкая лента 103 тепловой защиты расположена между жестким экраном 102 тепловой защиты и механизмом 18 выдвижения диффузора (см. фиг.3 и 6).
Гибкая лента 103 тепловой защиты проходит по всей высоте неподвижной секции 12 диффузора, тогда как жесткий экран 102 тепловой защиты проходит только вдоль нижней части неподвижной секции 12 диффузора.
Таким образом, гибкая лента 103 тепловой защиты расположена между каждой тягой 20 и неподвижной секцией 12 диффузора. Лента не является выдвижной, что облегчает ее установку. Гибкая лента 103 тепловой защиты позволяет облегчить тяги 20 и обеспечивает их теплоотдачу в пространство путем излучения. Такая гибкая тепловая защита не создает термомеханической нагрузки на поверхности сопряжения, а ее масса остается невысокой.
Сам жесткий экран 102 тепловой защиты имеет ограниченную высоту, чтобы не создавать излишней массы и в то же время защищать нижнюю наиболее чувствительную часть механизма 18 выдвижения диффузора. Выпуклая стенка 104 экрана 102 может иметь криволинейное сечение или сечение в виде части многоугольника.
Благодаря жесткому экрану 102 тепловой защиты и гибкой ленте 103 тепловой защиты снижается температура на уровне механизма 18 выдвижения диффузора и устраняется риск повреждения механизма в процессе работы.
Предпочтительно экран 102 тепловой защиты может быть изготовлен из жаропрочного металлического материала, такого как сплав на основе вольфрама, молибдена или вольфрама и молибдена, а гибкая лента 103 тепловой защиты изготовлена из боросиликатной ткани и волокон гидроксида алюминия.