Сопловая заглушка ракетного двигателя твердого топлива

Полезная модель относится к ракетной технике и может быть использована при разработке заглушек сопел ракетных двигателей твердого топлива, стартующих из транспортно-пускового контейнера (ТПК) при помощи порохового аккумулятора давления (ПАД).
Известно изобретение (патент RU 2196244 – МПК: F02K 9/97, опубл. 10.01.2003). В этом изобретении, которое допустимо принять в качестве аналога, имеется сферическая мембрана с радиально расходящимися от центра ослабленными сечениями, опирающимися на арочную сферическую конструкцию. Упор состоит из отдельных клинообразных компонентов, которые удерживаются внешним кольцом. Авторы отмечают, что полезная модель обеспечивает возможность восприятия давления от ПАД и обеспечивает расчетный уровень давления вскрытия заглушки двигателя. Недостатком данного изобретения является общая сложность конструкции, наличие дополнительных крепежных элементов, а также количество вылетающих при вскрытии мембраны элементов, способных в совокупности нанести повреждения сверхзвуковой части сопла и пусковой установке.
Известно изобретение (см. Конструкции ракетных двигателей на твердом топливе. /Под общей редакцией чл.-корр. Российской академии наук, доктора техн. наук, проф. Л.Н.Лаврова. М.: Машиностроение, 1993, рис. 3.38, стр.163). В этом изобретении, которое допустимо принять в качестве аналога, имеется двойная сопловая заглушка. В описании указано, что полезная модель позволяет воспринимать повышенное давление со стороны окружающей среды. Основными недостатками являются наличие дополнительных элементов, крепежа, что увеличивает массу узла, а расположение заглушки в дозвуковой зоне сопла создает риск повреждения профиля сопла при запуске двигателя.
Известно изобретение (патент RU 2266425 – МПК: F02K 9/97, опубл. 20.12.2005). В этом изобретении, которое было принято в качестве прототипа, имеется сферическая мембрана, закрепленная на стенке сверхзвуковой части сопла и обращённую выпуклой стороной сферы в сторону камеры двигателя. Полезная модель обеспечивает целостность и герметичность заглушки при воздействии на нее давления газов от ПАД, а также, после запуска ракетного двигателя, обеспечит расчетный уровень давления вскрытия заглушки. Недостатками данного изобретения являются наличие дополнительных крепежных элементов в сверхзвуковой части сопла, а также большая масса узла.
Техническим результатом является снижение массы сопловой заглушки, способной воспринимать давление от газов ПАД.
Технический результат достигается тем, что заглушка сопла ракетного двигателя содержит сферическую мембрану с ребрами жесткости, закрепленную в сверхзвуковой части сопла при помощи клеевого соединения выпуклой стороной сферы в сторону камеры двигателя.
Под действием внутреннего давления газов ПАД сферическая мембрана работает на растяжение, а в период воспламенения и выход двигателя на стационарный режим – на устойчивость от внешнего давления.
Определение минимальной толщины мембраны, геометрических параметров ребер жесткости осуществляется по эмпирическим зависимостям и согласно конструкторским рекомендациям (см. Лизин В. Т., Пяткин В. А. Проектирование тонкостенных конструкций: Учеб. пособие для студентов вузов — 3-е изд., перераб. и доп. — М.: Машиностроение, 1994, стр. 117 – 124). Применение ребер жесткости позволяет существенно снизить толщину и массу сферической мембраны, а также повысить ее устойчивость при действии внешнего давления.
Конструкция предлагаемого устройства изображена на фиг. 1. Внутри сопла 1 установлена заглушка, представляющую собой сферическую мембрану 2, подкрепленную ребрами жесткости 3. Крепление заглушки осуществляется посредством клеевого соединения 4, при этом выпуклая поверхность сферы обращена в сторону камеры двигателя. Герметичность соединения обеспечивается уплотнительным кольцом 5.  Поверхность мембраны, обращенная к срезу сопла 1, на которую воздействуют газы ПАД, защищена покрытием 6. Для проведения различных технологических операций и испытаний в центре расположена бобышка 7 под закладной элемент. Рекомендуемый материал мембраны – алюминиевый деформируемый сплав, защитного покрытия и уплотнительного кольца – армированная резина.
Предлагаемое устройство, изображенное на фиг. 1 работает следующим образом. При работе ПАД газы действуют на сферическую мембрану 2 заглушки, и под действием внутреннего давления она работает на растяжение. В силу высокой жесткости конструкции нагрузка на мембрану 2 с ребрами жесткости 3 равномерно распределяется и передаётся через клеевое соединение 4 на сопло 1. После вылета летательного аппарата из контейнера происходит запуск двигателя. Продукты сгорания воздействуют на сферическую мембрану 2 с ребрами жесткости 3 заглушки, работающую на сжатие. Оребрение позволяет сохранить устойчивость мембраны 2 в данный период работы. При расчетном давлении газов клеевое соединение 4 равномерно разрушается, и заглушка единой частью вылетает из сопла 1, исключая повреждение раструба сопла и пусковой установки. Остатки клеевого соединения 4 сгорают при дальнейшей работе двигателя в потоке продуктов сгорания.