МНОГОКАМЕРНЫЙ ЖИДКОСТНЫЙ РАКЕТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ
MULTI-CHAMBER LIQUID-PROPELLANT ENGINE

Изобретение относится к ракетной технике, в которой создание жидкостных ракетных двигателей с донной тепловой защитой, предназначенной для уменьшения теплового и газодинамического воздействия продуктов сгорания работающих двигателей, является актуальной задачей.
Известны жидкостные ракетные двигатели, содержащие раму, донную защиту с цилиндрическим проемом с установленной через него с возможностью качания камерой с соплом, снабженной сферическим блистером, установленным с кольцевым зазором относительно обечайки цилиндрического проема донной защиты (см книгу В.А. Александров и др. Ракеты-носители. Под общ. ред. С.О. Осипова Ракеты-носители, стр. 186, рис. 5.10.)
В известном жидкостном ракетном двигателе обеспечивается защита агрегатов от теплового и газодинамического воздействия продуктов сгорания камер установкой сферического блистера с минимальным равномерным зазором относительно обечайки цилиндрического проема донной защиты. Кроме того, между блистером и обечайкой донной защиты может быть установлен уплотнительный элемент. Однокамерный жидкостный ракетный двигатель требует применения кардана для обеспечения управления вектором тяги и специальной системы управления по крену с использованием сопел крена, что не всегда возможно по схеме двигателя и связано с ростом массы или с потерей экономичности при выбросе управляющего, как правило, с низкой температурой, газа через сопла крена.
Известны также многокамерные жидкостные ракетные двигатели, содержащие общий для всех камер турбонасосный агрегат, газогенератор, агрегаты автоматики и регулирования, раму, и установленную в нижней части двигательного отсека донную защиту из тонкостенного листового материала, например, титана, с цилиндрическими проемами, с установленными через них соплами, выполненными с возможностью качания камер с цапфами, взаимодействующими с траверсами, соединенными с рамой, причем на внешней части сопел камер выполнены кольцевые бурты с закрепленными на них ответными частями с зазорами относительно цилиндрических проемов донной защиты сферическими блистерами, взаимодействующими с цилиндрическими обечайками проемов донной защиты с образованием щелевых зазоров между ними. По периферии донной защиты равномерно по внешней ее части установлены тяги, попарно и симметрично расположенные относительно проемов, взаимодействующие одними концами с силовым кольцевым бандажом на периферии тепловой защиты, а другими - с рамой в ее верхней периферийной части. В центральной части донная защита закреплена через кольцевой бандаж другой группой тяг также с рамой в ее верхней центральной части (см. Жидкостный ракетный двигатель, F02K 9/97 патент РФ №2524483 от 27.07.2014 - прототип).
В известном многокамерном жидкостном ракетном двигателе обеспечивается возможность управления ракетой - носителем с высокой экономичностью не только по тангажу и рысканию, но и по крену за счет качания четырех камер в главных плоскостях стабилизации при малых осевых размерах двигателя. Донная защита препятствует попаданию продуктов сгорания камер в отсек размещения других агрегатов двигателя.
Однако, для многокамерных жидкостных ракетных двигателей, имеющих общий для всех камер турбонасосный агрегат, такой способ установки зазора затруднен и связан с необходимым ужесточением требований выполнения сборочных операций, а также с необходимым повышением точности изготовления сопрягаемых деталей и узлов по силовой цепочке начиная от сопл камер, цапф, траверс, рамы передачи силы тяги, рамы донной защиты, стенки донной защиты и ее цилиндрической обечайки проема, через который вставляется камера своим соплом. В таком жидкостном ракетном двигателе при сборке блоков камер с траверсами и рамой появляется неравномерность кольцевого зазора между блистером и кольцевой обечайкой донной защиты, усугубляемая и так малыми размерами кольцевого зазора и способностью тонкостенного материала при неравномерном нагреве и неравномерном динамическом воздействии терять первоначальную форму, отличную от плоской. Сложность обеспечения равномерного зазора связана также с тем, что выявление неравномерного результирующего зазора осуществляется в конце всего процесса сборки с уже готовыми собранными блистерами на камерах, траверсами и посадочными поверхностями рамы, когда из-за особенности конструкции устранить неравномерность кольцевого зазора приемлемыми способами затруднительно. Неравномерное увеличение кольцевого зазора в одной части и уменьшение его в диаметрально противоположной части приводит к повышенному проникновению продуктов сгорания в увеличенной части, чем при равномерном кольцевом зазоре, и к возможному соприкосновению блистера с цилиндрической обечайкой в зоне минимального зазора, что усугубляется наличием вибрации блистера, сопла камеры и рамы с донной защитой при работе жидкостного ракетного двигателя и особенно при "горячем" разделении ступеней при неравномерном ударном повышении донного давления при возвратном движении продуктов сгорания от сопел камер. Для возможности сборки и для обеспечения работы двигателя приходится увеличивать номинальные размеры кольцевого зазора, что приводит к проникновению горячих газов через кольцевые зазоры и увеличению теплового воздействия на агрегаты двигателя, повышающего их температуру, что не всегда допустимо. Кроме того при "горячем" разделении ступени с многокамерным жидкостным ракетным двигателем неравномерное динамическое воздействие продуктов сгорания на донную защиту приводит к неравномерной вдоль оси симметрии двигателя деформации донной защиты и к неравномерному кольцевому зазору между донной защитой и блистерами камер. Это происходит из-за недостаточной жесткости донной защиты в конкретных местах ее взаимодействия через зазоры с блистерами камер. Утолщение листового материала донной защиты приводит к росту массы многокамерного жидкостного ракетного двигателя. Добавление количества тяг, взаимодействующих с листовым материалом донной защиты в определенных ее точках и с центральной и периферийной частью рамы также приводит к неоправданному увеличению их количества и росту массы многокамерного жидкостного ракетного двигателя.
Задачей предлагаемого изобретения является устранение вышеуказанных недостатков и уменьшение теплового воздействия продуктов сгорания камер на агрегаты двигателя в отсеке за донной защитой при возвратном течении их от срезов сопел за счет обеспечения уменьшения монтажных кольцевых щелевых зазоров между блистерами и цилиндрическими проемами донной защиты и повышения жесткости донной защиты с одновременным обеспечением регулировки профиля донной защиты при сборке под выполненные положения камер и их блистеров.
Указанная задача изобретения достигается тем, что в известном многокамерном жидкостном ракетном двигателе над цилиндрическими проемами донной защиты и эквидистантно цилиндрическим профилям вырезов кольцевых проемов и их цилиндрическим обечайкам установлены кольцевые трубчатые бандажи, связанные жестко со стенкой листовой донной защиты с помощью равномерно расположенных по поверхности трубчатых бандажей цилиндрических втулок, а боковыми частями, ориентированными к продольной оси симметрии двигателя, - с помощью фасонных П-образных профильных стержней, с установленными на последних регулировочными элементами вертикальных перемещений вдоль продольной оси двигателя на расположенных к продольной оси двигателя концах фасонных П-образных профильных стержней, взаимодействующими с кольцевым бандажом в центральной части донной защиты.
Задача изобретения достигается также тем, что регулировочные элементы выполнены в виде Z-образных кронштейнов со шпильками и гайками на полках и выполненными на профильных стержнях проушинами.
Предлагаемое изобретение представлено на чертеже фиг. 1-8 (на фиг. 1- проекционный вид спереди на многокамерный жидкостный ракетный двигатель, на фиг. 2 - вид сверху, на фиг. 3 - аксонометрическая проекция многокамерного жидкостного ракетного двигателя, на фиг. 4 - донная защита отдельно в аксонометрической проекции, на фиг. 5 - элементы донной защиты (местный вид А и местный вид Б с фиг. 4), в том числе регулировочные элементы и фиксаторы конечного положения, на фиг. 6 - местный вид В с вида сверху (фиг. 2), где показан клапан горючего камеры, на фиг. 7 - разрез А-А камеры с блистером и с элементами донной защиты, на фиг. 8 - местный вид Г (с фиг. 7) с разреза А-А (фиг. 6) с изображением кольцевого зазора между блистером и элементами донной защиты), где показаны следующие агрегаты:
1. Камера;
2. Сопло;
3. Срез сопла;
4. Турбонасосный агрегат;
5. Газогенератор;
6. Рама;
7. Клапан пуска окислителя;
8. Клапан пуска горючего;
9. Клапан окислителя газогенератора;
10. Клапан горючего газогенератора;
11. Клапан горючего камеры;
12. Регулятор;
13. Цапфа;
14. Цапфа;
15 Траверса;
16. Траверса;
17. Донная защита;
18. Цилиндрический проем;
19. Тяга;
20. Привалочная плоскость рамы;
21. Продольная ось симметрии многокамерного жидкостного двигателя;
22. Кольцевой бурт;
23. Сферический блистер;
24. Цилиндрическая обечайка цилиндрического проема донной защиты;
25. Кольцевой зазор;
26. Продольная ось симметрии камеры;
27. Цилиндрическая профильная вставка;
28. Трубчатый кольцевой бандаж;
29. Стенка донной защиты;
30. Цилиндрическая втулка;
31. П-образный профильный стержень;
32. Регулировочный элемент;
33. Фиксатор конечного положения;
34. Часть профильного стержня, ориентированная к продольной оси симметрии двигателя;
35. Центральная часть донной защиты;
36. Z-образный кронштейн;
37. Шпилька;
38. Гайка;
39. Полка;
40. Проушина;
41. Рулевая машинка.
Многокамерный жидкостный ракетный двигатель содержит несколько, например, четыре, камеры 1 с соплами 2 и их срезами 3, турбонасосный агрегат 4, который выполнен общим для всех камер 1, газогенератор 5, раму 6, агрегаты автоматики, включающие клапан пуска окислителя 7, клапан пуска горючего 8, клапан окислителя 9 и горючего 10 для питания газогенератора 5, клапан горючего 11 на линии питания камеры 1 и регулятор 12 на линии горючего питания газогенератора 5. В камерах 1 выполнены цапфы 13 и 14, взаимодействующие с траверсами 15 и 16, установленными в нижней части рамы 6. Донная защита 17 установлена в нижней части многокамерного жидкостного ракетного двигателя, содержит цилиндрические проемы 18. Донная защита 17 закреплена за нижнюю часть рамы 5 с помощью тяг 19 параллельно привалочной плоскости 20 рамы 5. Цилиндрические проемы 18 донной защиты 17 выполнены равномерно вокруг продольной оси симметрии 21 многокамерного жидкостного двигателя. Камеры 1 установлены своими соплами 2 в цилиндрических проемах 18. Причем, установка камер 1 в цилиндрических проемах 18 выполнена по местам сборки камер 1 цапфами 13 и 14 в траверсах 15 и 16, далее траверс 15 и 16 в раме 5. Кроме того, камеры 1 выполнены в пределах назначенных допусков и фактической точности технологического оборудования. Камеры 1 с соплами 2, с цапфами 13 и 14 выполнены с возможностью качания в траверсах 15 и 16. Траверсы 15 и 16 соединены с рамой 5. На внешних частях сопел 2 камер 1 выполнены кольцевые бурты 22. На внешних частях сопел 2 установлены сферические блистеры 23, взаимодействующие с цилиндрическими обечайками 24 цилиндрических проемов 18 донной защиты 17 с образованием кольцевых зазоров 25 между ними. Кольцевой бандаж 26 на периферии донной защиты 17, равномерно связан с рамой 6 одной группой тяг 19, попарно и симметрично расположенных относительно проемов 18, и в центральной части донной защиты 17 с рамой в ее центральной части другой группой тяг 19. Над цилиндрическими проемами 18 донной защиты 17 и эквидистантно цилиндрическим профилям 27 вырезов кольцевых проемов 18 и их цилиндрическим обечайкам проемов 18 донной защиты 17 установлены кольцевые трубчатые кольцевые бандажи 28, связанные жестко со стенкой 29 листовой донной защиты 17 с помощью равномерно расположенных по поверхности трубчатых бандажей 28 цилиндрических втулок 30, а боковыми частями, ориентированными к продольной оси симметрии двигателя 21, - с помощью фасонных П-образных профильных стержней 31, с установленными на последних регулировочными элементами 32 вертикальных перемещений вдоль продольной оси двигателя и фиксаторами конечных положений 33 на расположенных к продольной оси двигателя концах 34 фасонных П-образных профильных стержней 31, взаимодействующими с трубчатым кольцевым бандажом 28 в центральной части 35 донной защиты 17. Регулировочные элементы 32 выполнены в виде Z-образных кронштейнов 36 со шпильками 37 и гайками 38 на полках 39 и на ориентированных к продольной оси симметрии двигателя 21 частях 34 П-образных профильных стержней 31 проушинами 40. Для управления вектором тяги в многокамерном жидкостном ракетном двигателе установлены рулевые машинки 41, взаимодействующие с одной стороны с рамой 6, а другой - с камерами 1 в их верхней части.
Многокамерный жидкостный ракетный двигатель работает следующим образом. При окончательной сборке перечисленных выше входящих в многокамерный жидкостный ракетный двигатель узлов и деталей контролируется равномерность кольцевых зазоров 25 между сферическими блистерами 23 и цилиндрическими обечайками 24 цилиндрических проемов 18 донной защиты 17. При сборке кольцевой зазор 25 между сферическим блистером 23 и цилиндрической обечайкой проема донной защиты 24 даже в пределах допустимых размеров получается неравномерным по высоте и диаметру цилиндрического проема 18 в конце всего процесса сборки с уже готовыми собранными сферическими блистерами 23 на соплах 2 камер 1, траверсами 15 и 16 и рамой 6. Причем, для каждой камеры 1 кольцевые зазоры 25 получаются со своими размерами как по высоте так и по диаметрам. За счет регулировочных элементов 32, а именно шпилек 37 и гаек 38 фасонные П-образные профильные стержни 31 перемещаются проушинами 40 вдоль продольной оси симметрии 21, опираясь на Z-образные кронштейны 36 и таким образом вместе с тягами 19 и трубчатыми кольцевыми бандажами 28 обеспечивают регулировку размеров кольцевых зазоров 25 для каждой камеры 1 в отдельности в пределах упругих деформаций стенки донной защиты 29 по высоте. При достижении необходимых размеров кольцевого зазора 25 регулировочные элементы 32 с помощью фиксаторов конечного положения 33 фиксируются, причем на каждой камере 1 в отдельности, чем обеспечиваются минимальные равномерные кольцевые зазоры 25 на всех камерах 1 в отдельности вне зависимости друг от друга. Это уменьшает тепловое воздействие продуктов сгорания камер 1 на агрегаты двигателя в отсеке за донной защитой 17 при возвратном течении их от срезов сопел 2 за счет обеспечения уменьшения монтажных кольцевых зазоров 25 между сферическими блистерами 23 и цилиндрическими проемами 18 донной защиты 17 и повышения жесткости донной защиты 17 с одновременным обеспечением регулировки профиля донной защиты при сборке под выполненные положения камер 1 и их сферических блистеров 23.
В полете многокамерный жидкостный ракетный двигатель работает следующим образом. Окислитель поступает от клапана пуска окислителя 7 в турбонасосный агрегат 4, а далее через клапан окислителя 9 в газогенератор 5. Горючее поступает от клапана пуска горючего 8 в турбонасосный агрегат 4, а далее через капан горючего 10 и регулятор 12 в газогенератор 5. Продукты сгорания из газогенератора 5 поступают на турбину турбонасосного агрегата 4, а далее на четыре камеры 1.
Кроме того, горючее поступает от турбонасосного агрегата 4 через дроссель 50 и клапан горючего 11 на охлаждение камер 1. Управление вектором тяги осуществляется отклонением камер 1 в траверсах 15 и 16 с помощью рулевых машинок 41. За счет корректировки кольцевых зазоров 25 между сферическими блистерами 23 и цилиндрическими обечайками 24 цилиндрических проемов 18 донной защиты 17 не происходит превышение газодинамического и теплового воздействия продуктов сгорания камер 1 на двигательный отсек за донной защитой 17.
Применение предлагаемого технического решения уменьшает тепловое воздействие продуктов сгорания камер на агрегаты двигателя в отсеке за донной защитой при возвратном течении их от срезов сопел за счет уменьшения монтажных кольцевых щелевых зазоров между блистерами и цилиндрическими проемами донной защиты с обеспечением равномерных кольцевых зазоров, чем обеспечивается расчетная рабочая температура агрегатов и надежность их работы.