РАКЕТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА
SOLID FUEL ROCKET ENGINE

Изобретение относится к ракетной технике и предназначено для использования в ракетах систем залпового огня.
Одной из основных задач, решаемых при создании ракетных двигателей твердого топлива (РДТТ), является обеспечение высоких энергетических характеристик, что обусловливает, в частности, применение зарядов с высокой плотностью заполнения, в том числе секционных зарядов.
Известна конструкция РДТТ, включающая корпус, воспламенитель и секционный заряд (см. книгу Ерохина Б.Т. Теория внутрикамерных процессов и проектирование РДТТ. - М.: Машиностроение, 1991, с. 16, рис. 1.10).
Задачей данного технического устройства явилась разработка РДТТ с секционным зарядом с высокой плотностью заполнения.
Общими признаками с предлагаемым РДТТ является наличие в нем секционного заряда, корпуса и сопла.
Недостатком данной конструкции является применение в заряде секций малого относительного удлинения, что снижает коэффициент заполнения камеры сгорания топливом ввиду наличия большого числа межсекционных объемов.
Наиболее близкой по технической сути и достигаемому результату является РДТТ реактивного снаряда систем залпового огня (см. книгу Кэрт Б.Э. и др. Разделение неуправляемых снарядов систем залпового огня. - М.: Машиностроение, 2008, с. 417), содержащий заряд с секциями большого относительного удлинения, корпус с защитно-крепящим слоем и сопло, принятый авторами за прототип. В данном техническом решении использованы секции большого относительного удлинения, что позволило обеспечить высокую плотность заполнения камеры сгорания топливом.
Известный РДТТ работает следующим образом. После подачи электрического импульса происходит срабатывание воспламенителя и зажжение секций заряда. Продукты сгорания истекают из сопла, создавая реактивную силу.
Однако применение данного технического решения для разрабатываемого РДТТ большого относительного удлинения с повышенными плотностями заполнения топливом (по сравнению с прототипом) и высокими энергетическими характеристиками топлива показало наличие существенных технических недостатков. Эти недостатки связаны с тем, что при повышении плотности заполнения топливом за счет уменьшения проходного сечения каналов секций уменьшается начальная поверхность горения, что приводит к уменьшению давления в РДТТ и тяги РДТТ, а следовательно, к недопустимому уменьшению скорости схода ракеты с направляющей, что ухудшает точность стрельбы. Указанное обстоятельство является ограничением, препятствующим повышению энергетических характеристик РДТТ за счет увеличения плотности заполнения топливом. Кроме этого, как показали результаты испытаний, при применении современных высокоэнергетических топлив в данном РДТТ возникают акустические колебания ввиду наличия условий, способствующих их появлению (большое относительное удлинение), приводящие к нестабильному горению, вызывающему в ряде случаев демонтаж РДТТ.
Таким образом, задачей данного технического решения (прототипа) явилось создание РДТТ с высокой плотностью заполнения топливом.
Общими с предлагаемым устройством является наличие в РДТТ корпуса с защитно-крепящим слоем, сопла и секционного заряда с секциями большого относительного удлинения.
В отличие от прототипа в предлагаемом РДТТ донная секция заряда выполнена из топлива с увеличенной скоростью горения по сравнению со скоростью горения остальных секций заряда, а один из межсекционных объемов выполнен в виде кольцевой полости Т-образного сечения, образованной торцами секций заряда, манжетами и втулкой, прилегающей к корпусу, выполненных из композиционных материалов с высокой степенью демпфирования акустических колебаний.
Именно это позволяет сделать вывод о наличии причинно-следственной связи между совокупностью существенных признаков заявляемого технического решения и достигаемым техническим результатом.
Указанные признаки, отличительные от прототипа и на которые распространяется испрашиваемый объем правовой охраны, во всех случаях достаточны.
Задачей предлагаемого изобретения является повышение энергетических характеристик РДТТ при обеспечении надежности функционирования.
Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известном РДТТ, содержащем корпус с защитно-крепящим слоем, сопло и секционный заряд с секциями большого относительного удлинения с манжетами, особенность заключается в том, что донная секция заряда выполнена из топлива с увеличенной скоростью горения по сравнению со скоростью горения остальных секций заряда, а один из межсекционных объемов выполнен в виде кольцевой полости Т-образного сечения, образованной торцами секций заряда, манжетами и втулкой, прилегающей к корпусу, выполненных из композиционных материалов с высокой степенью демпфирования акустических колебаний.
Новая совокупность конструктивных элементов, а также наличие связей между ними позволяет в частности за счет:
- выполнения донной секции заряда из топлива с увеличенной скоростью горения по сравнению со скоростью горения остальных секций заряда обеспечить за счет увеличения газоприхода от донной секции резкое увеличение скорости продуктов сгорания на входе в остальные секции заряда и в каналах зарядов, что приводит к резкому увеличению эрозионной (турбулентной) скорости горения, а следовательно, и резкому увеличению газоприхода от горящей поверхности секций заряда, увеличению давления в РДТТ и тяги РДТТ и скорости схода ракеты с направляющей. Это позволяет увеличить коэффициент заполнения РДТТ топливом, а следовательно, увеличить энергетические характеристики РДТТ без снижения скорости схода ракеты с направляющей. При расположении быстрогорящей секции у переднего дна РДТТ снижается тепловой режим РДТТ по сравнению с вариантом размещения быстрогорящей секции у сопла. Это объясняется тем обстоятельством, что теплоотдача от продуктов сгорания к корпусу РДТТ после сгорания быстрогорящей секции при донном расположении происходит в условиях свободной конвекции (скорость движения продуктов сгорания близки к нулевому значению), а при сопловом расположении - в условиях вынужденной конвекции (скорость движения продуктов сгорания до 400 м/с. Указанное обстоятельство также обеспечивает надежность функционирования РДТТ;
- выполнения одного из межсекционных объемов в виде кольцевой полости Т-образного сечения, образованной торцами секций заряда, манжетами и втулкой, прилегающей к корпусу, выполненных из композиционных материалов с высокой степенью демпфирования акустических колебаний, обеспечить эффективное гашение низкочастотных и высокочастотных колебаний, продольной, поперечной и тангенциальной формы.
Признаки, отличающие предлагаемое техническое решение от прототипа, не выявлены в других технических решениях и не известны из уровня техники в процессе проведения патентных исследований, что позволяет сделать вывод о соответствии изобретения критерию «новизна».
Исследуя уровень техники в ходе проведения патентного поиска по всем видам сведений, доступных в странах бывшего СССР и зарубежных странах, обнаружено, что предлагаемое техническое решение явным образом не следует из известного уровня техники, следовательно, можно сделать вывод о соответствии критерию «изобретательский уровень».
Сущность изобретения заключается в том, что в ракетном двигателе твердого топлива, содержащем корпус с защитно-крепящим слоем, сопло, секционный заряд с секциями большого относительного удлинения с манжетами, согласно изобретению донная секция заряда выполнена из топлива с увеличенной скоростью горения по сравнению со скоростью горения остальных секций заряда, а один из межсекционных объемов выполнен в виде кольцевой полости Т-образного сечения, образованной торцами секций заряда, манжетами и втулкой, прилегающей к корпусу, выполненных из композиционных материалов с высокой степенью демпфирования акустических колебаний.
Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором изображен предлагаемый РДТТ с частичным вырезом.
Предлагаемый РДТТ содержит корпус 1 с защитно-крепящим слоем 2, донную секцию заряда 3, промежуточную секцию 4, манжеты 5, втулку 6, торцевые манжеты 7, сопловую секцию 8, сопло 9. Донная секция заряда 3 выполнена из топлива с увеличенной скоростью горения по сравнению со скоростью горения остальных секций заряда (4 и 8), а один из межсекционных объемов выполнен в виде кольцевой полости Т-образного сечения, образованной торцами промежуточной и сопловой секций 4 и 8, манжетами 5 и 7 и втулкой 6, причем манжеты 5 и 7 и втулка 6 выполнены из композиционных материалов с высокой степенью демпфирования акустических колебаний.
Предложенное устройство работает следующим образом. После подачи электрического импульса происходит зажжение секций 3, 4, 8, продукты сгорания которых движутся к соплу 9 и истекают из него, создавая тягу. За счет выполнения донной секции 3 из топлива с увеличенной скоростью горения по сравнению со скоростями горения секций 4 и 8 скорость втекания продуктов сгорания секции 3 в канал секции 4 и при движении по каналам секций 4 и 8 значительно (в 2…3 раза) превышает пороговые значения скорости эрозионного горения, чем обеспечивается горения секций 4 и 8 в условиях развитого эрозионного горения и увеличения скорости горения секций 4 и 8 в 1,3…1,8 раза. Это позволяет обеспечить требуемый уровень давления и тяги РДТТ даже при условиях высокой плотности заполнения, при уменьшенных диаметрах канатов секций 4 и 8 и уменьшенной поверхности горения секций 4 и 8. За счет размещения быстрогорящей донной секции 3 у переднего дна корпуса 1, где после сгорания донной секции 3 скорости газа близки к нулевому значению, минимизируется нагрев корпуса 1. За счет выполнения межсекционного объема в виде полости Т-образного сечения, образованного торцами секций 4 и 8, манжетами 5 и 7 и втулкой 6, прилегающей к корпусу 1, выполненных из композиционных материалов с высокой степенью демпфирования акустических колебаний, достигается согласно экспериментальным данным эффективное гашение колебаний продольной, поперечной и тангенциальной формы в РДТТ большого относительного удлинения с высокой плотностью заполнения и высокоэнергетическими топливами, склонными к нестабильному горению.
Выполнение ракетного двигателя твердого топлива в соответствии с изобретением позволило повысить энергетические характеристики РДТТ при обеспечении надежности функционирования.
Изобретение может быть использовано при разработке различных ракетных двигателей твердого топлива, в том числе к ракетам для реактивных систем залпового огня.
Указанный положительный эффект подтвержден испытаниями опытных образцов двигателей, выполненных в соответствии с изобретением.
В настоящее время разработана конструкторская документация, проведены государственные испытания, намечено серийное производство.