Раздвижное сопло ракетного двигателя (варианты)
ROCKET ENGINE EXTENSION NOZZLE (VERSIONS)

Изобретение относится к ракетной технике и может быть использовано при создании ракетных двигателей, в частности, сопел большой степени расширения с телескопически складываемым раструбом. Переменная степень расширения позволяет увеличить длину сопла в полете, сократить габариты ракеты и проводить наземные огневые испытания для отработки раздвижки сопла без создания устройств, имитирующих высотные условия работы двигателя.
Известен сопловой насадок, патент РФ №2293868 от 20.02.2007 г., в котором на цилиндрическую вставку установлен кольцевой щиток. Раздвижка производится во время работы двигателя. При этом газовая струя продуктов сгорания топлива, взаимодействуя с цилиндрической вставкой и щитком, создает газодинамическую силу, которая обеспечивает движение и раздвижку насадков.
Основным недостатком такого соплового насадка является низкая надежность, связанная с необходимостью определения и подтверждения газодинамической силы на цилиндрической вставке и щитке при наземных огневых стендовых испытаниях двигателя. Испытания проводятся с имитацией высотных условий, т.е. с созданием разрежения вокруг насадков и сопла, соответствующего условиям полета верхних ступеней ракеты, где обычно и применяются сопла с выдвигаемыми насадками.
Известен так же патент США 2967393, МПК F02K 9/06, в котором на неподвижной камере сгорания жидкостного ракетного двигателя установлен конический раструб с участком наружной цилиндрической поверхности, на который опирается своей внутренней цилиндрической поверхностью телескопически выдвигаемый, конический насадок. Привод выдвижения насадка (с использованием энергии сжатого газа) выполнен в виде блока гидроцилиндров, симметрично расположенных по периферии неподвижной камеры, жестко соединенных с ее цилиндрической направляющей поверхностью и кольцевым выступом выдвигаемого конического насадка. Длина направляющей цилиндрической поверхности неподвижной камеры больше длины пути выдвижения насадка, а диаметр цилиндрической направляющей поверхности насадка равен наибольшему диаметру неподвижной части раструба камеры сгорания. Фиксация подвижного насадка в рабочем положении осуществляется упорами в гидроцилиндрах в конце рабочего хода поршня.
Основным недостатком конструкции является низкая надежность, связанная с тем, что данная конструкция характеризуется большой трудоемкостью в изготовлении из-за необходимости точного изготовления поршневых пар гидроцилиндров для обеспечения осесимметричного приложения усилия выдвижения на гидроцилиндрах, что увеличивает расходы на изготовление. Конструкция не предусматривает сбрасывание элементов направленного выдвижения раструба в рабочее положение, и это приводит к повышению полетной массы конструкции, ухудшает коэффициент весового совершенства сопла и двигателя в целом.
Ближайшим аналогом заявленного изобретения является конструкция раздвижного сопла, описанная в книге Фахрутдинов И.Х., Котельников А.В. - Конструкция и проектирование ракетных двигателей твердого топлива - 1987 на с. 142. Издательство «Машиностроение» 1987.
Раздвижное сопло состоит изнеподвижного раструба, источника давления, системы пневмоцилиндров, двух отдельных конических элементов-насадков, соосное выдвижение которых обеспечивается шарнирно-кулисным механизмом, соединенным с насадками четырьмя пневмоцилиндрами, которые расположены в основании неподвижного раструба симметрично оси сопла с шагом 90°. Пневмоцилиндры имеют телескопическую конструкцию и в сложенном состоянии располагаются под большим углом к оси сопла. Концевые фланцы неподвижного раструба и ближайшего к нему насадка имеют цилиндрические участки с уплотнительным кольцом, которое в разложенном положении поджимается и создает необходимую герметичность стыка и фиксацию при помощи защелок-фиксаторов, расположенных с соответствующих пазах на неподвижном раструбе и ближайшем к нему насадке по всей цилиндрической поверхности, они фиксируют насадки в конечном положении. Реализация раздвижения насадков - вдув через гибкие трубки рабочего газа, вырабатываемого газогенератором, в полости пневмоцилиндров.
Основным недостатком ближайшего аналога является низкая надежность, что связано с тем, что необходимы фиксирующие устройства, наличие которых может привести к неодновременному преодолению или несвоевременному сходу с них насадков. Так же существует возможность перекоса насадков из-за заклинивания одного из пневмоцилиндров при раздвижении. Фиксаторы придают дополнительную массу конструкции.
Технической задачей, вытекающей из критики аналогов, является увеличение надежности раздвижения и фиксации насадков в начальном и конечном положении.
Задача решается за счет того, что раздвижное сопло ракетного двигателя, содержащее неподвижный раструб, источник давления, не менее двух выдвигаемых конических насадков, систему пневмоцилиндров, связанную пневматически с источником давления, основанием закрепленную на неподвижном раструбе, шарнирно-кулисный механизм, соединенный с пневмоцилиндрами и насадками, обеспечивающий соосность выдвижения насадков, уплотнительные кольца, расположенные на цилиндрических участках концевых фланцев неподвижного раструба и ближайшего к нему насадка, защелки-фиксаторы, расположенные на неподвижном раструбе и ближайшем к нему насадке, при этом источник давления снабжен возможностью достигать давление ниже атмосферного вплоть до вакуума через клапан в полости пневмоцилиндров, наиболее удаленной от крайнего насадка в разложенном положении.
Количество пневмоцилиндров может быть равно трем и они расположены симметрично оси сопла с шагом 120°.
В качестве защелок-фиксаторов могут выступать упругие пластины, работающие на изгиб, расположенные между пневмоцилиндрами и неподвижным раструбом, и ближайшем к нему насадке в соответствующих пазах.
Задача решается за счет того, что в раздвижном сопле ракетного двигателя, содержащем неподвижный раструб, источник давления, не менее двух выдвигаемых конических насадков, систему пневмоцилиндров, основанием закрепленную на неподвижном раструбе, шарнирно-кулисный механизм, соединенный с пневмоцилиндрами и насадками, обеспечивающий соосность выдвижения насадков, уплотнительные кольца, расположенные на цилиндрических участках концевых фланцев неподвижного раструба и ближайшего к нему насадка, защелки-фиксаторы, расположенные на неподвижном раструбе и ближайшем к нему насадке, в качестве источника давления используются медленно горящие управляемые твердотопливные заряды, расположенные в полости пневмоцилиндров, наиболее удаленной от насадка, а так же в полости пневмоцилиндров, наиболее удаленной от крайнего насадка в разложенном положении, создана возможность достигать давление ниже атмосферного вплоть до вакуума через клапан с фиксатором.
Количество пневмоцилиндров может быть равно трем и они расположены симметрично оси сопла с шагом 120°;
В качестве защелок-фиксаторов могут выступать упругие пластины, работающие на изгиб, расположенные между пневмоцилиндрами и неподвижным раструбом, и ближайшем к нему насадке в соответствующих пазах.
Технический результат, достигаемый в результате реализации изобретения - это увеличение надежности за счет упрощения конструкции, уменьшения элементов конструкции, фиксирующих насадки в различных положениях.
Предлагаемое изобретение поясняется чертежами:
Фиг. 1. Раздвижное сопло в сложенном состоянии;
Фиг. 2. Раздвижное сопло вид спереди;
Фиг. 3. Раздвижное сопло в разложенном состоянии;
На фиг. 1, 2, 3 обозначены: телескопический шток пневмоцилиндра первого плеча 1, телескопический шток пневмоцилиндра второго плеча 2, пневмоцилиндр 3, шарнирно-кулисный механизм 4, неподвижный раструб 5, насадки 6 и 7, защелки-фиксаторы 8, уплотнительные кольца 9 и клапан 10.
Раздвижное сопло ракетного двигателя, содержащее источник давления, связанный пневматически при помощи гибких трубок с тремя пневмоцилиндрами (см. фиг. 1), основанием закрепленными на неподвижном раструбе (5), состоящими из телескопического штока пневмоцилиндра первого плеча (1), телескопического штока пневмоцилиндра второго плеча (2) и пневмоцилиндра (3), два выдвигаемых конических насадка (6, 7), которые соединены с системой пневмоцилиндров при помощи шарнирно-кулисного механизма (4), обеспечивающего соосность выдвижения насадков (6, 7), источник давления снабжен возможностью достигать давление ниже атмосферного вплоть до вакуума через клапан (10) в полости пневмоцилиндров (3), наиболее удаленной от насадка (7), уплотнительные кольца (9), расположенные на концевых фланцах неподвижного раструба (5) и ближайшем к нему насадке (6), защелки-фиксаторы (8) в виде упругих пластин, работающих на изгиб, расположенные между пневмоцилиндрами и неподвижным раструбом (5), и ближайшем к нему насадке (7) в соответствующих пазах. Так же в интересах повышения надежности, либо невозможности использования внешнего источника давления, в качестве источника давления могут выступать медленно горящие управляемые твердотопливные заряды, расположенные в полости пневмоцилиндров (3), наиболее удаленной от насадка (7), причем в полости пневмоцилиндров (3), наиболее удаленной от насадка (7) создана возможность достигать давление ниже атмосферного вплоть до вакуума через клапан (10) с фиксатором (см. фиг. 2, 3).
Размер пневмоцилиндров и требуемое разряжение в них выбирается исходя из массы подвижной части конструкции и внешних условий нагружения.
Система пневмоцилиндров, состоящая из телескопического штока пневмоцилиндра первого плеча (1), телескопического штока пневмоцилиндра второго плеча (2) и пневмоцилиндра (3), играет роль направляющих, для соосного раздвижения, чтобы исключить возможность перекоса насадков (6, 7). Толщины стенок пневмоцилиндра (3) и телескопических штоков пневмоцилиндров (1, 2) должны быть прочными под действием давления во всех рабочих диапазонах. Между стенками пневмоцилиндра (3) и телескопического штока пневмоцилиндра второго плеча (2) и телескопического штока пневмоцилиндра первого плеча (1) должны быть зазоры, позволяющие обеспечить свободных ход и выдвижение без заклинивания и перекоса. Используются необходимые поршневые уплотнения, штоковые уплотнения, защитные и опорные кольца, манжеты для обеспечения герметизации в полостях пневмоцилиндров (3) и поддержания давление ниже атмосферного вплоть до вакуума.
Защелки-фиксаторы (8) в виде упругих пластин, работающие на изгиб, должны иметь коэффициент жесткости, обеспечивающий надежность прохождения и прижатие к уплотнительным кольцам (9) насадков (6, 7).
Работает раздвижное сопло следующим образом. Благодаря рассчитанному воздействию давления в полости пневмоцилиндров (3), наиболее удаленной от насадка (7), то есть создание давления ниже атмосферного вплоть до вакуума, который выбирается исходя из его удобств создания и поддержания, обеспечивается правильная работа конструкции раздвижного сопла, как в транспортном положении, так и на этапе работы у земли, таким образом никакие внешние воздействия не позволяют ей преждевременно выйти из сложенного состояния. Выдвижение производится по команде от системы управления. В данной конструкции принята реализация схемы холодной раздвижки, где необходим интервал времени между разделением ступеней и запуском двигателя. В общем случае этот интервал, являющийся неуправляемым участком полета, составляет для различного класса ракет 0,05-1,0 с. Боковые силы, действующие на насадки (6, 7) и стремящиеся вывести их из соосного положения с раструбом неподвижным (5), воспринимаются тремя направляющими системами пневмоцилиндров. Срабатывает воспламенитель источника давления - газогенератора, вырабатывается газогенераторный газ, который одновременно, с одной скоростью подается в полости трех пневмоцилиндров (3) через гибкие трубки, в которых при помощи источника давления через клапан (10) достигнуто давление ниже атмосферного вплоть до вакуума. Создается перепад давления в полости трех пневмоцилиндров (3), происходит страгивание и соосное выдвижение насадков (6, 7), под действием давления, оказываемого газом на стенки пневмоцилиндров, а также сил, действующих в натуральных условиях.
Так же в качестве источника давления могут выступать медленно горящие управляемые твердотопливные заряды, расположенные в полости пневмоцилиндров (3), наиболее удаленной от насадка (7), причем в полости пневмоцилиндров (3), наиболее удаленной от насадка (7) создана возможность достигать давление ниже атмосферного вплоть до вакуума через клапан (10) с фиксатором. После срабатывания инициирующего устройства, одновременно воспламеняются медленно горящие управляемые твердотопливные заряды. Создается перепад давления в полости трех пневмоцилиндров (3), происходит страгивание и соосное выдвижение насадков (6, 7) под действием давления, оказываемого газом на стенки пневмоцилиндров (3), а также сил, действующих в натуральных условиях.
Регулируя давление в полостях пневмоцилиндров (3) можно задать любой закон движения (скорость) по мере выдвижения насадков (6, 7). В конечном положении насадки (6, 7) оказываются после прохождения защелок-фиксаторов (8), концевые части которых наталкиваются на выступы в основании насадков (6, 7), надежно прилегают к цилиндрическим участкам концевых фланцев с уплотнительными кольцами (9), создавая необходимую герметичность стыка. Нужно выработать такую энергию присоединения, которая сможет придать конструкции надежность, затратив на раздвижение требуемое количество времени. Данный процесс происходит одноразово.
Таким образом, предлагаемая конструкция раздвижного сопла ракетного двигателя позволяет увеличить надежность, обеспечивает четкое безлюфтовое фиксирование выдвигаемых насадков, уменьшение длины ракеты и снизить массу конструкции. Точность срабатывания фиксации насадков зависит от надежности страгивания и безотказной работы шарнирно-кулисного механизма в натуральных условиях; надежной фиксации насадков в рабочем положении после выдвижения; реализации требуемого времени выдвижения; обеспечении минимальных возмущающих воздействий на изделие при выдвижении и фиксации насадков.