СОПЛОВОЙ БЛОК СО СМЕЩЕНИЕМ КОНТУРА

Предлагаемая полезная модель относится к области ракетостроения, в частности, к жидкостным ракетным двигателям и предназначено для повышения среднего по траектории полета удельного импульса двигателя.
Известен сопловой блок с круглым насадком, состоящий из четырех или более земных сопел, расположенных по окружности, и высотного круглого насадка, выполненного в виде усеченного конуса, охватывающего земные сопла, а в месте внешнего стыка насадка со срезом земных сопел образованы щели, отличающийся тем, что входная часть насадка выполнена огибающей земные сопла по их внешнему контуру, при этом в месте стыка высотного насадка со срезами земных сопел образован излом контура соплового блока, а в месте излома контура организована узкая кольцевая щель с параллельными оси насадка стенками, при этом насадок соединен с земными соплами с помощью установленных ребрами пластин - пилонов, расположенных на одинаковом расстоянии друг от друга параллельно оси насадка (см. патент РФ №119816 на полезную модель ″Сопловой блок с круглым насадком″, 2012 г., МКИ F02K 1/52).
На старте ракеты через щели, образованные между срезами земных круглых сопел и входной частью общего круглого насадка, атмосферный воздух поступает во внутрь насадка. Струи атмосферно воздуха препятствуют перерасширению газового потока в круглом насадке и скачки уплотнения располагаются на срезах круглых сопел. В этом случае тяговые стенки насадка отключаются, то есть они не участвуют в создании тяги двигательной установки. Таким образом, сопловой блок в плотных слоях атмосферы работает на расчетном режиме.
При полете ракеты в высотных слоях атмосферы (снижении атмосферного давления) скачки уходят со срезов земных сопел и перемещаются на срез общего круглого насадка. В результате высотный насадок заполняется полностью потоком газа и включается в работу соплового блока. Таким образом, сопловой блок становится высотным и он вновь работает на расчетном режиме.
Недостатком такого технического решения является то, что в известном сопловом блоке ракетного двигателя из-за наличия кольцевой щели, образованной между обечайками земных круглых сопел и входной частью высотного насадка, при его работе на высоте (в условиях пониженного атмосферного давления) будет вытекать через щель струя горячего газа, что может вызвать дополнительную тепловую нагрузку на защитный экран от горячих струй, установленный вблизи срезов земных круглых сопел (фиг.3).
Целью данной полезной модели является повышение надежности работы соплового блока ракетного двигателя.
кр
кр
Цель достигается тем, что в сопловом блоке ракетного двигателя, состоящем из четырех или более земных круглых сопел, расположенных по окружности, и высотного насадка, выполненного в виде усеченного конуса, вер-шина которого охватывает земные круглые сопла, а его ось расположена параллельно осям сопел, при этом в месте стыка высотного насадка со срезами круглых сопел образован излом контура соплового блока, согласно полезной модели контур насадка в месте излома смещен относительно оси соплового блока во внешнюю сторону на расстояние от срезов круглых сопел h=(0,05÷0,5)R, где R - радиус критического сечения круглых сопел.
При организации в месте излома смещения контура насадка относительно оси соплового блока происходит принудительный отрыв потока газа за счет существенного разрыва контура соплового блока. При этом донная область за уступом открыта и свободно общается с атмосферой через срез сопла, в результате происходит повышение давления в донной области внутри насадка. В этом случае скачок уплотнения удерживается на срезах земных сопел, препятствуя перерасширению газа внутри насадка, следовательно, снижаются потери тяги из-за перерасширения газа внутри высотного насадка.
При работе соплового блока в условиях пониженного атмосферного давления (на высоте) из-за глухой стенки утечки газа в месте излома не произойдет, что исключит дополнительную нагрузку на защитный экран. При этом из-за смещения стенки соплового блока во внешнюю сторону на этих режимах возникнет донная область, которая незначительно повлияет на тяговую его характеристику.
На фиг.1 изображено продольное сечение соплового блока со смещением контура во внешнюю сторону.
На фиг.2 изображен сопловой блок со смещением контура со стороны выходного сечения круглого насадка.
На фиг.3 приведена картина течения потока газа при работе на высоте щелевого сопла (утечка газа).
На фиг.4 приведена картина течения в сопле с изломом контура при работе на земле;
На фиг.5 приведена картина течения в сопле с изломом контура при работе на высоте.
Сопловой блок ракетного двигателя с круглым насадком состоит из земных круглых сопел 1, расположенных по окружности, высотного круглого насадка 2, выполненного в виде усеченного конуса, охватывающего земные сопла 1, входная часть насадка 2 выполнена огибающей земные сопла 1 по их внешнему контуру. При этом в месте стыка высотного насадка 2 со срезами земных сопел 1 имеет место смещение контура 3 соплового блока.
Заявляемый сопловой блок ракетного двигателя со смещенным контуром работает следующим образом.
Продукты сгорания компонент топлива разгоняются и расширяются внутри земных сопел 1. Перерасширению сверхзвукового потока в круглом насадке 2 препятствует смещение контура 3, в результате чего происходит отрыв потока газа со срезов круглых сопел. При этом высотный насадок не участвует в работе сопла и не создает дополнительных потерь тяги, т.к. контур смещен относительно оси соплового блока.
Благодаря принудительному отрыву газового потока на срезах земных сопел 1, не наступает перерасширения газа внутри круглого насадка 2 и на старте ракеты с Земли сопловой блок ракетного двигателя работает на расчетном режиме.
кр
кр
При смещении контура насадка относительно оси соплового блока на расстоянии от срезов круглых сопел h≤0,05R, где R - радиус критического сечения круглых сопел, контур соплового блока превратится в контур сопла с изломом контура, что приведет к не очень длительной задержке скачка уплотнения на кромке круглых сопел. В результате существенного выигрыша в тяге не произойдет, т.к. перерасширение газа внутри насадка полностью не снимется из-за быстрого перехода скачков на выходное сечения насадка.
кр
кр
В интервале значений расстояния от срезов круглых сопел h=(0,05÷0,5)R, где R - радиус критического сечения круглых сопел, наблюдается положительный прирост тяги, так как по мере подъема ракеты на высоту снижается, как известно, атмосферное давление, в результате чего на кромках земных сопел 1 наступает течение Прандтля - Майера, то есть разворот сверхзвукового потока вокруг острой кромки (вокруг срезов земных сопел 1). В этом случае скачок уплотнения продолжает находиться на срезах круглых сопел, препятствуя перерасширению газа внутри высотного насадка. Поток на кромках земных сопел 1 разворачивается до тех пор, пока линия тока не коснется стенки высотного круглого насадка 2. В этом случае скачки уплотнения перескочат с кромок круглых сопел сразу на срез круглого насадка 2, в результате чего круглый насадок 2 включается в работу и сопловой блок вновь работает на расчетном режиме. Разворот занимает время, достаточное для достижения во время полета вблизи Земли (в плотных слоях амтосферы) максимального удельного импульса двигательной установки.
кр
При смещении контура насадка относительно оси соплового блока на расстоянии от срезов круглых сопел h≥0,5 R из-за слишком большого смещения контура насадка возникнут большие потери в тяге, когда сопловой блок полностью запустится, то есть когда он будет работать на расчетном режиме.
Таким образом, сопловой блок становится двухрежимным, он одинаково хорошо работает как на Земле, так и на высоте (в верхних слоях атмосферы).
В таблице №1 приведены тяговые характеристики двигателя, снабженного общим высотным насадком, в результате чего образуется сопловой блок состоящий из четырех земных круглых сопел и общего насадка, охватывающего обечайки круглых сопел. При этом в одном случае в месте излома контура соплового блока организована узкая кольцевая щель, а в другом - имеет место смещение контура во внешнюю сторону относительно оси соплового блока.
Результаты расчетов показали, что тяговые характеристики соплового блока со смещение контура немного уступают (0,06%) тяговым характеристика соплового блока с кольцевой щелью, но надежность работы двигательной установки с таким сопловым блоком возрастает, т.к. отсутствует утечка газа через кольцевую щель, которая внесла бы дополнительную тепловую нагрузку на защитный экран.
Таблица №1
Тяговые характеристики двигателя
Атмосферное давление [атм.]
Прирост тяги в высотном сопле по оотношению к земному соплу двигателя [%]
Высотное сопло с изломом контура+кольцевая щель
Высотное сопло со смещением контура (без щели)
Разность тяг, создаваемых соплами ΔР [%]
Р<sub>Н</sub>=0.1
-0,21
-0,27
0,06
Р<sub>Н</sub>=0.01
+1,26
+1,20
0,06
Р<sub>Н</sub>=0.001
+1,40
+1,34
0,06
Использование полезной модели позволит повысить как надежность работы двигательной установки, так и средний по траектории полета ее удельный импульс, что даст возможность увеличить полезный груз или дальность полета летательного аппарата, что в свою очередь даст положительный экономический эффект.