ВОСПЛАМЕНИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО ЗАПУСКА РАКЕТНОГО ДВИГАТЕЛЯ НА ТВЕРДОМ ТОПЛИВЕ

Полезная модель относится к технике и технологиям, используемым для воспламенения твердотопливных зарядов двигателей и генераторов ракет, а именно к конструкции устройств плавного запуска ракетного двигателя на твердом топливе (РДТТ).
Известные конструкции устройств выполнены в зависимости от способа воспламенения заряда: - высокотемпературными продуктами сгорания порохов или пиротехнических средств; - самовоспламеняющейся жидкостью; - теплом, поступающим в заряд от проводников электрического тока, размещенных в заряде; - индукционным нагревом, при котором в поверхностном слое топлива, помещенном в электромагнитном поле, индуцируются вихревые токи, обеспечивающие разогрев топлива; - лазерным нагревом, при котором воспламенение обеспечивается воздействием мощного теплового излучения на локальный участок поверхности топлива.
Конструктивное оформление систем воспламенения может быть организовано в прочных или разрушающихся корпусах. При использовании прочных корпусов обеспечивается размещение навески воспламенительного состава в нем в течение всего периода работы систем воспламенения, что способствует получению стабильных внутрибаллистических характеристик на начальном участке работы РДТТ. В случае применения разрушающихся корпусов - в тонкостенных стаканах, в корпусах из тканевых, картонных, бумажных, пластмассовых материалах и т.п. - навеска рассыпается по внутрикамерному объему случайным образом, а после разрушения заглушки часть воспламенительного состава может, не сгорев, покинуть пределы камеры сгорания.
Известно устройство для запуска ракетного двигателя на твердом топливе, содержащее прочный корпус с фланцем, воспламенительный состав, пирозапал в корпусе воспламенителя (Липанов A.M., Алиев А.В. Проектирование
ракетных двигателей твердого топлива. - М.: Машиностроение, 1995. - с.233.).
В последнее время широкое распространение получили воспламенители с полузамкнутым объемом, содержащие корпус, основную камеру, в которую продукты сгорания поступают или через многочисленные отверстия специального соплового насадка, или через обычное сопло с заглушкой небольшого РДТТ (Присняков В.Ф. Динамика ракетных двигателей твердого топлива. - М.: Машиностроение, 1984. - с.192).
Недостатками известных конструкций воспламенителей являются ударные нагрузки, пропорциональные скорости роста давления в камере, способные повредить стартовое устройство, летательный аппарат или нарушить систему управления. Кроме того, пик давления требует увеличения прочности камеры сгорания, а, следовательно, ее массы. Так же резкое возрастание давления приводит к ударному вскрытию заглушки сопла. Возникающий при этом фронт разряжения может привести к неустойчивому горению при выходе на режим.
Наиболее близким в заявляемому решению является устройство, выполненное в виде газогенератора с определенным массово-временным расходом, в состав которого входит силовой корпус, имеющий входные и расходные отверстия, поперечные сечения которых рассчитаны с учетом требуемого режима работы воспламенителя. Внутри корпуса размещении воспламенительный заряд. (Лавров Л.Н. Конструкции ракетных двигателей на твердом топливе. - М.: Машиностроение, 1993. - с.169). При срабатывании такого воспламенительного устройства в результате одновременного истечения продуктов сгорания из всех отверстий возникает возмущение в потоке продуктов сгорания, приводящее к появлению ударной волны и возникновению нежелательных эффектов, описанных выше.
В основу решения положена техническая задача, заключающаяся в осуществлении мягкого запуска РДТТ за счет обеспечения плавного нарастания
давления в камере двигателя путем создания равномерного прогрева поверхности топливного заряда до необходимой рабочей глубины.
Указанная задача решается тем, что в воспламенительном устройстве запуска ракетного двигателя на твердом топливе, содержащем корпус с расходными отверстиями, поперечные сечения которых определены с учетом расчетного режима воспламенения, воспламенительный состав в оплетке, размещенной в корпусе, снабженном фланцем с пиропатроном, согласно полезной модели, расходные отверстия выполнены в виде сопл и расположены группами равномерно по окружностям корпуса в его поперечном сечении, сопла снабжены заглушками, толщина которых для каждой i-той группы сопл выбрана из условия:
,
2
1
где p - расчетное давление в корпусе воспламенителя, равное Р-P;
1i
P - расчетное давление в свободном объеме двигателя в i-тый момент времени;
2i
P - расчетное давление в корпусе воспламенителя в i-тый момент времени;
[σ] - предел прочности материала заглушки;
R - радиус заглушки,
при этом меньшая толщина заглушек выполнена в соплах группы, наиболее удаленной от фланца корпуса, а угол раствора направленности осей сопл выполнен в диапазоне 15°-180°, причем меньший угол раствора - в соплах группы, наиболее удаленной от фланца корпуса.
Отличительной особенностью воспламенительного устройства запуска ракетного двигателя на твердом топливе является то, что расположенные группами по окружностям корпуса сопла снабжены заглушками разной толщины, меньшая из которых - в соплах, наиболее удаленных от пиропатрона, а угол раствора сопл выбран в диапазоне 15°-180°, меньший из которых также наиболее удален от пиропатрона. Сопла имеют свое расчетное направление срабатывания, свой расчетный размер и диаметр критического сечения. Они имеют заглушки, рассчитанные на вскрытие при достижении определенного
давления. Все сопла, расположенные на одной окружности корпуса воспламенительного устройства, имеют одинаковые параметры, характерные для этой группы сопл. Вскрытие групп сопел происходит постепенно по мере нарастания давления внутри корпуса воспламенителя. В результате распределенное во времени вскрытие сопл позволят обеспечить наилучший прогрев основного заряда двигателя, снизить возмущение в потоке продуктов сгорания и, как следствие, осуществить разгон начального газа в канале без возникновения ударной волны. Это позволяет нагружать заглушку сопла плавно и осуществлять ее разрушение, а не вышибание.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, где на фиг.1 дан общий вид воспламенителя; на фиг.2 - вид по А-А; на фиг.3 - установка воспламенителя в ракетном двигателе.
i
i
Воспламенительное устройство (фиг.1) содержит корпус 1 с расходными отверстиями в виде сопл 2 с заглушками 3 толщиной δ. В корпусе размещен пиротехнический состав 4 в оплетке 5, соединенный с пиропатроном 6, расположенным во фланце 7 корпуса 1. Сопла 2 расположены группами I, II, ... N равномерно по окружностям корпуса 1 в его поперечном сечении (фиг.2), причем толщина заглушек в группе I выполнена наименьшей. Угол раствора направленности осей сопл β в группах выполнен в диапазоне 15°-180°, причем меньший угол раствора - в соплах группы I, наиболее удаленной от фланца 7 корпуса 1 (фиг.3).
Воспламенительное устройство работает следующим образом.
2
1
1
Вомпламенительное устройство устанавливают в корпус 8 ракетного двигателя на твердом топливе с основным зарядом 9. После возгорания пиросостава 4 первая группа сопл вскрывается за счет разрушения заглушек как только давление P в корпусе 1 воспламенителя примерно на 2-2,5 атмосферы превысит давление P в свободном объеме 10 ракетного двигателя. Сопла 1-й группы направлены в пространство объема двигателя с углом раствора β направленности осей сопл, что позволяет истекающим из них продуктам сгорания
заряда 4 воспламенителя интенсивно прогревать наиболее удаленную поверхность L1 (фиг.3) основного заряда 9.
2
По прошествии 0,001-0,0005 секунд вскрываются сопла группы II, угол раствора направленности осей этой группы сопл β больше, чем в предыдущей группе I, а истекающие из них продукты сгорания заряда 4 интенсивно прогревают следующий по удаленности от воспламенителя участок L2 основного заряда 9. Вскрытые через указанный интервал времени сопла группы II создают возмущение в потоке продуктов сгорания, которое не успеет догнать возмущение, созданное в начальном газе продуктами сгорания, истекающими из сопл группы I.
i
По прошествии еще 0,001 секунды вскрываются сопла следующей i-той группы, выполненные с углом раствора направленности осей этой группы сопл β больше, чем в предыдущей группе, осуществляя направленный прогрев i-того участка поверхности основного заряда 9.
В зависимости от размеров основного заряда 9 и его конфигурации, размеры и форма корпуса 1 воспламенителя, размеры сопл и число групп могут изменяться, то есть для определения параметров воспламенительного устройства играет роль масса и объем воспламенительного состава, геометрические размеры основного заряда и место расположения воспламенительного устройства в камере горения ракетного двигателя.
Предлагаемая конструкция воспламенителя может использоваться в различных типах РДТТ и газогенераторов.