Корпус ракетного двигателя на твердом топливе

Полезная модель относится к ракетной технике и может быть использована при создании ракетных двигателей на твердом топливе.
Из патента РФ №2244146 известен корпус ракетного двигателя на твердом топливе (РДТТ), содержащий днища из полимерного композиционного материала (ПКМ) с жесткими металлическими фланцами в виде колец. Некоторые сечения фланцев имеют технологические отверстия и резьбовые отверстия для крепежа, которые во внимание не принимаются (фигуры 1, 2 в описании патента).
Данная конструкция принята за прототип.
Недостатком данной конструкции является то, что значительная доля материала фланцев, расположенного внутри внешнего контура сечений на удалении от границ, создавая утяжеление конструкции, не задействована в полной мере для обеспечения несущей способности фланцев корпуса, что приводит к его утяжелению.
Задачей полезной модели является снижение массы корпуса.
Технический результат заключается в снижении массы корпуса РДТТ за счет применения полой конфигурации жестких фланцев, обеспечивающей более полную загруженность материала фланцев и повышение их несущей способности.
Технический результат достигается тем, что в конструкции корпуса РДТТ, содержащего днища из ПКМ с жесткими фланцами, внутри жестких фланцев выполнены полости, разграниченные между собой перегородками. При этом перегородки могут чередоваться с полостями равномерно в окружном относительно оси корпуса направлении, могут быть расположены под углом к радиальной плоскости, контуры сечений фланца могут иметь замкнутую форму.
При работе фланцы нагружены в зоне внутреннего диаметра осевой выталкивающей силой соответственно со стороны соплового блока или передней крышки и распределенным по поверхности пера реактивным давлением со стороны оболочки из ПКМ днища корпуса. Под действием этих двух нагрузок происходит поворот сечений фланцев (кручение линии кольца) на угол порядка одного-двух градусов. Для того чтобы форма сечений фланцев в условиях действия нагрузки существенно не менялась, сечения подкрепляются набором перегородок. Как известно, угол поворота сечения кругового кольца и максимальные напряжения, действующие в окружном направлении, обратно пропорциональны моменту инерции сечения кольца относительно оси, параллельной радиусу кольца (В.Т. Лизин, В.А. Пяткин Проектирование тонкостенных конструкций. - М.: Машиностроение, 1994 г., с. 308). Для увеличения момента инерции сечения фланца его контур можно сделать замкнутым путем введения перекрытий по поверхностям полостей, обращенным внутрь корпуса РДТТ. При этом максимальные значения напряжений имеют место в точках контура сечения кольца, наиболее удаленных от упомянутой выше оси, проходящей через центр тяжести сечения. Из формул для напряжений и угла поворота сечения фланца следует, что для наиболее эффективного использования материала нужно стремиться к увеличению размера фланцев в направлении оси корпуса и размещать материал по возможности ближе к контуру сечения, то есть выполнять фланцы полыми. Для снижения окружных напряжений можно расположить перегородки под углом к продольной радиальной плоскости. Наиболее эффективно равномерное расположение перегородок в окружном относительно оси корпуса направлении, при этом перегородки чередуются с полостями.
Также важно, что указанное выше увеличение размера фланцев увеличивает плечо усилий взаимодействия фланца и корпуса соплового блока, что ведет к уменьшению этих усилий и облегчает обеспечение совместности деформирования фланца и корпуса сопла, необходимое для достижения требуемой жесткости соединительного узла.
На фиг. 1 схематично показано сечение продольной радиальной плоскостью заднего днища корпуса в зоне соединения с сопловым блоком, где приняты обозначения: 1 - обечайка из ПКМ днища корпуса; 2 - фланец корпуса РДТТ; 3 - корпус соплового блока; 4 - полость внутри фланца; 5 - шпилечное соединение фланца 2 с корпусом соплового блока 3; 6 - перекрытие, вваренное замкнутым сварным швом 7 со стороны поверхности фланца 2, обращенной внутрь корпуса РДТТ. На фиг. 2 показано сечение поперечной радиальной плоскостью (сечение А-А на фиг. 1) фланца 2 с корпусом соплового блока 3, где 8 - перегородка между полостями 4. На фиг. 3 показано сечение В-В (фиг. 2) перегородки 8 со шпилечным соединением 5.
1
2
1
2
1
2
1
2
На фиг. 1 стрелка Т обозначает осевую составляющую, действующую на единицу длины в окружном направлении, равнодействующей сил реактивного давления на перо фланца 2 со стороны обечайки 1 днища корпуса. Стрелка Т обозначает аналогичную силу, действующую на фланец 2 со стороны корпуса соплового блока 3. Под действием момента сил Т, Т сечения фланца 2 стремятся повернуться, что приводит к появлению реакций R, R, действующих со стороны корпуса соплового блока 3. При этом, чем больше плечо между силами R и R, тем меньше величина этих сил, что способствует снижению массы соединительного узла в целом.
Перегородки 8 на фиг. 2 могут быть использованы для резьбовых соединений соплового блока 3 с фланцем 2 корпуса РДТТ (сечение В-В на фиг. 3).
1
2
При повороте сечения фланца 2 под действием момента сил Т, Т в нем возникают окружные напряжения. В точках сечения, которые в результате поворота переходят на больший радиус, отсчитываемый от оси РДТТ, имеют место растягивающие окружные напряжения. В точках сечения, переходящих на меньший радиус, окружные напряжения сжимающие. При необходимости снизить окружные напряжения и угол поворота фланца 2 можно: во-первых, придать плоскости перегородок 8 окружную составляющую, то есть расположить перегородки 8 под углом к продольной радиальной плоскости, и, во-вторых, сделать контуры сечений фланца 2 замкнутыми путем введения перекрытий 6. Необходимые толщины перегородок 8 и перекрытий 6, углы наклона перегородок 8 к радиальным плоскостям должны выбираться на основе расчета напряженно-деформированного состояния фланца 2 совместно с корпусом соплового блока 3.
Фланец описанной выше конструкции может быть изготовлен следующим образом. Внешний контур фланца 2 выполняется с помощью токарной обработки, внутренние полости 4 и перегородки 8 получаются фрезерованием со стороны поверхности фланца, обращенной внутрь корпуса РДТТ. Перекрытия 6 изготовляются отдельно из листовых заготовок и ввариваются замкнутым сварным швом 7 в окна, образованные контурами полостей 4.
Таким образом, предложенная конструкция жестких фланцев позволяет снизить массу корпуса РДТТ.