МОДЕЛЬНЫЙ РАКЕТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ

Изобретение относится к индустрии игрушек, а именно к модельным ракетным двигателям (МРД) для ракетно-космического моделирования в технических видах спорта и творчества.
Общеизвестен МРД [2, 3, 5], содержащий корпус, в котором последовательно смонтированы сопло, топливный, замедлительный и вышибной заряды из твердых ракетных топлив или пиротехнических составов, и установленный в полости топливного заряда воспламенитель.
Определенным недостатком известного МРД является жесткая и однозначная реализация его рабочего режима - диаграммы «тяга - время» и времени работы замедлительного заряда, - обусловленная геометрией топливного и замедлительного зарядов. С одной стороны, при согласованности летных и баллистических характеристик модели ракеты и двигателя, известная конструкция МРД обеспечивает наилучшие и стабильные спортивные результаты - высоту, общее время полета модели до приземления полезной нагрузки и др. С другой стороны, сам процесс согласования характеристик модели и двигателя, а также использование двигателей одного (по суммарному импульсу) класса для запуска различных моделей ведет к необходимости существенного увеличения номенклатуры выпускаемых МРД - до двух-трех значений времен горения замедлителя и до двух значений величин максимальной тяги [2].
Известны ракетные двигатели твердого топлива с устройствами предстартового регулирования внутрибаллистических характеристик за счет изменения критического сечения сопла - путем использования сменных вставок или перемещаемого профилированного центрального тела [4]. И если для крупных двигателей такое усложнение конструкции является вполне оправданным приемом, то для МРД - из-за миниатюрности габаритов корпуса и сопла, имеющих в диаметре от 10 и 1,5 мм соответственно, - практически не осуществимо.
Известен МРД с замедлителем, обеспечивающим возможность реализации двух времен задержки подачи луча огня на срабатывание вышибного заряда. Так, замедлитель двигателя первой ступени марки PS A (1) 5-1 производства польской фирмы Петера Сарновского позволяет запускать МРД последующей ступени как непосредственно после выгорания топливного заряда, так и с задержкой - после выгорания трассера-замедлителя. Для этого в
МРД через перфорированное переднее днище и слой замедлительного состава до границы с топливным зарядом высверлено дополнительное гнездо диаметром 3,5 мм и вклеена пластмассовая трубочка с внутренним диаметром 2 мм, выступающая над поверхностью днища на 12-13 мм. Для запуска двигателя 2-й ступени без задержки используется огневая связь в виде канала трубочки, передающая луч огня при достижении сводом горения топливного заряда среза трубочки, а для разделения ступеней с задержкой - луч огня, передаваемый через перфорацию переднего днища после выгорания заряда замедлителя.
К недостаткам известной конструкции относятся ее высокая трудоемкость, наличие опасных операций повышенной точности по выполнению гнезда в пиротехническом составе и вклеиванию трубочки, ограничение по диаметру двигателя из-за сложности размещения отверстий на поверхности днищ МРД (диаметр польского двигателя составляет 15 мм, тогда как наиболее массовый в России МРД такого же класса имеет диаметр 10 мм).
Из рассмотренных выше аналогов в качестве прототипа выбран двигатель PS A (1) 5-1 польского производства, содержащий корпус с соплом, топливный заряд и устройство предстартового регулирования режима работы, являющийся наиболее близким к полезной модели по технической сущности.
Целью полезной модели является расширение функциональных возможностей и потребительских свойств МРД, снижение номенклатуры и повышение серийности за счет создания унифицированной конструкции устройства предстартового регулирования режима работы двигателя - зависимости «тяга - время» стартового участка и времени горения замедлителя.
Поставленная цель в МРД, содержащем корпус с соплом, топливный заряд и устройство предстартового регулирования режима работы, достигается выполнением устройства предстартового регулирования в виде формообразующего тела, размещенного в заряде пастообразного топлива с возможностью его предстартового перемещения в объеме заряда.
Использование в ракетных двигателях пастообразных ракетных топлив для повышения энергетических характеристик и возможности регулирования тяги путем перемещения в процессе работы формообразующих поверхностей горения тел - теплового ножа, телескопических цилиндров, нитей и др. известно [1]. Вязко-текучее состояние топлива позволяет размещать и плавно перемещать перед запуском МРД в заряде, например, через сопло или герметизированное отверстие переднего днища корпуса разнообразные, преимущественно малоразмерные и обтекаемые формообразующие элементы. При горении заряда эти элементы, в зависимости от их теплофизических свойств и взаимного расположения, изменяют горящую поверхность заряда и местную скорость горения, что обеспечивает возможность реализации различных вариантов зависимости «тяга-время» и/или времени сгорания замедлительного состава.
Изложенное выше решение может быть осуществлено по нескольким конструктивным схемам и вариантам исполнения, развивающим основную идею предложения.
Предложено выполнять формообразующее тело в виде удлиненного элемента из материала с высокой теплопроводностью, например, из медной или алюминиевой проволоки. Усиленный прогрев прилегающего к элементу топлива резко - до 3...4 раз, - повышает его местную скорость горения, и вдоль элемента, выполняющего своеобразную роль «лидера горения», формируется конусная поверхность горения. В зависимости от количества и пространственной ориентации теплопроводных элементов в объеме заряда соответственно будут изменяться горящая поверхность, давление, газоприход и время выгорания топливного и замедлительного зарядов.
Предложено формообразующее тело в виде пучка удлиненных, преимущественно упругих, элементов со скрепленными концами и средней частью, радиально расходящейся по мере сближения концов. Такое формообразующее устройство, при размещении его по продольной оси заряда, в максимально растянутом виде при горении сформирует единую коническую поверхность, а при максимальном сближении концов пучка, вплоть до касания средней части пучка со стенками корпуса, поверхность горения будет представлять набор пересекающихся конических поверхностей. Их суммарная поверхность сначала будет резко возрастать, реализуя режим максимальной тяги на стартовом участке работы МРД, а после прохождения вершин конусов максимально удаленного от оси заряда участка - резко вырождаться с последующим постепенным выходом на уровень единой конической поверхности.
Для обеспечения кинематической определенности взаимного радиально-продольного расположения звеньев пучка предложено выполнять элементы в форме прямолинейных образующих двух конических поверхностей с общим основанием, а в местах скрепления и в плоскости основания конусов снабжать их шарнирами, например, в виде ослабленных или сплющенных сечений теплопроводных элементов. Однозначное взаимное расположение элементов гарантирует более жесткое соответствие зависимости «тяга-время» от величины осевого перемещения подвижного конца пучка при предстартовой настройке режима работы. Предложено выбирать угол между образующей внутренней поверхности корпуса и максимальным углом наклона к ней элементов пучка, обращенного концами к соплу, равным арктангенсу отношения нормальной скорости горения топлива к скорости горения вдоль элемента из материала с высокой теплопроводностью. Такой наклон теплопроводных элементов обеспечивает параллельность перемещения внешних образующих конических поверхностей горения со стенками корпуса в продольном сечении и, соответственно, максимальную поверхность горения при их касании.
Предложено выполнять формообразующее тело, хотя бы на части длины, в виде огнепроводного шнура. Огнепроводный шнур с более высокой скоростью горения, чем топливный заряд, может служить формообразующим телом и непосредственно, однако худшие показатели изгибной прочности и химической стойкости в контакте с пастообразными топливными составами, ограничивают его использование в этом качестве преимущественно осевыми неизгибаемыми элементами. Огнепроводный шнур применен в качестве воспламенителя, передающего через сопло луч огня внутрь корпуса, а также в качестве перемещающегося по оси заряда силового теплопроводного элемента.
Предложено снабжать двигатель замедлителем в виде огнепроводного шнура формообразующего тела, размещенного по центру переднего днища с возможностью осевого перемещения, и вышибным зарядом, контактирующим со шнуром также с возможностью осевого перемещения. В зависимости от скорости горения и изменяемой перед стартом длины участка огнепроводного шнура до контакта его с вышибным зарядом, соответственно будет меняться и время задержки срабатывания вышибного заряда.
Предложено снабжать Огнепроводный шнур и вышибной заряд элементами их перемещения, фиксации и индикации положения. Учитывая значительные силовые, тепловые и вибрационные нагрузки на элементы МРД при работе, перемещаемые относительно корпуса элементы - Огнепроводный шнур и/или теплопроводный элемент, а также вышибной заряд, - после проведения предстартовой регулировки режима фиксируют от перемещения, например, быстросохнущим клеем. Индикацию осевого перемещения шнура и замедлителя целесообразно, как показало моделирование, проводить по циферблату часового типа, например, снабдив обозреваемые поверхности корпуса и вышибного заряда соответствующими шкалами и контрольными рисками.
Т.о., предложенная полезная модель обеспечивает возможность создания МРД с предстартовым регулирования режима работы как по уровню максимальной тяги, так и по времени горения замедлителя, что позволяет унифицировать конструкцию двигателя, сократить в 2 - 3 раза номенклатуру и, соответственно, увеличить их серийность. Привлекательность МРД повышается и для потребителей, поскольку при летной отработке моделей отпадает необходимость приобретения нескольких типов двигателей с разными временами горения замедлителей.
Сущность изобретения поясняется на чертежах, где схематично показаны:
на фиг.1 - общий вид МРД;
на фиг.2 - вид А на фиг.1;
на фиг.3 - разрез Б-Б на фиг.1 с крайними положениями формообразующего тела;
на фиг.4 - выносной элемент В на фиг.1;
на фиг.5 - типовые зависимости изменения тяги МРД.
МРД, показанный на фиг.1, содержит корпус 1, сопло 2, заряд 3 пастообразного топлива с размещенным в его объеме формообразующим телом в виде пучка теплопроводных элементов 4 со скрепленными шарнирами 5 концами, один из которых неподвижно скреплен с проходящим через осевой канал сопла 2 огнепроводным шнуром воспламенителя 6, а другой - с подвижным в осевом направлении огнепроводным шнуром замедлителя 7, проходящим через осевое уплотнение переднего днища 8 и контактирующим с вышибным кольцевым зарядом 9 из подпрессованого черного пороха, перемещающимся вдоль оси при вращении по внутренней резьбе 10 передней части корпуса 1. Расстояние L3 от вышибного заряда 9 до переднего торца заряда 3, определяющее время горения замедлителя 7, устанавливают поворотом заряда 9 зацеплением за гнезда 13 и контролируют (см. фиг.2) по индикатору 14, градуированному по шкале времени задержки срабатывания заряда, и риске 15 на корпусе 1.
При перемещении огнепроводного шнура 7 в крайнее положение внутрь корпуса 1, показанное на верхней части фиг.1, концы теплопроводных элементов 4 сближены на минимальное расстояние L1, а их срединные части касаются стенок корпуса 1 и образуют с ними угол «а» (см. фиг.4), равный арктангенсу отношения нормальной скорости горения топлива к скорости горения вдоль теплопроводного элемента 4, как это показано на верхней части 11 фиг.3 и 4. Соответственно, при перемещении шнура 7 в крайнее левое положение, показанное на нижней части фиг.1, теплопроводные элементы 4 вытянуты на расстояние L2 и сгруппированы вдоль оси двигателя, как это показано на нижней части 12 фиг.3.
При горении топливного заряда 3 вдоль огнепроводных элементов 4 формируются конусные поверхности 16 и 17 горения с полууглами конусов, равными «2а». При расстоянии между концами элементов 4, равном L1, поверхность горения, газоприход, давление в корпусе, а, соответственно, и тяга двигателя 18 быстро, за время t1, как это схематически показано на диаграмме «тяга-время» фиг.5, достигает своего максимального значения R1, после чего также резко падает ниже среднего уровня Rсp., постепенно повышаясь к концу работы t2 до уровня R2. При горении заряда с вытянутыми вдоль оси элементами 4 конусная поверхность горения 17, достигнув стенок корпуса 1, практически не изменяется, обеспечивая «мягкий» старт с тягой 19 постоянной величины R2, близкой к среднеинтегральному значению тяги Rcp. Диапазон реализуемых при промежуточных условиях предстартовой настройки диаграмм «тяга-время» находится между крайними кривыми 18 и 19.
По окончании времени горения t2 топливного заряда 3 тяга 20 двигателя падает, но огнепроводный шнур 7 продолжает гореть. После прохождения горящей поверхностью установленного расстояния L3 шнура за отрезок времени и соприкосновения ее с вышибным зарядом 9, последний воспламеняется. Максимальное время t4-t3 горения замедлителя 7
определяется величиной наибольшего перемещения заряда 9 по замедлителю 7 и его скоростью горения.
Работа МРД. Перед стартом в зависимости от требуемого режима работы - стартового ускорения, тяговооруженности, условий полета, параметров модели ракеты и др., - поворотом вышибного заряда 9 по индикатору 14 устанавливают требуемое время задержки, вытягивают огнепроводный шнур 7 на заданное расстояние, контролируемое по индикатору (на фиг.1 не показан), после чего фиксируют взаимное положение шнура 7, заряда 9 и корпуса 1 быстросохнущим клеем. Двигатель монтируют в модель ракеты (на фиг.1 не показана), на сопловой части корпуса 1 устанавливают электронагревательное пусковое устройство с удлинителем - электрошнуром, обеспечивающим безопасное удаление спортсмена и подают напряжение. Нагретая электроспираль пускового устройства поджигает огнепроводный шнур воспламенителя 6, и после прохождения его горящей поверхности соплового отверстия луч огня воспламеняет топливный заряд 3. Тепло от продуктов сгорания, распространяясь вдоль теплопроводных элементов 4 и прогревая прилегающие слои топлива, обеспечивает повышенную местную скорость горения и формирование вдоль элементов 4конических поверхностей горения 16. После выгорания заряда 3 и вскрытия поверхности огнепроводного шнура 7 последний воспламеняется и, пройдя расстояние L3 до контакта с вышибным зарядом 9, поджигает его.
На изложенных принципах могут быть осуществлены и другие, схожие по замыслу и конструктивному оформлению решения, ориентированные на обеспечение более высокой степени унификации и массовости производства МРД. Основные технические решения полезной модели подтверждены огневыми стендовыми испытаниями.
Заявитель является субъектом малого предпринимательства.
ИСПОЛЬЗОВАННЫЕ ИСТОЧНИКИ
1. Авдиенко А.А., Григорьян С.С., Финагин А.Е. Рабочие процессы и проектирование ракетных двигателей на пастообразном топливе. Учебное пособие. - Саратов.: Саратовское ВВКИУ ракетных войск, 1996.
2. Двигатели ракетные модельные. Технические условия ТУ 84-795-79.
3. Патент США №4355577 - Модельный ракетный двигатель, МПК F42В 15/10, НКИ 102/378.
4. Управляемые энергетические установки на твердом ракетном топливе. - М.: Машиностроение, 2003. Стр. 24-32, 277-283.
5. П. Эльштейн. Конструктору моделей ракет. Перевод с польского. - М.: Мир, 1978.