КОРРЕКТИРУЮЩИЙ РАКЕТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ НА ПАСТООБРАЗНОМ ТОПЛИВЕ

Полезная модель относится к области военной техники, в частности к ракетно-артиллерийскому вооружению, и может быть использована для повышения технических возможностей по донаведению (перенацеливанию) ракет, относящихся к классу высокоточного оружия, а также для совершения маневров при преодолении противоракетной обороны противника.
Известные разработки управляющих ракетных двигателей на пастообразном топливе не в полной мере удовлетворяют предъявляемым требованиям. Так на фигуре 1 представлен двухрежимный ракетный двигатель, в состав которого входят: корпус 1, сопловой блок 2, крышка соплового блока 3, фильеры 4, маршевый заряд 5, воспламенитель 6, форсажный заряд 7, продольные сквозные каналы с пастообразным топливом 8, импульсный газогенератор 9 [1]. Представленный на фигуре 1 двухрежимный ракетный двигатель работает следующим образом. При срабатывании воспламенителя 6 воспламеняется поверхность канала и торца маршевого заряда 5. Работа двигателя на маршевом режиме обеспечивается горением маршевого заряда. При необходимости перевода двигателя на форсажный режим работы задействуется форсажный заряд 7. Задействование форсажного заряда осуществляется выбросом пастообразного топлива из каналов 8 заряда в камеру двигателя. Выброс пастообразного топлива производится сжатым газом, образовавшимся при срабатывании импульсного газогенератора 9. Импульсный газогенератор 9 снабжен независимыми, различными по массе навесками пиротехнического состава. Это позволяет получить требуемые, в зависимости от величины свободного объема камеры сгорания, размеры капель пастообразного топлива. Изменение размеров капель осуществляется изменением перепада внутрикамерного давления и давления выброса. Применение рассматриваемого двигателя позволяет получить постоянное, независимое от величины свободного объема камеры сгорания, время перехода с маршевого на форсажный режим работы. А увеличение количества форсажных секций позволит увеличить количество корректирующих импульсов или осуществить дискретное управление величиной тяги и временем работы на форсажном режиме за счет их параллельного или последовательного задействования.
Однако, наряду с достоинствами такой двигатель имеет существенный недостаток, он является двухрежимным, с программным изменением тяги, что не обеспечивает управление полетом в реальном масштабе времени и не позволяет получить требуемый уровень тяги.
На фигуре 2 представлен управляющий ракетный двигатель на пастообразном топливе (РДПТ) с фильерным блоком, в состав которого входят: газовые редукторы 10-11, баллон 12, электропневматические клапана (ЭПК) 13-14, газовые магистрали 15-16, расходные трубки 17, пружина расходной трубки 18, заднее днище 19, поршень 20, пастообразное топливо 21, корпус двигателя 22, передняя стенка 23, полость расходной трубки 24, камера сгорания с соплом 25, воспламенитель 26, поршень расходной трубки 27 [1, 2]. Принцип работы такого двигателя заключается в следующем. При запуске двигателя подается командный сигнал на ЭПК 13, который открывает доступ сжатого газа в запоршневое пространство по газовой магистрали 16. Под действием давления поршень 20 начинает вытеснение пастообразного топлива 21 через отверстия в передней стенке 23 бака и расходные трубки 17 в камеру сгорания 25. Воспламенение пастообразного топлива производится воспламенителем 26, представляющим собой пороховую навеску. Горение пороховой навески обеспечивает необходимое давление и температуру воспламенения пастообразного топлива (ПТ). Увеличение длины столба горящего пастообразного топлива обеспечивает рост площади горения, а, следовательно, и рост давления в камере сгорания. Длина столба ПТ возрастает до момента выравнивания скоростей подачи пастообразного топлива по оси канала подачи и скорости горения ПТ по оси столба пастообразного топлива, при этом двигатель выходит на маршевый режим. Следует учитывать, что значительная длина столба ПТ не допустима ввиду того, что при больших значениях поперечной перегрузки, может иметь место отклонение оси столба ПТ от оси канала. Это может привести к прогоранию стенок камеры сгорания и, даже, срыву столба горящего ПТ со среза канала подачи.
Переход на форсажный режим работы производится через импульсный режим. При этом подается командный сигнал на ЭПК 13 и по магистрали 15 сжатый газ поступает в полости расходных трубок 17. Сжатый газ воздействует на поршни расходных трубок 27, преодолевая усилие пружин 18, продвигает расходную трубку вперед. В результате этого образуется кольцевая щель и производится выброс столба пастообразного топлива, при этом энергия сжатого газа производит его дробление на капли. Система подачи сжатого газа по магистрали 15 организована так, что можно задействовать разное количество расходных трубок, работающих на распыл пастообразного топлива.
Недостатками такого двигателя является то, что он имеет сложную систему управления расходом топлива, за счет применения пневматических форсунок в фильерном блоке, что значительно повышает его пассивную массу и снижает надежность работы.
Прототипом разрабатываемой полезной модели является «Реактивный двигатель», полезна модель №42269, схема которой представлена на фигуре 3 [3]. Данная полезная модель включает в свой состав корпус 28, топливная камера 29, задняя стенка бака 30, корпус бака 31, пороховой аккумулятор давления (ПАД) 32, электропневматический клапан 33, регулятор давления 34, воспламенители 35-36, поршень 37, пастообразное топливо 38, сопловой блок 39, блок форсунок 40, накопительная камера 41.
Принцип работы такого двигателя заключается в следующем.
В качестве источников рабочего тела применяется пороховой аккумулятор давления (ПАД) 32. При запуске двигателя подается командный сигнал на воспламенитель 35. Давление на поршень 37 осуществляется за счет газов, поступающих от порохового аккумулятора давления и регулятора давления 34, который получает сигнал на необходимую величину давления от системы управления для создания определенной тяги. Под действием давления поршень 37 начинает вытеснение пастообразного топлива 38 через отверстия в передней стенке бака и блока форсунок 40 в камеру сгорания. Воспламенение ПТ производится воспламенителем 36, представляющим собой пороховую навеску. Горение пороховой навески обеспечивает необходимое давление и температуру воспламенения пастообразного топлива. Увеличение длины столба горящего пастообразного топлива обеспечивает рост площади горения, а, следовательно, и рост давления в камере сгорания. Длина столба ПТ возрастает до момента выравнивания скоростей подачи пастообразного топлива по оси канала подачи и скорости горения ПТ по оси столба пастообразного топлива, при этом двигатель выходит на маршевый режим. За счет системы управления двигателя, регулятора давления 34, и ЭПК 33 поддерживается необходимое давление в накопительной камере 41, что делает возможным быть предложенному двигателю многорежимным, с возможностью плавного изменения тяги.
Однако, наряду с достоинствами такой двигатель имеет существенные недостатки, как и РДПТ представленный на фигуре 2 он имеет сложную систему управления расходом топлива, за счет применения порохового аккумулятора давления с регулятором давления, что не обеспечивает требуемую точность донаведения (перенацеливания) ракет (боевых частей). Еще одним существенным недостатком данной полезной модели является невозможность обнуления тяги двигателя, что может потребоваться при конечном наведении ракеты на цель.
Для устранения указанных недостатков предлагается полезная модель, изображенная на фигуре 6. В состав полезной модели входят: корпус двигателя 44, топливная камера с пастообразным топливом 45, блок форсунок 46, поршень 47, корпус бака 48, сопловой блок 49, воспламенитель 50, ножничный механизм 51, канал связи с бортовой системой управления ракеты 52 (изображен схематично), линейный шаговый двигатель с выдвижным штоком 53.
На фигуре 4 изображен ножничный механизм. Простейший ножничный механизм состоит из системы рычагов, шарниров и привода, создающего линейное перемещение. В качестве привода используется гидроцилиндр или механическая передача с электрическим приводом (в предлагаемом корректирующем ракетном двигателе на пастообразном топливе используется линейный шаговый двигатель с выдвижным штоком).
Одна из опор подъемника шарнирно закреплена на основании, другая имеет возможность перемещаться вдоль основания. Остальные рычаги закреплены шарнирно по принципу ножниц. К верхним рычагам шарнирно закреплен подъемный стол (поршень 47). В результате воздействия привода изменяется расстояние между опорами 43 и высота 42. Учитывая, что длина рычагов - величина постоянна, при уменьшении 43 высота 42 будет увеличиваться груз (поршень) будет линейно перемещаться.
Одним из главных преимуществ ножничного механизма является обусловленное конструкцией самовыравнивание горизонта (поршня 47). Кроме того, такая конструкция обладает высокой надежностью и очень компактна.
На фигуре 5 приведен пример линейного шагового двигателя с выдвижным штоком. Главными преимуществами линейного шагового двигателя с выдвижным штоком являются:
- обеспечение точного движения, погрешность шага винта не более 0.015 мм;
- эффективность винта достигает 85%;
- большая мощность;
- не требует дополнительной системы питания (питание осуществляется от бортовой системы управления ракетой через канал связи 52).
Принцип работы предлагаемого корректирующего двигателя на пастообразном топливе заключается в следующем.
По команде бортовой системы управления ракеты через канал связи 52 поступает сигнал на линейный шаговый двигатель с выдвижным штоком 53, который приводит в действие ножничный механизм 51. Под действием ножничного механизма 51, поршень 47 начинает вытеснение пастообразного топлива из топливной камеры 45 через блок форсунок 46 в камеру сгорания. Воспламенение пастообразного топлива (ПТ) производится воспламенителем 50, представляющим собой пороховую навеску. Горение пороховой навески обеспечивает необходимое давление и температуру воспламенения пастообразного топлива. Увеличение длины столба горящего пастообразного топлива обеспечивает рост площади горения и давления в камере сгорания. Длина столба ПТ возрастает до момента выравнивания скоростей подачи пастообразного топлива по оси канала подачи и скорости горения ПТ по оси столба пастообразного топлива, при этом двигатель выходит на маршевый режим. За счет команд бортовой системы управления, передаваемых по каналу связи 52 на линейный шаговый двигатель с выдвижным штоком 53 поддерживается необходимое давление на поршень 47, для вытеснения требуемого количества пастообразного топлива, а, как следствие, регулируется величина тяги корректирующего двигателя, обеспечивая предложенному двигателю многорежимность, а при необходимости, обнуление тяги.
Техническим результатом полезной модели является повышение эффективности корректирующего ракетного двигателя на пастообразном топливе, за счет возможности изменения тяги корректирующего двигателя на всем протяжении его работы с требуемой точностью, а при необходимости и обнуление тяги, что обеспечивает требуемый уровень точности донаведения или перенацеливания ракет (БЧ) по изменившимся координатам (по изменившей свое местоположение цели) на конечном участке траектории, что в целом повышает боевую эффективность ракетного вооружения.
Список литературы
1. Авдиенко, А.А. и др. Проектирование двигательных установок на твердом и пастообразном топливах. Саратов, Саратовский филиал ВАУ, 2001.- 170 с.
2. Карташов, Ю.И., Фоменко, В.В., Захаренко, В.Г. Пастообразные ракетные топлива, пороха и составы специального назначения (рецептуры, изделия, библиография). - СПб.: Обзор работ ФГУП «РНЦ «Прикладная химия» за 1966-2003 гг.», 2003. - 63 с.
3. Елисов, А.В. и др. «Реактивный двигатель». Патент на полезную модель №42269. - М.: 2004.