РАКЕТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА
SOLID-PROPELLANT ROCKET ENGINE

Изобретение относится к области ракетной техники и может быть использовано при проектировании, отработке и изготовлении ракетных двигателей твердого топлива (РДТТ), твердотопливных газогенераторов (ГГ), бортовых твердотопливных исполнительных механизмов (БТИМ) ракет, катапультных устройств (КУ) для систем аварийного спасения (САС) летчиков и других ракетных систем, оснащенных вкладным зарядом твердого ракетного топлива (ТРТ).
Одной из актуальных задач совершенствования РДТТ, газогенераторов, БТИМ и других ракетных систем является повышение надежности и эффективности воспламенения заряда твердого ракетного топлива (ТРТ) и выхода на рабочий режим указанных устройств в заданный, весьма малый, промежуток времени.
Известны конструкции РДТТ с вкладными зарядами ТРТ (аналоги) по пат. RU 2247254, RU 2286475, RU 2336430 и конструкции пленочных воспламенителей по пат. RU 2170842, RU 2212557. РДТТ по указанным патентам, совместно с использованием пленочных конструкций воспламенителей, обеспечивают в основном высокую надежность воспламенения заряда ТРТ в требуемый промежуток времени и улучшение весогабаритных характеристик РДТТ в целом.
Однако существенным недостатком отмеченных конструкций РДТТ является отсутствие надежной фиксации (закрепления) пленочного воспламенителя в объеме камеры сгорания (КС) РДТТ. Отсутствие закрепления воспламенителя может привести под воздействием продуктов сгорания (ПС) пиропатрона к его перемещению внутри ракетного двигателя и последующей аномальной работе, а именно к задержке зажжения воспламенительной навески и необеспечению требования по времени выхода РДТТ на рабочий режим за счет потерь энергии на деформирование (сминание) и перемещение пленочного корпуса незакрепленного воспламенителя. Для исключения указанных недостатков предлагается осуществлять скрепление (склеивание) пленочного воспламенителя с мембраной-рассекателем в составе конструкций РДТТ (Фиг. 1, Фиг. 2). Это способствует закономерному движению продуктов сгорания (ПС) воспламенителя вдоль горящих поверхностей заряда и позволяет при срабатывании пиропатрона (ПП) обеспечить за счет скрепления воспламенителя с мембраной-рассекателем эффективное зажжение собственно навески воспламенителя. Последнее достигается как за счет движения форса пламени пиропатрона в осевом направлении (фиг.3), так и в виде отраженного потока ПС пиропатрона в радиальных направлениях. Такой способ поджигания навески воспламенителя позволяет обеспечить минимальное время (0,001…0,003 с) выхода на рабочий режим РДТТ и твердотопливных энергоустройств (в первую очередь ГГ и КУ для ракет и САС летчиков).
Прототипом патентуемого технического решения принято изобретение по пат. №2247254, заявка №2003123209 от 22.07.03 г., МПК F02K 9/95.
Технической задачей изобретения является разработка конструкции РДТТ, обеспечивающей повышенную надежность воспламенения заряда ТРТ и выход РДТТ на рабочий режим.
Технический результат изобретения заключается (Фиг.1) в разработке конструкции ракетного двигателя с вкладным зарядом твердого топлива, включающего корпус (1) с размещенным в нем канальным зарядом (2) всестороннего горения, пленочный воспламенитель (3), пиропатрон (7), мембрану-рассекатель (5) и переднюю крышку (6). При этом пиропатрон установлен в передней крышке, а пленочный воспламенитель - между пиропатроном и мембраной-рассекателем. Мембрана-рассекатель закреплена между воспламенителем и передним торцом заряда ТРТ, а воспламенитель скреплен (склеен) с мембраной-рассекателем клеем на основе термоэластопласта (ТЭП) и инденкумароновой смолы (ИКС). В мембране-рассекателе выполнены периферийные отверстия (9), ориентированные в зазор между наружной поверхностью заряда и корпусом РДТТ. По оси пиропатрона в мембране-рассекателе может быть выполнено центральное дросселирующее (10) отверстие (Ддрос.), диаметр которого составляет 0,3…0,5 диаметра форса пиропатрона (Дфорс.).
При воздействии форса (струи) ПС пиропатрона (7) на пленочный воспламенитель (3) форс "прорезает" оболочку воспламенителя, поджигая навеску (4) воспламенителя по пути осевого движения. Наталкиваясь на мембрану-рассекатель (5), форс ПС пиропатрона изменяет направление движения в радиальных направлениях (Фиг.3), растекаясь по всему объему воспламенителя, что позволяет эффективно поджечь всю массу навески воспламенителя непосредственно в головном объеме РДТТ. Это, в свою очередь, позволяет целенаправленно и равномерно по периметру заряда (2) направить совместные высокотемпературные ПС пиропатрона и воспламенителя, реализованные в виде газовой и конденсированной фаз, через периферийный (9) зазор (отверстия) мембраны-рассекателя преимущественно на наружную поверхность заряда ТРТ всестороннего горения (т.е. на максимальную площадь горения заряда по сравнению с поверхностями канала и торцев). При этом периферийный зазор может быть реализован в виде щелевых участков между контуром мембраны-рассекателя и поверхностью корпуса, а сама мембрана-рассекатель выполнена из стали.
Сущность изобретения заключается как в максимально эффективном использовании (реализации) энергии навески пиропатрона, так и в повышении надежности воспламенения навески воспламенителя (4), поджигаемой ПС пиропатрона, за счет движения продуктов сгорания пиропатрона как в осевом, так в радиальных направлениях в корпусе воспламенителя РДТТ (Фиг.2). Указанный эффект достигается также за счет уменьшения демпфирования корпуса воспламенителя и исключения перемещения воспламенителя по месту установки в РДТТ, плотном его скреплении с мембраной-рассекателем. Это обеспечивает использование энергии продуктов сгорания ПП с минимальными потерями, в основном непосредственно на воспламенение навески воспламенительного состава воспламенителя.
2
При отсутствии плотного скрепления (склеивания) пленочного воспламенителя с мембраной-рассекателем воспламенитель может перемещаться и "активно" деформироваться как под воздействием форса пиропатрона, так и собственных ПС. Это существенно снижает долю энергетики ПС пиропатрона и воспламенителя, идущей непосредственно на воспламенение собственно заряда ТРТ. Эффективность воспламенения в патентуемой конструкции заряда ТРТ достигается также за счет равномерной подачи ПС (воспламенитель + пиропатрон) в основном на наружную поверхность заряда через периферийные отверстия мембраны-рассекателя. При этом скрепление воспламенителя с мембраной-рассекателем выполняют клеем на основе ТЭП и ИКС, что гарантированно обеспечивает работоспособность РДТТ в температурном диапазоне ±50°С (допустимые напряжения сдвига по контакту "полимерная пленка-сталь" составляют 2,4…4,9 кгс/см). Подача воспламеняющих ПС на наружную поверхность заряда может осуществляться за счет выполнения щелевых участков между контуром мембраны-рассекателя и поверхностью корпуса.
При использовании в РДТТ зарядов большого удлинения в мембране-рассекателе может быть выполнено центральное дросселирующее отверстие (Ддрос.), диаметр которого составляет 0,3…0,5 диаметра струи ПС (Дфорса) пиропатрона. Это позволяет улучшить воспламенение заряда большого удлинения. При этом при диаметре Ддрос. менее 0,3 Дфорса не достигается эффективное "подключение" горящей поверхности канала к воспламенению заряда, а при Ддрос. более 0,5 Дфорса существенно повышается вероятность возникновения растягивающих радиальных напряжений в заряде при выходе РДТТ на режим, опасные с точки зрения его функционирования (возможно разрушение заряда).
Сущность изобретения поясняется графическими материалами
Фиг.1 Общий вид патентуемой конструкции (с объемным воспламенителем по пат. RU 2212557),
где 1 - корпус РДТТ;
2 - заряд ТРТ;
3 - воспламенитель;
4 - навеска воспламенительного состава;
5 - мембрана-рассекатель;
6 - передняя крышка;
7 - пиропатрон;
8 - клеющая композиция;
9 - периферийные отверстия в мембране-рассекателе;
10 - центральное дросселирующее отверстие.
Фиг.2 Общий вид патентуемой конструкции (с "пакетным" воспламенителем по пат. RU 2170842).
Фиг.3 Характер движения ПС в момент запуска РД,
где 11 - линии тока ПС.
На фиг.4, 5, 6, 7 показаны варианты конструктивного оформления мембраны-рассекателя (вид со стороны пиропатрона по Фиг.1).
Фиг.4 Вариант конструкции мембраны-рассекателя с периферийными выступами,
где 12 - контур канала заряда ТРТ;
13 - контур наружной поверхности заряда;
14 - внутренний контур мембраны-рассекателя;
15 - внешний контур мембраны-рассекателя;
16 - внутренний контур корпуса ракетного двигателя.
Фиг.5 Вариант конструкции мембраны-рассекателя с периферийными выступами и центральным дросселирующим отверстием.
Фиг.6 Вариант конструкции мембраны-рассекателя с периферийными круговыми отверстиями,
где 17 - периферийные отверстия - круговые.
Фиг.7 Вариант конструкции мембраны-рассекателя с периферийными круговыми отверстиями и центральным дросселирующим отверстием.
Пример реализации патентуемой конструкции
Конструкция реализована в виде РДТТ с канальным зарядом всестороннего горения на основе баллиститного ТРТ (наружный диаметр 61,1 мм, диаметр канала 28 мм, длина 500 мм), пленочный воспламенитель "пакетной" конструкции (внешняя поверхность - ПЭТФ пленка) с навеской 10 г ДРП-2, стальной мембраны-рассекателя с периферийными отверстиями и центральным дросселирующим отверстием, и пиропатроном с диаметром форса ПС ~12 мм.
Патентуемая конструкция работает следующим образом (Фиг.2).
При срабатывании пиропатрона (7) форс ПС пиропатрона "прорезает" корпус пленочного воспламенителя (3) и толщину навески воспламенительного состава и наталкивается на преграду - мембрану-рассекатель (5), либо преграду - мембрану-рассекатель с центральным дросселирующим отверстием (10), диаметр которого составляет не более 0,5 диаметра струи ПС пиропатрона, полностью или частично изменяет направление движения собственных продуктов сгорания в радиальных направлениях. Такое движение ПС пиропатрона способствует эффективному поджиганию навески (4) воспламенительного состава (Фиг.1) воспламенителя. Качественное зажжение воспламенительной навески способствует эффективному воспламенению горящих поверхностей заряда (2) ТРТ. Истекающие ПС заряда ТРТ через сопловой блок обеспечивают требуемую тягу РД для ракеты, либо необходимые энергетические характеристики для газогенераторов, БТИМ, КУ и др.
Положительный эффект изобретения - повышение эффективности и надежности твердотопливных ракетных устройств, повышение эффективности воспламенителя (уменьшение навески воспламенительного состава при обеспечении требуемого уровня надежности зажжения заряда ТРТ).