СОПЛО РАКЕТНОГО ДВИГАТЕЛЯ И МЕХАНИЗМ РАЗДВИЖКИ СОПЛА РАКЕТНОГО ДВИГАТЕЛЯ
ROCKET ENGINE NOZZLE AND ITS EXPANSION GEAR

Изобретение относится к ракетной технике и может быть использовано при создании ракетного двигателя с раздвижным соплом.
Известно, что увеличение удельного импульса тяги за счет высокой степени расширения сопла при ограниченных габаритах ракеты и ракетного двигателя реализуется за счет применения сопла с телескопическими раздвижными насадками и механизмом их раздвижки [Фахрутдинов И.Х., Котельников А.В. Конструкция и проектирование ракетных двигателей твердого топлива: Учебник для машиностроительных вузов. - М.: Машиностроение, 1987. - 328 с: ил., страница 142, рис.6.14]. Данная конструкция применяется при наличии свободного объема между срезом раструба сопла и днищем ракетного двигателя. В указанном свободном объеме размещены раздвижные телескопические насадки и механизм их раздвижки. Рассматриваемая конструкция не применима в случае отсутствия (дефицита) свободного объема перед срезом раструба сопла (или, когда данный объем занят какими-либо агрегатами ракетного двигателя).
Наиболее близкими по технической сущности и достигаемому положительному эффекту к предлагаемому изобретению является лепестковое сопло и механизм его раздвижки [Фахрутдинов И.Х., Котельников А.В. Конструкция и проектирование ракетных двигателей твердого топлива: Учебник для машиностроительных вузов. - М.: Машиностроение, 1987. - 328 с: ил., страница 145, рис.6.20]. Сопло ракетного двигателя содержит раструб и складной насадок, образованный лепестками, кинематически связанными с раструбом механизмом раздвижки, обеспечивающим перевод лепестков из сложенного положения в рабочее. Сложенным положением лепестков может являться их вертикальное (радиальное) расположение, при котором требуется минимальный свободный объем перед срезом раструба сопла. Недостатками рассматриваемой конструкции являются:
- сравнительно большие габариты сопла в сложенном положении, вследствие чего требуется наличие свободного объема перед срезом раструба сопла при складывании лепестков поворотом вперед (почти на 180°), или требуется свободный объем в радиальном направлении (увеличение миделя ракеты) при складывании лепестков поворотом в вертикальное (радиальное) положение (на 90°). Большие габариты сопла в сложенном положении также обусловлены тем, что кривизна поворотных лепестков направлена в противоположную сторону относительно кривизны смежных элементов (например, днища предыдущей ступени, обечайки межступенчатого отсека),
- большое количество лепестков, приводящее как к структурному усложнению конструкции, так и к большому количеству стыков между лепестками, что также снижает надежность сопла при работе. Большое (8 и более) количество поворотных лепестков объясняется тем, что кривизна лепестков увеличивает габарит сложенного сопла (чем больше лепестков, тем меньше кривизна (отношение прогиба поперечного сечения к его хорде) одного лепестка),
- сложность механизма раздвижки, содержащего систему синхронизации поворота лепестков, сложность механизма раздвижки обуславливает его низкую надежность,
- большая масса конструкции, обусловленная сложностью конструкции механизма раздвижки и сопла и большим числом лепестков, каждый из которых содержит узел крепления лепестка к механизму раздвижки.
Технической задачей настоящего изобретения является упрощение конструкции сопла и механизма его раздвижки, уменьшение массы конструкции, повышение ее надежности, уменьшение габаритов сопла в сложенном положении.
Сущность изобретения «сопло ракетного двигателя» заключается в том, что в сопле ракетного двигателя, содержащем раструб и складной насадок, образованный лепестками, кинематически связанными с раструбом механизмом раздвижки, обеспечивающим перевод лепестков из сложенного положения в рабочее, образующая лепестка в сложенном положении, проведенная через плоскость его симметрии, параллельна образующей раструба, проведенной через эту же плоскость.
Сущность изобретения «механизм раздвижки сопла ракетного двигателя» заключается в том, что в механизме раздвижки сопла ракетного двигателя по предыдущему абзацу, содержащем элементы кинематической связи лепестков с раструбом сопла ракетного двигателя, элементы кинематической связи лепестков с раструбом образуют пантографы, связывающие соседние лепестки друг с другом. Каждый пантограф содержит продольную балку, связанную с каждым из двух соседних лепестков двумя шарнирно закрепленными планками. Каждый лепесток связан с раструбом направляющими элементами. В соседние лепестки может быть установлена с возможностью продольного перемещения штанга, расположенная перпендикулярно продольной оси сопла, а со штангой связан шток, установленный с возможностью продольного перемещения в стакане и образующий со стаканом подпоршневую полость, с которой сообщен пиропатрон. Стакан может образовывать продольную балку.
Технический результат в сопле ракетного двигателя достигается тем, что при параллельности образующей лепестка в сложенном положении, проведенной через плоскость его симметрии, образующей раструба, проведенной через эту же плоскость, сложенное положение лепестков образовано плоско-параллельным перемещением в радиально-осевом направлении каждого лепестка относительно его рабочего положения. Конфигурация сложенного положения лепестка, при которой любая его грань параллельна этой же грани лепестка в его рабочем положении, обеспечивает как кинематическую простоту складывания сопла, так и ее компактность. Кинематическая простота складывания обусловлена тем, что для складывания - раздвижки используется плоско-параллельное перемещение лепестков - самый простейший тип движения в природе. При этом одновременно обеспечивается компактность складывания за счет того, что при радиальном перемещении лепестков вверх за счет кривизны днища предыдущей ступени увеличивается свободное пространство для лепестка по направлению к этому днищу. При радиально-осевом перемещении лепестков вверх-вперед указанное свободное пространство для лепестка становится еще больше. Таким образом, предлагаемая компоновка сложенного сопла (равной степени расширения) обеспечивается в таких радиальных и осевых габаритах, в которых невозможно разместить ни телескопически сдвигаемый насадок, ни поворотный лепесток. При перемещении лепестков предлагаемой конструкции, их смежные продольные кромки движутся навстречу друг другу, а торцовые кромки перемещаются «вскользь» (с малым сближением, обусловленным непараллельностью кромки направлению движения) относительно кромок раструба. При этом достигается надежное сопряжение кромок лепестков в рабочем положении. Потребное для предлагаемой складки количество лепестков, кривизна которых направлена в одну сторону со смежными элементами (например, днищем предыдущей ступени, обечайкой межступенчатого отсека), является минимальным (сопло с поворотными лепестками содержит 8 и более лепестков вследствие того, что кривизна лепестков (зависящая от их количества) увеличивает габариты сложенного сопла). Минимальное количество лепестков не только структурно упрощает конструкцию, но и уменьшает количество стыков между лепестками, чем увеличивает надежность конструкции. Кинематическая простота складывания сопла создает предпосылки для упрощения механизма раздвижки сопла.
Технический результат в механизме раздвижки сопла ракетного двигателя достигается как простейшим (плоско-параллельным) характером перемещения лепестков для их складывания - раздвижки, так и тем, что в механизме раздвижки системы раздвижки лепестков и система синхронизации их движения объединены в единый узел. В этот же узел включен силовой привод раздвижки. Плоско-параллельное перемещение лепестков друг относительно друга обеспечивается пантографами, содержащими продольную балку, связанную с каждым из двух соседних лепестков двумя шарнирно закрепленными планками. При изменении расстояния между лепестками, связанными посредством пантографов в кольцевую систему, автоматически изменяется радиальное положение каждого лепестка. Осевое положение каждого лепестка при изменении его радиального положения регламентируется направляющими элементами, связывающими каждый лепесток с раструбом. Включение силового привода в механизм раздвижки достигается тем, что в соседние лепестки установлена с возможностью продольного перемещения штанга, расположенная перпендикулярно продольной оси сопла, а со штангой связан силовой привод. Силовой привод образует шток, установленный с возможностью продольного перемещения в стакане и образующий со стаканом подпоршневую полость, с которой сообщен пиропатрон. Совмещение стакана с продольной балкой упрощает конструкцию и снижает ее массу.
Данное техническое решение не известно из патентной и технической литературы.
Изобретение поясняется следующим графическим материалом:
на фиг.1 показан вид сбоку сопла в сложенном положении;
на фиг.2 показана выноска А фиг.1 в виде продольного разреза сопла в сложенном положении;
на фиг.3 показан вид сзади сопла (на его срез) в сложенном положении;
на фиг.4 показано сопло в сложенном положении в плоскости расположения направляющего элемента (нижняя половина рисунка без вырезов, верхняя половина - продольный разрез сопла Б-Б фиг.3);
на фиг.5 показано сопло в сложенном положении в изометрии (вид «спереди-сбоку»);
на фиг.6 показано сопло в сложенном положении в изометрии (вид «сзади-сбоку»);
на фиг.7 показан вид сбоку сопла в рабочем положении;
на фиг.8 показана выноска В фиг.7 в виде продольного разреза сопла в рабочем положении;
на фиг.9 показано сопло в рабочем положении в плоскости расположения направляющего элемента (нижняя половина рисунка без вырезов, верхняя половина - продольный разрез сопла Б-Б фиг.3 (с учетом рабочего положения));
на фиг.10 показано сопло в рабочем положении в изометрии (вид «спереди-сбоку»);
на фиг.11 показано сопло в рабочем положении в изометрии (вид «сзади-сбоку»).
Сопло ракетного двигателя содержит раструб 1 и складной насадок, образованный лепестками 2 (фиг.1). Лепестки 2 кинематически связанны с раструбом 1 механизмом раздвижки, обеспечивающим перевод лепестков 2 из сложенного положения L в рабочее положение N (фиг.2). Образующая Y лепестка 2 (фиг.4) в сложенном положении L, проведенная через плоскость Z его симметрии (фиг.3), параллельна образующей F раструба 1 (фиг.4), проведенной через эту же плоскость Z (фиг.3). На фиг.2 рабочее положение N лепестков 2 показано штриховой линией, пересекающей днище 3 предыдущей ступени, показанное тонкой линией. Сложенное положение L лепестков 2 не пересекает ни днище 3 предыдущей ступени, ни агрегаты 4 ракетного двигателя. Сложенное положение L лепестков 2 образовано плоско-параллельным перемещением в радиально-осевом направлении каждого лепестка 2 относительно его рабочего положения N. Лепестки 2 содержат продольные кромки 5 и торцовые кромки 6. Продольные кромки 5 в любом положении лепестков 2 параллельны друг другу.
Механизм раздвижки сопла ракетного двигателя по предыдущему абзацу содержит элементы кинематической связи лепестков 2 с раструбом 1. Элементы кинематической связи лепестков 2 с раструбом 1 образуют пантографы 7, связывающие соседние лепестки 2 друг с другом. Каждый пантограф 7 содержит продольную балку 8, связанную с каждым из двух соседних лепестков 2 двумя шарнирно закрепленными планками 9. Планки 9 установлены на продольной балке 8 посредством балочных шарниров 10 и связаны с лепестками 2 посредством лепестковых шарниров 11. Указанная конструктивная схема пантографов 7 обеспечивает то, что в любом своем положении лепестки 2 располагаются параллельно друг другу, т.е. определяет плоско - параллельный характер возможного перемещения лепестков 2, вызывающее изменение их радиального положения. Осевое положение каждого лепестка 2 при изменении его радиального положения регламентируется направляющими элементами 12, связывающими каждый лепесток 2 с раструбом 1. Простейшим направляющим элементом 12 является стержень, по которому может скользить проушина 13, жестко связанная с лепестком 2. Направляющие элементы 12 расположены в плоскости симметрии Z лепестков 2 (фиг.4). В соседние лепестки 2 может быть установлена с возможностью продольного перемещения штанга 14, расположенная перпендикулярно продольной оси сопла. Штанга 14 не только обеспечивает центрирование соседних лепестков 2 друг относительно друга, но и является упором для силового привода раздвижки. Силовой привод раздвижки выполнен в виде связанного со штангой 14 штока 15, установленного с возможностью продольного перемещения в стакане 16. Шток 15 образует со стаканом 16 подпоршневую полость 17, с которой сообщен пиропатрон 18. С целью упрощения конструкции и снижения ее массы стакан 16 может образовывать продольную балку 8 (быть совмещенным с ней).
Устройство работает следующим образом. В сложенном положении L лепестков 2 кольцо, образованное лепестками 2 и пантографами 7 с зафиксированным радиальным положением лепестков 2 посредством пантографов 7, удерживается и центрируется относительно раструба 1 направляющими элементами 12. В сложенном положении L лепестки 2 располагаются между агрегатами 4 ракетного двигателя и днищем 3 предыдущей ступени (причем, раструб 1 практически упирается в днище 3). После отделения днища 3 предыдущей ступени перевод лепестков 2 в рабочее положение N производится подачей электрического импульса на пиропатроны 18. В подпоршневой полости 17 возникает давление, воздействующее на шток 15 и стакан 16, расталкивая их. При упоре штока 15 в штангу 14 происходит выталкивание стакана 16 и, соответственно, продольной балки 8 вперед. Перемещение продольной балки 8 вперед относительно лепестков 2 вызывает синхронный поворот планок 9. При синхронном повороте планок 9 происходит взаимное сближение лепестков 2. Взаимное сближение лепестков 2 приводит к сжатию (уменьшению радиуса) кольца, образованного лепестками 2 и пантографами 7, т.е. к центростремительному радиальному перемещению лепестков 2. В процессе центростремительного радиального перемещения лепестков 2 по направляющим элементам 12 (стержням) скользят проушины 13, каждая из которых жестко связана со своим лепестком 2. Тем самым регламентируется осевое положение каждого лепестка 2 при изменении его радиального положения в процессе центростремительного радиального перемещения лепестков 2. В результате радиально-осевого перемещения лепестков 2 их продольные кромки 5 смыкаются между собой, а торцовые кромки 6 примыкают к раструбу 1, обеспечивая герметичность сопла в рабочем положении N, а лепестки 2 занимают рабочее положение N. Лепестки 2 фиксируются друг относительно друга известными механизмами, например, цанговыми защелками. Далее производится запуск ракетного двигателя, и сопло работает как единое целое.
Технико-экономическая эффективность предлагаемого изобретения, по сравнению с прототипом, в качестве которого выбраны лепестковое сопло и механизм его раздвижки [Фахрутдинов И.Х., Котельников А.В. Конструкция и проектирование ракетных двигателей твердого топлива: Учебник для машиностроительных вузов. - М.: Машиностроение, 1987. - 328 с: ил., страница 145, рис.6.20], заключается в упрощении конструкции сопла и механизма его раздвижки, уменьшении массы конструкции, повышении ее надежности, уменьшении габаритов сопла в сложенном положении.