УСТРОЙСТВО ДЛЯ ГАШЕНИЯ ПОПЕРЕЧНЫХ УСИЛИЙ ВСЛЕДСТВИЕ ОТДЕЛЕНИЯ РЕАКТИВНОЙ СТРУИ, ДЕЙСТВУЮЩИХ НА СОПЛО РЕАКТИВНОГО ДВИГАТЕЛЯ, И СОПЛО РЕАКТИВНОГО ДВИГАТЕЛЯ
DEVICE TO SUPPRESS TRANSVERSE FORCES BY SEPARATION OF REACTIVE JET ACTING AT JET ENGINE NOZZLE, AND JET ENGINE NOZZLE

Область техники
Настоящее изобретение относится к соплам реактивных двигателей, и в частности к соплам, которые подвержены явлению отделения реактивной струи, создающему значительные поперечные усилия.
Уровень техники
Для получения высоких удельных импульсов на высоте реактивные двигатели оснащены соплами с большим коэффициентом расширения. На практике для конкретного реактивного двигателя в ходе его подъема в атмосфере давление окружающей среды снижается, начиная с атмосферного давления на уровне моря, до низкого давления, являющегося функцией высоты. Обычно сопла оптимизируют как функцию общих рабочих параметров летательной установки, что приводит к использованию сопел, тяга которых достигает максимума на так называемой «критической» высоте. Вследствие этого при атмосферном давлении на уровне моря расширение газа в сопле ограничено явлением отделения струи от стенки расширяющейся выходной части сопла.
Это явление имеет место в течение всей фазы полета от пуска и до критической высоты, которая может находиться, например, на расстоянии порядка десяти километров от уровня земли. На этой высоте тяга становится максимальной вследствие того, что статическое давление газа в выходном участке сопла становится равным относительно низкому давлению окружающей среды. В течение всей этой фазы полета статическое давление газа в выходном участке сопла намного ниже давления окружающей среды, что вызывает явление отделения реактивной струи, которое прекращается на критической высоте. Явление отделения реактивной струи присутствует также во время фазы остановки двигателя на земле.
Отделение реактивной струи особенно важно в фазах запуска или остановки на земле, если таковая имеет место. В частности, существует риск того, что поперечные усилия, создаваемые отделением реактивной струи, вызовут повреждение креплений двигателя на летательной установке, что может иметь вредные и даже катастрофические последствия для летательной установки и пусковой базы (разрушение пусковой площадки и т.д.).
Уже предлагались решения различных типов для ограничения воздействия отделения реактивной струи. Одно из этих решений заключается в том, чтобы обеспечить восприятие этих поперечных усилий, действующих на расширяющуюся часть сопла, с помощью механических устройств ориентации, разнесенных вокруг сопла. При наличии таких устройств в случае отделения реактивной струи силовые приводы передают на расширяющуюся часть опорное усилие, направленное противоположно поперечному усилию, создаваемому отделением реактивной струи. Энергия, поступающая к расширяющейся части вследствие отделения реактивной струи, преобразуется в кинетическую энергию наклона двигателя. Если амплитуда и направление отделения сохраняются, достигается максимальный ход соответствующего устройства ориентации, и оно доходит до упора. При упоре упругая деформация устройства ориентации позволяет рассеять кинетическую энергию двигателя с преобразованием ее в потенциальную энергию деформации. Однако, если уровень подлежащей рассеиванию энергии слишком высок, по достижении упора эти усилия превышают предельные нагрузки на соответствующие детали, что может вызывать их разрушение и создает опасность разрушения летательной установки на пусковой площадке.
Раскрытие изобретения
Задачей изобретения является устранение указанных недостатков и создание устройства для гашения поперечных усилий вследствие отделения реактивной струи, обладающего высочайшей надежностью при всех обстоятельствах.
В соответствии с изобретением решение задачи достигается благодаря устройству для гашения поперечных усилий вследствие отделения реактивной струи, действующих на сопло реактивного двигателя во время фазы запуска или остановки двигателя, причем двигатель содержит камеру сгорания, в которой происходит генерация газов сгорания, связанное с камерой сгорания сопло, в котором происходит сверхзвуковое истечение газов сгорания, и по меньшей мере два идентичных устройства ориентации, установленных на сопле для восприятия действующих на сопло поперечных усилий, при этом каждое устройство ориентации содержит:
первый узел, образующий тягу, первый конец которой шарнирно укреплен на сопле,
второй узел, образующий звено крепления, первый конец которого шарнирно укреплен на камере сгорания, а второй конец шарнирно прикреплен ко второму концу тяги, и
приводной узел, первый конец которого служит для шарнирного крепления на неподвижной конструкции летательной установки, а второй конец шарнирно прикреплен ко второму концу звена крепления,
отличающееся тем, что каждая тяга содержит средства, которые позволяют ей выступать в качестве жесткой тяги, пока поперечные усилия, действующие на приводной узел, остаются ниже заданного порога усилия, и в качестве элемента ограничения усилия и рассеивания остаточной кинетической энергии, когда действующие на приводной узел усилия превышают заданный порог усилия.
Порог усилия определяется как функция максимальной допустимой нагрузки на устройство ориентации, а именно, на его приводной узел (образованный, например, силовым цилиндром). На практике этот порог усилия соответствует усилию, измеренному непосредственно на силовом цилиндре. При этом понятно, что если усилия, действующие на тяги устройств ориентации, остаются ниже заданного порога усилия, тяги работают как простые жесткие стержни. В отличие от этого, когда действующие на приводные узлы усилия превышают заданный порог усилия, тяги прекращают свое действие в качестве жестких стержней, ограничивая уровень усилий, передаваемых на конструкцию, и рассеивая остаточную кинетическую энергию. За счет этого устройство по изобретению позволяет ограничивать усилия на креплениях двигателя к летательной установке во избежание их разрушения. Это повышает безопасность летательной установки и пусковой площадки.
Предпочтительно каждая тяга содержит жесткий элемент, жестко соединенный с двумя концами тяги, элемент, продольно деформируемый под действием усилия сжатия или растяжения, жестко соединенный с двумя концами тяги, и средства для отсоединения жесткого элемента от по меньшей мере одного из двух концов тяги, когда действующие на сопло усилия превышают заданный порог усилия.
Предпочтительно деформируемый элемент тяги содержит трубку, которая проходит в продольном направлении тяги и снабжена множеством окружных щелей. За счет этого трубка способна подвергаться пластической деформации при растяжении или сжатии.
Согласно первому возможному примеру выполнения жесткий элемент тяги содержит стержень, один конец которого жестко прикреплен непосредственно к тяге, а другой конец жестко прикреплен к тяге с помощью срезного штифта, способного разрушаться, когда действующие на сопло усилия превышают заданный порог усилия, так, чтобы отсоединять стержень от по меньшей мере одного из концов тяги.
Согласно второму возможному примеру выполнения жесткий элемент тяги содержит трубчатую оболочку, расположенную вокруг деформируемой трубки, а тяга дополнительно содержит пиротехнические заряды, разнесенные вокруг оболочки таким образом, чтобы обеспечивать ее разрыв в поперечном направлении для отсоединения оболочки от по меньшей мере одного из концов тяги, причем взрыв указанных зарядов происходит, когда действующие на сопло усилия превышают заданный порог усилия.
Согласно третьему возможному примеру выполнения жесткий элемент тяги содержит по меньшей мере одну стойку связи, два конца которой жестко укреплены на тяге, а тяга дополнительно содержит пиротехнические заряды, разнесенные вокруг каждой стойки таким образом, чтобы обеспечивать ее разрыв в поперечном направлении для отсоединения стойки от по меньшей мере одного из концов тяги, причем взрыв указанных зарядов происходит, когда действующие на сопло усилия превышают заданный порог усилия.
Предпочтительно пиротехнические заряды инициируются системой, служащей для измерения уровня усилия в соответствующем приводном узле и посылающей команду на активацию зарядов, когда этот уровень усилия превышает заданный порог.
Предметом изобретения является также сопло реактивного двигателя, содержащее описанное устройство для гашения поперечных нагрузок вследствие отделения реактивной струи.
Краткий перечень чертежей
Далее со ссылками на прилагаемые чертежи будут подробно описаны не налагающие ограничений примеры осуществления изобретения, другие его особенности и преимущества. На чертежах:
фиг.1 изображает в перспективе сопло реактивного двигателя, оснащенное устройством гашения поперечных усилий вследствие отделения реактивной струи в первом примере выполнения,
фиг.2 изображает вид в разрезе по линии II-II на фиг.1,
фиг.3 изображает в перспективе тягу устройства по фиг.1 и 2,
фиг.4A и 4B изображают тягу в двух различных состояниях на виде в продольном разрезе по линии IV-IV на фиг.3,
фиг.5 изображает в перспективе тягу во втором примере выполнения,
фиг.6A и 6B изображают тягу в двух различных состояниях на виде в продольном разрезе по линии VI-VI на фиг.5,
фиг.7 и 8 изображают на виде в перспективе и в продольном разрезе, соответственно, тягу в третьем примере выполнения,
фиг.9 представляет собой график, отражающий амплитуду усилия, действующего на сопло по изобретению.
Осуществление изобретения
Настоящее изобретение относится к устройству для гашения поперечных усилий, содержащему по меньшей мере два устройства ориентации, разнесенных вокруг сопла 10 реактивного двигателя.
Эти устройства ориентации управляются в основном для ориентации двигателя во время полета с целью управления полетом летательной установки, но они могут также воспринимать усилия, вызываемые отделением реактивной струи и действующие на расширяющуюся часть 12, которая продолжает камеру 14 сгорания с наружной стороны от критического сечения 16 сопла.
В примере выполнения по фиг.1 и 2 два устройства A и B ориентации идентичны и установлены на сопле 10 симметрично вокруг оси X-X двигателя. Таким образом, два устройства ориентации расположены с образованием между ними углов, близких к 180°.
Каждое устройство A, B ориентации содержит первый узел 102, образующий тягу, первый конец 102а которой шарнирно укреплен на расширяющейся части 12 сопла 10, и второй узел 104, образующий звено крепления, первый конец 104а которого шарнирно укреплен на камере 14 сгорания двигателя, а второй конец 104b шарнирно прикреплен ко второму концу 102b соответствующей тяги 102. Тяга 102 каждого устройства ориентации проходит продольно по основной оси Y-Y, которая расположена наклонно относительно оси X-X двигателя.
Кроме того, каждое устройство A, B ориентации содержит приводной узел 106, первый конец 106а которого служит для шарнирного крепления на неподвижной конструкции летательной установки (на чертежах не показано), а второй конец 106b шарнирно прикреплен ко второму концу 104b соответствующего звена 104 крепления. Приводные узлы 106 могут быть образованы силовыми цилиндрами управления полетом различных типов, например, электрическими или гидравлическими.
Основной принцип работы этих устройств ориентации заключается в следующем. Когда во время фазы запуска или остановки на земле в сопле возникает явление отделения реактивной струи большой амплитуды, неуравновешенность давлений на выходе сопла вызывает усилия, действующие на расширяющуюся часть в поперечном направлении. Эти поперечные усилия раскладываются на составляющие усилия, действующие на растяжение или сжатие тяг 102 и далее силовых цилиндров 106 управления полетом устройств A, B ориентации. В качестве реакции силовые цилиндры управления полетом передают на расширяющуюся часть сопла посредством тяг 102 усилие в обратном направлении и силу, по существу равную по величине поперечным усилиям.
Согласно изобретению каждая тяга 102 устройств ориентации содержит средства, которые позволяют ей выступать в качестве жесткой тяги, пока поперечные усилия, действующие на приводной узел, остаются ниже заданного порога усилия, и в качестве элемента ограничения усилия и рассеивания остаточной кинетической энергии, когда действующие на приводной узел усилия превышают заданный порог усилия.
Далее будет описаны возможные примеры выполнения этих средств.
Согласно первому примеру выполнения по фиг.1, 2, 3, 4A и 4B каждая тяга 102 устройства ориентации содержит трубку 108, которая проходит продольно по основной оси Y-Y тяги и жестко укреплена на ее двух концах 102а, 102b.
В трубке 108 выполнено множество окружных щелей (или прорезей) 110. Материал, из которого изготовлена трубка, форма, распределение и размеры щелей выбраны таким образом, что под действием продольного механического усилия трубка может подвергаться пластической деформации (то есть она не возвращает поглощенную энергию) на сжатие и растяжение (подобно пружине). Обеспечение такой пластической деформации известно специалистам в данной области и здесь подробно не описывается.
Кроме того, каждая тяга 102 содержит жесткий стержень 112, который проходит продольно по основной оси Y-Y тяги, причем один его конец жестко прикреплен непосредственно к концу 102b тяги (или совпадает с ним), а другой конец жестко прикреплен к другому концу 102а тяги с помощью срезного штифта 114. Штифт спроектирован таким, чтобы разрушаться вследствие срезания, когда на тягу 102 действует заданный порог усилия, причем этот порог усилия определен как функция максимальной допустимой нагрузки на устройство ориентации, а именно, на силовой цилиндр 106 управления полетом.
Как показано более подробно на фиг.4A, 4B, срезной штифт 114 проходит насквозь через стержень 112 в поперечном направлении, а концы указанного штифта установлены в соответствующих выемках конца 102а тяги 102.
Устройство для гашения поперечных усилий вследствие отделения реактивной струи в первом примере его выполнения работает следующим образом. В случае возникновения явления отделения реактивной струи каждая тяга 102, а следовательно, и каждый стержень 112, подвергается действию усилий растяжения или сжатия вдоль своей основной оси Y-Y. Пока эти усилия не превышают заданного порога усилия, соответствующий штифт 114 остается целым и устройство ведет себя как жесткая тяга (фиг.4A). Если усилия превышают этот заданный порог усилия, штифт 114 разрушается срезом, вызывая за счет этого отсоединение стержня 112 от одного из концов тяги 102 (в примере по фиг.4B это конец 102а). В результате усилия передаются между двумя концами 102а, 102b уже не стержнем 112, а трубкой 108. Эта последняя под действием усилий деформируется на растяжение или сжатие (в примере по фиг.4В трубка 108 подвергается пластической деформации на растяжение, как показано стрелками). Таким образом, деформация трубки 108 позволяет ограничить усилия, воспринимаемые приводным узлом и его креплениями и рассеять остаточную кинетическую энергию двигателя.
Во втором примере выполнения, показанном на фиг.5, 6A и 6B, каждая тяга 102 устройства ориентации содержит деформируемую трубку 108, которая проходит продольно по основной оси Y-Y тяги и жестко укреплена на ее двух концах 102а, 102b. По форме и принципу действия эта трубка 108 идентична описанной в связи с первым примером выполнения.
Кроме того, каждая тяга 102 содержит жесткую трубчатую оболочку (или корпус) 116, которая проходит продольно по основной оси Y-Y тяги, окружает деформируемую трубку 108 и жестко укреплена двух концах 102а, 102b тяги. Эта жесткая оболочка 116 изготовлена из материала, допускающего передачу усилий, и укреплена на концах тяги, например, болтовым соединением, сваркой или другими средствами.
Кроме того, каждая тяга 102 содержит пиротехнические заряды 118, которые внедрены в оболочку 116 и расположены по всей окружности вокруг основной оси Y-Y тяги. В качестве примера заряды могут быть выполнены в виде шнура взрывчатого вещества, как показано на фиг.5 и 6A.
Характер, количество и расположение пиротехнических зарядов выбраны такими, чтобы из взрыв вызывал полный разрыв оболочки 116 в поперечном направлении. Эти критерии зависят, в частности, от материала оболочки 116, ее размеров, толщины и т.д.
Эти пиротехнические заряды 118 взрываются, когда усилие, действующее на тягу, а следовательно на оболочку 116, превышает заданный порог усилия. В качестве примера инициирование взрыва зарядов может производиться системой (на чертежах не показана), которая образует часть летательной установки и служит для измерения уровня усилия в приводном узле, посылая команду активации зарядов, когда этот уровень усилия превышает заданный порог.
Устройство для гашения поперечных усилий вследствие отделения реактивной струи во втором примере его выполнения работает следующим образом. В случае возникновения явления отделения реактивной струи каждая тяга 102, а следовательно и каждая жесткая оболочка 116, подвергается действию усилий растяжения или сжатия вдоль своей основной оси Y-Y. Пока эти усилия не превышают заданного порога усилия, пиротехнические заряды 118 не взрываются, и устройство ведет себя как жесткая тяга (фиг.6A). Если усилия превышают этот заданный порог усилия, пиротехнические заряды 118 взрываются, тем самым вызывая разрыв жесткой оболочки 116 на две части (в примере по фиг.6В разрыв жесткой оболочки вызывает разделение двух концов 102а, 102b тяги, и теперь они остаются соединенными только рассеивающим элементом 108). Более точно, взрыв пиротехнических зарядов вызывает разделение оболочки 116, ее две части могут отойти друг от друга (в случае воздействия на тягу усилия растяжения) или перекрыть друг друга, как показано на фиг.6B (в случае воздействия на тягу усилия сжатия). В результате между двумя концами 102а, 102b усилия передаются уже не оболочкой 116, а трубкой 108. Эта последняя под действием усилий деформируется на растяжение или сжатие, как это объяснялось выше.
В третьем примере выполнения, показанном на фиг.7 и 8, каждая тяга 102 устройства ориентации содержит деформируемую трубку 108, которая проходит продольно по основной оси Y-Y тяги и жестко укреплена на ее двух концах 102а, 102b. По форме и принципу действия эта трубка 108 идентична описанной в связи с первым примером выполнения.
Кроме того, каждая тяга 102 содержит, по меньшей мере, одну стойку 120 жесткой связи, которая проходит продольно вдоль основной оси Y-Y тяги и жестко укреплена двумя ее концами на двух концах 102а, 102b тяги (в качестве примера стойки 120 жесткой связи укреплены на поперечных листах 122 с помощью винтов 123). В примере выполнения по фиг.7 и 8 имеются три стойки 120 связи, равномерно разнесенные вокруг оси Y-Y тяги. Они изготовлены, например, из материала, допускающего передачу усилий.
Кроме того, каждая тяга 102 содержит пиротехнические заряды 124, которые внедрены в жесткие стойки 120 и расположены вокруг их соответствующих продольных осей. В качестве примера заряды могут быть выполнены в виде шнуров взрывчатого вещества, как показано на фиг.7 и 8.
Характер, количество и расположение пиротехнических зарядов 124 выбраны такими, чтобы из взрыв вызывал поперечный разрыв каждой жесткой стойки 120. Эти критерии зависят, в частности, от материала стоек 120, их размеров, толщины и т.д.
Эти пиротехнические заряды 124 взрываются, когда усилие, действующее на тягу, а следовательно на стойки 120 связи, превышает заданный порог усилия. В качестве примера инициирование взрыва зарядов может производиться системой, образующей часть летательной установки и служащей для измерения уровня усилия в приводном узле, посылая команду активации зарядов, когда этот уровень усилия превышает заданный порог.
Кроме того, между стойками 120 связи и трубкой 108 могут быть помещены пластины 125, образующие дефлекторы, чтобы предотвращать повреждение трубки при взрыве пиротехнических зарядов 124.
Устройство для гашения поперечных усилий от отделения реактивной струи в третьем примере его выполнения работает следующим образом. В случае возникновения явления отделения реактивной струи каждая тяга 102, а следовательно и каждая стойка 120 жесткой связи, подвергается действию усилий растяжения или сжатия вдоль основной оси Y-Y. Пока эти усилия не превышают заданного порога усилия, пиротехнические заряды 124 не взрываются, и устройство ведет себя как жесткая тяга (фиг.7). Если усилия превышают этот заданный порог, пиротехнические заряды 124 взрываются, тем самым вызывая отсоединение стоек 120 связи по меньшей мере от одного конца тяги 102 (в примере по фиг.8 жесткие стойки 120 отсоединяются от обоих концов 102а, 102b тяги). Более точно, взрыв пиротехнических зарядов вызывает разделение стоек 120 связи на несколько кусков. Разделение обеспечивается таким образом, что центральные куски выдавливаются поперечно в случае сжатия тяги (разделение происходит путем наклонного разрыва, как показано на фиг.8). В результате усилия передаются между двумя концами 102а, 102b уже не стойками 120 связи, а трубкой 108. Трубка под действием усилий деформируется на растяжение или сжатие, как это объяснялось выше.
Далее со ссылкой на фиг.9 будет описан эффект, достигаемый при использовании устройства для гашения поперечных усилий вследствие отделения реактивной струи в соответствии с изобретением.
На этом чертеже кривая 126 представляет как функцию времени амплитуду поперечных усилий, воздействующих на известное сопло уровня техники (то есть сопло, не оснащенное устройством по изобретению). Напротив, кривая 128 демонстрирует амплитуду поперечных усилий, воздействующих на сопло в соответствии с изобретением. Горизонтальная линия 130 схематично изображает максимальное допустимое усилие (или нагрузку) на конструкцию летательной установки и силовые цилиндры устройств ориентации устройства по изобретению.
Эти кривые иллюстрируют различные фазы. Во время первого интервала Т1 времени воздействующее на сопло поперечное усилие воспринимается приводными узлами устройств ориентации. Во втором интервале Т2 времени, начиная с определенного уровня усилия, внутреннее устройство соответствующего приводного узла ограничивает передаваемое на конструкцию усилие посредством того, что допускает поворот двигателя и преобразование энергии отделения реактивной струи в кинетическую энергию. В этой фазе устройство по изобретению продолжает вести себя как жесткая тяга. В третьем интервале Т3 времени (если отделение реактивной струи сохраняет амплитуду и направление) достигнут максимальный ход приводного узла и последний доходит до упора. Обеспечиваемое приводным узлом ограничение прекращается, и передаваемое на конструкцию усилие снова начинает возрастать до достижения заданного порога усилия, при котором срезаются штифты (первый пример выполнения) или при котором взрываются пиротехнические заряды (второй и третий примеры выполнения). В ходе этой фазы устройство по изобретению действует в качестве ограничителя усилий за счет преобразования кинетической энергии в энергию упругой деформации, а затем в энергию пластической деформации. И наконец, в четвертом интервале Т4 времени происходит возврат энергии упругой деформации, пока усилие не падает до нуля.