КОМБИНИРОВАННОЕ СОПЛО С ЦЕНТРАЛЬНЫМ ТЕЛОМ

Предлагаемая полезная модель относится к области ракетостроения, в частности, к жидкостным ракетным двигателям.
Известно сопло с внешним расширением (штыревое сопло), состоящее из круглого центрального тела, выполненного в виде штыря, по периметру основания которого установлена торовая камера, а между обечайкой торовой камеры и круглым центральным телом организована узкая кольцевая щель. [Книга «Основы теории и расчета жидкостных ракетных двигателей». Под редакцией В.М.Кудрявцева. Том 1, стр.370]
В сопле с внешним расширением (штыревое сопло) сверхзвуковая струя, истекающая из узкой кольцевой щели, ограничивается, с одной стороны, твердой стенкой центрального тела, а, с другой, свободной поверхностью струи (предельной линией тока), которая ограничивается атмосферным давлением на данной высоте полета ракеты (давление газа на внешней границе всегда равно атмосферному). Благодаря наличию свободной поверхности струи, сопло с внешним расширением обладает способностью автоматического регулирования высотности, то есть на любой высоте полета ракеты оно работает на расчетном режиме.
Недостатком такого технического решения является то, что известное сопло может работать только на твердом топливе, что ограничивает использование штыревого сопла.
Известно также комбинированное сопло ракетного двигателя с внешним расширением, способное работать на жидком топливе, состоящее из круглого центрального тела, выполненного в виде штыря, по периметру основания которого установлены круглые камеры сгорания со сверхзвуковыми соплами. [Статья «Advanced Rocket Nozzles». Журнал «Journal of Propulsion and Power». Vol.14, No. 5, 1998. Авторы: Gerald Hagemann, Космический центр, Германия; Thong Van Nguyen, Корпорация «Aerojet», Америка; Геннадий Е. Думнов, Центр Келдыша, Россия.].
При такой схеме вместо торовой камеры используют круглые камеры сгорания со сверхзвуковыми соплами, размещенными в один ряд по периметру центрального тела.
Недостатком данной схемы сопла является существенные потери тяги, вызванные столкновением на стенке центрального тела сверхзвуковых струй, которые истекают из сверхзвуковых сопел камер сгорания двигателя (сверхзвуковые струи никогда не смешиваются).
Целью данной полезной модели является повышение эффективности комбинированного сопла ракетного двигателя с внешним расширением.
Цель достигается тем, что в сопле ракетного двигателя с внешним расширением (штыревом сопле), состоящем из круглого центрального тела, выполненного в виде штыря, по периметру его основания установлена торовая камера, а между обечайкой торовой камеры и круглым центральным телом организована узкая кольцевая щель, торовая камера соединена с цилиндрическими камерами сгорания ракетного двигателя, установленными на ее глухом торце, при этом оси камер сгорания параллельны оси центрального тела сопла.
Поставленная цель достигается также за счет того, что камеры сгорания ракетного двигателя снабжены звуковыми соплами.
На фиг.1 изображено продольное сечение сопла с внешним расширением, снабженное цилиндрическими камерами сгорания ракетного двигателя.
На фиг.2 изображен разрез сопла в сечении А-А.
На фиг.3 изображено продольное сечение сопла с внешним расширением, снабженное камерами сгорания со звуковыми соплами.
Сопло ракетного двигателя с внешним расширением (штыревое сопло) состоит из круглого центрального тела 1, выполненного в виде штыря, по периметру основания которого установлена торовая камера 2, а между обечайкой торовой камеры 2 и круглым центральным телом 1 организована узкая кольцевая щель (критическое сечение) 3. Согласно предлагаемой полезной модели торовая камера 2 соединена с цилиндрическими камерами сгорания 4 ракетного двигателя, установленными на глухом ее торце, при этом оси камер сгорания 4 параллельны оси центрального тела 1 сопла. Камеры сгорания 4 ракетного двигателя снабжены звуковыми соплами 5.
Заявляемое комбинированное сопло ракетного двигателя с внешним расширением работает следующим образом.
Продукты сгорания компонент топлива из камер сгорания 4 ракетного двигателя или из звуковых сопел 5 камер сгорания 4 втекают со звуковой скоростью в торовую камеру 2. Так как скорости струй газа звуковые, в торовой камере 2 легко происходит их перемешивание. Затем струя газа из торовой камеры 2 истекает единым сплошным потоком через узкую кольцевую щель 3 со сверхзвуковой скоростью. На криволинейном контуре центрального тела 1 происходит свободное расширение и ускорение единой сверхзвуковой струи газа, а на кромке критического сечения 3 торовой камеры 2 происходит разворот потока (возникает течение Прандтля - Майера) до тех пор, пока давление газа на внешней границе свободной струи не сравняется с атмосферным. Таким образом, в штыревом сопле сверхзвуковая струя с одной стороны ограничивается твердой стенкой центрального тела, а с другой - внешней граничной линией тока (атмосферным давлением), в результате чего штыревое сопло всегда работает на расчетном режиме.
В данном случае торовая камера используется как ресивер для накопления продуктов сгорания топлива, в ней не происходит горение компонент топлива. Поэтому в торовой камере не возникает высокочастотных колебаний давления газа и связанные с ними разрушения камеры.
Использование полезной модели позволяет устранить потери тяги, возникающие из-за столкновения сверхзвуковых струй на стенке центрального тела, так как на его поверхности они уже не возникают, что дает возможность увеличить полезный груз или дальность полета летательного аппарата, что в свою очередь дает положительный экономический эффект.