РАКЕТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА
SOLID-PROPELLANT ROCKET ENGINE

Изобретение относится к ракетной технике и может быть использовано при создании малогабаритного ракетного двигателя твердого топлива (РДТТ) с поворотным соплом.
Известные конструктивные схемы управления вектором тяги РДТТ [Абугов Д.И., Бобылев В.М. Теория и расчет ракетных двигателей твердого топлива. Учебник для машиностроительных вузов. - М.: Машиностроение, 1987 - 272 с., ил., раздел 10.6, страница 188] проблематично реализовать на малогабаритных РДТТ, диаметр критического сечения сопла которых не превышает 1-2 мм.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому положительному эффекту к предлагаемому изобретению является РДТТ с системой управления вектором тяги поворотного сопла [Франция, заявка №2370864]. Ракетный двигатель твердого топлива содержит твердое топливо, корпус и поворотное сопло, часть наружной поверхности которого формирует шар, контактирующий со сферическим гнездом, выполненным в корпусе. Поворотное сопло и сферическое гнездо, выполненное в корпусе, выполнены из графита и углеродных соединений. Перетекание продуктов сгорания через зазор между сопрягаемыми деталями поворотного сопла и корпуса приводит к нагреву сопрягаемых деталей, но вполне допустимо. Допустимость нагрева обусловлена применением эрозионностойких графита и углеродных соединений (например, углерод-углеродного композиционного материала (УУКМ)). Однако выполнение малогабаритных деталей (сопла, диаметр критического сечения которого не превышает 1-2 мм) из анизотропных графита и углеродных соединений проблематично, а из УУКМ невозможно из-за его структуры. УУКМ состоит из перекрещивающихся нитей, расстояние между которыми (размер ячейки) составляет ~3 мм (т.е. сопоставимо с размером сопла).
Технической задачей настоящего изобретения является обеспечение возможности снижения размеров РДТТ, упрощение конструкции и повышение ее надежности.
Сущность изобретения заключается в том, что в ракетном двигателе твердого топлива, содержащем твердое топливо, корпус и поворотное сопло, часть наружной поверхности которого формирует шар, контактирующий со сферическим гнездом, выполненным в корпусе, твердое топливо имеет температуру продуктов сгорания, не превышающую 1500°С, при этом поворотное сопло и часть корпуса, формирующая сферическое гнездо, выполнены из металла. Вокруг сферического гнезда выполнен патрубок, в который на резьбе установлена втулка, контактирующая с шаровой частью поворотного сопла. На наружной части поворотного сопла со стороны его среза выполнен цилиндрический участок с резьбой, посредством которой на поворотное сопло установлен элемент кинематики (рычаг). На шаровой части поворотного сопла могут быть выполнены две кольцевые выборки, в которые установлены кольца, выполненные из терморасширенного графита. Во втулке может быть установлен фильтр из прессованной металлической сетки или путанки. На поворотном сопле могут быть выполнены неосесимметричные выборки.
Технический результат достигается за счет применения в РДТТ низкотемпературного твердого топлива, имеющего температуру продуктов сгорания, не превышающую 1500°С, что позволяет выполнить сопрягаемые детали поворотного сопла и корпуса из металла (например, из жаростойкой стали). Металл в отличие от анизотропного УУКМ является изотропным. Однородная структура металла позволяет изготавливать из него достаточно малые детали с характерным размером несколько миллиметров (что для УУКМ невозможно). Использование металла позволяет изготовить поворотное сопло в виде монодетали, для которой не требуется критический вкладыш, подложка, арматура и прочие элементы, из которых обычно состоит сопло. Указанная монодеталь содержит на наружной части поворотного сопла со стороны его среза цилиндрический участок с резьбой. Посредством данной резьбы на поворотное сопло установлен элемент кинематики (рычаг, посредством которого производится качание сопла). Осевая фиксация поворотного сопла производится втулкой, контактирующей с шаровой частью поворотного сопла. Втулка установлена на резьбе в патрубок, выполненный вокруг сферического гнезда корпуса. Предложенная конструкция РДТТ имеет минимальное число деталей, чем достигается ее простота и надежность. Дальнейшее повышение надежности предлагаемой конструкции может проводиться в направлении уменьшения трения между поворотным соплом и корпусом, снижения утечек продуктов сгорания через зазор между сопрягаемыми деталями поворотного сопла и корпуса, обеспечения герметичности РДТТ в процессе наземной эксплуатации. При выполнении сопрягаемых деталей из металла появляется возможность установки в зазор между сопрягаемыми деталями поворотного сопла и корпуса графитовых колец, одновременно обеспечивающих уплотнение зазора и снижающих трение между сопрягаемыми деталями. Наиболее полно данные задачи выполняет терморасширенный графит, упругие свойства которого обеспечивают сохранение поджатия уплотнения в течение всего срока эксплуатации. При этом наиболее простая конструкция получается, когда на шаровой части поворотного сопла выполнены две кольцевые выборки, в которые установлены кольца, выполненные, например, из терморасширенного графита. Твердое топливо, имеющее температуру продуктов сгорания, не превышающую 1500°С, не содержит металлизированных добавок. Однако за счет неполноты сгорания и термодеструкции элементов конструкции в продуктах сгорания могут содержаться микрочастицы. Предотвращение засорения и зашлаковки сопла (как его проточной части, так и поверхностей, сопрягаемых со сферическим гнездом корпуса) достигается тем, что во втулке установлен фильтр из прессованной металлической сетки или путанки. Упрощение сборки РДТТ достигается тем, что при сборке в неподвижный элемент кинематики вворачивается поворотное сопло. Для этого на поворотном сопле выполнены неосесимметричные выборки (отверстия, пазы), сопрягаемые с технологическим ключом (типа отвертки). Совокупность представленных технических решений обеспечивает упрощение конструкции и соответствующее повышение ее надежности.
Данное техническое решение не известно из патентной и технической литературы.
Изобретение поясняется следующим графическим материалом:
на фиг.1 в разрезе показан вариант РДТТ с сопряжением поворотного сопла с корпусом типа «сталь по стали»;
на фиг.2 в разрезе показан вариант РДТТ с кольцами, выполненными из терморасширенного графита.
Ракетный двигатель твердого топлива содержит корпус 1, твердое топливо, размещенное в корпусе 1 (на фиг. условно не показано), и поворотное сопло 2. Поворотное сопло 2 выполнено в виде металлической монодетали. Часть наружной поверхности поворотного сопла 2 формирует шар 3, контактирующий со сферическим гнездом 4, выполненным в корпусе 1. Часть корпуса 1, формирующая сферическое гнездо 4, выполнена из металла (стали), а вокруг сферического гнезда выполнен патрубок 5. В патрубок 5 на резьбе 6 установлена втулка 7. Втулка 7 контактирует с шаровой частью 3 поворотного сопла 2. Тем самым втулка 7 фиксирует сопло 2 в осевом направлении, прижимая поворотное сопло 2 к сферическому гнезду 4. На наружной части поворотного сопла 2 со стороны его среза выполнен цилиндрический участок с резьбой 8, посредством которой на поворотное сопло 2 установлен элемент 9 кинематики (рычаг, посредством которого производится качание сопла 2). На шаровой части 3 поворотного сопла 2 выполнены две кольцевые выборки 10. В кольцевые выборки 10 установлены кольца 11, выполненные из терморасширенного графита. При установке в патрубок 5 на резьбе 6 втулки 7 происходит поджатие уплотнительных колец 11. Во втулке 7 установлен фильтр 12, предназначенный для улавливания конденсированных микрочастиц из продуктов сгорания и предотвращающий засорение и зашлаковку сопла 2 (как его проточной части, так и поверхностей, сопрягаемых со сферическим гнездом 4 корпуса 1). Фильтр 12 выполнен в виде блока прессованной металлической сетки или путанки. На поворотном сопле 2 выполнены неосесимметричные выборки 13 (отверстия, пазы). Посредством неосесимметричных выборок 13 сопрягаемым с ними технологическим ключом в неподвижный элемент 9 кинематики при сборке РДТТ вворачивается поворотное сопло 2.
Устройство работает следующим образом. При запуске РДТТ продукты сгорания твердого топлива через фильтр 12 поступают в поворотное сопло 2, создавая тягу. Давление продуктов сгорания прижимает поворотное сопло 2 (его шаровую часть 3) к сферическому гнезду 4. Управление направлением тяги производится посредством элемента 9 кинематики (рычага), который качает поворотное сопло 2 в сферическом гнезде 4 относительно корпуса 1. Шарнирный момент (необходимое усилие качания) зависит от трения между сопрягаемыми деталями шаровой части 3 поворотного сопла 2 и сферического гнезда 4. В варианте на фиг.1 шарнирный момент зависит от трения контактной пары «сталь по стали». Снижение шарнирного момента в варианте на фиг.2 обусловлено меньшим коэффициентом трения между кольцами 11, выполненными из терморасширенного графита и сопрягаемыми с ними металлическими деталями (сферическим гнездом 4, втулкой 7).
Технико-экономическая эффективность предлагаемого изобретения, по сравнению с прототипом, в качестве которого выбран РДТТ с поворотным соплом [Франция, заявка №2370864], заключается в обеспечении возможности снижения размеров РДТТ, упрощении конструкции и повышении ее надежности.