Сопло ракетного двигателя
ROCKET ENGINE NOZZLE

Изобретение относится к ракетной технике и может быть использовано при создании ракетных двигателей.
Известно поворотное управляющее сопло (прототип), частично утопленное в камеру сгорания, в котором поворотная часть соединена с его неподвижной частью с помощью двойного упругого уплотнения, или двух эластичных шарниров (ЭШ) в современной терминологии (Антонов Р.В., Гребенкин В.И., Кузнецов Н.П. и др. Органы управления вектором тяги твердотопливных ракет. Москва-Ижевск: НИЦ Регулярная и хаотическая динамика, 2006. Стр. 405-410). ЭШ имеют общее опорное (соединительное) кольцо и несовпадающие центры вращения, лежащие на оси двигателя. При отклонении поворотной части в условиях работы двигателя за счет отклонения ЭШ, соединяющего поворотную часть с общим опорным кольцом, у газодинамической силы, действующей вдоль оси поворотной части, появляется плечо относительно центра поворота ЭШ, соединяющего общее опорное кольцо и неподвижную часть сопла. В результате этого образуется дополнительный момент, способствующий отклонению сопла, что снижает шарнирный момент и потребную мощность рулевого привода.
Недостатком такого сопла является то, что при снижении давления в камере сгорания дополнительный момент также снижается, а именно в это время требуются наибольшие углы отклонения сопла для обеспечения требуемого управляющего усилия. Также необходимо отметить, что при действии давления снижение шарнирного момента происходит и в сопле с одним ЭШ, чего, как правило, бывает достаточно. Кроме этого, при высоком давлении общее опорное кольцо оказывается между двумя сжатыми ЭШ. Такое положение является неустойчивым, ось общего опорного кольца и плоскости отклонения каждого из двух ЭШ могут оказаться вне плоскости отклонения сопла, задаваемой системой управления, что может отрицательно сказаться на точности выполнения команд системы управления по величине и направлению угла отклонения поворотной части.
Задачей изобретения является снижение шарнирного момента сопла во всем диапазоне действующих давлений с сохранением устойчивой формы ЭШ.
Технический результат заключается в снижении шарнирного момента сопла за счет применения двух ЭШ с общим центром вращения и без общего опорного кольца.
Технический результат достигается тем, что в конструкции сопла ракетного двигателя, содержащего неподвижную часть и скрепленную с ней при помощи двух эластичных шарниров поворотную часть, один эластичный шарнир - герметизирующий, другой - опорный, при этом эластичные шарниры имеют общий центр вращения, причем герметизирующий эластичный шарнир крепится жестко к неподвижной части сопла опорным кольцом с большим сферическим радиусом и крепится к поворотной части опорным кольцом с меньшим сферическим радиусом, в результате чего герметизирует объем камеры сгорания, а опорный эластичный шарнир жестко скреплен опорными кольцами соответственно с неподвижной и поворотной частями и находится целиком вне камеры сгорания.
Герметизирующий эластичный шарнир может крепиться к поворотной части сопла по скользящей в направлении оси поворотной части герметичной посадке.
Герметизирующий эластичный шарнир может жестко крепиться к поворотной части сопла.
Опорный эластичный шарнир может иметь меридиональные сквозные каналы в резиновых слоях.
Опорный эластичный шарнир может иметь тарели, кромки которого выступают за боковые поверхности резино-металлического пакета.
Эластичные шарниры могут быть расположены по одну сторону от их центра вращения.
Эластичные шарниры могут быть расположены по разные стороны от их центра вращения.
Сопло с двумя ЭШ целесообразно использовать в случае, когда исчерпаны возможности по снижению шарнирного момента в схеме с одним ЭШ за счет добавления в пакет резиновых слоев (при неизменной их толщине). Это имеет место тогда, когда высота пакета и давление достигают критического значения, при котором происходит потеря формы его деформирования (потеря устойчивости) в виде изгиба осевой линии ЭШ, что может повлиять на точность выполнения команд на отклонение поворотной части сопла. Повысить устойчивость ЭШ можно путем увеличения его размера в меридиональном направлении или уменьшения количества резиновых слоев, что неприемлемо, т.к. ведет к увеличению шарнирного момента и повышению нагрузки на тарели. Поэтому предлагается конструкция сопла, в которой герметизирующая и опорная функции узла подвески сопла распределяются между двумя ЭШ (герметизирующим и опорным) с общим центром вращения (общим центром сферических поверхностей). При этом внутрикамерное давление потери устойчивости для каждого ЭШ повышается по сравнению с традиционной схемой за счет снижения действующей на него осевой сжимающей силы. Это достигается тем, что герметизирующий ЭШ располагается на как можно меньшем радиусе, а опорный ЭШ не подвержен действию внутрикамерного давления непосредственно.
Возможны две основные конструктивные схемы снижения осевого усилия.
В первой схеме герметизирующий ЭШ соединен с поворотной частью сопла по скользящей герметичной посадке. В этом случае поворотная часть является для него разгрузочным поршнем, а сам он воспринимает только ту часть осевой нагрузки, которая обусловлена действием на него внутрикамерного давления. Эта схема приемлема для герметизирующего ЭШ с передним центром вращения (центр вращения расположен перед пакетом слоев при движении от передней крышки к соплу), так как в этом случае осевая нагрузка сжимает ЭШ. При заднем центре вращения осевая нагрузка будет растягивать герметизирующий ЭШ, и он может порваться, если внутреннее опорное кольцо соединено с поворотной частью по скользящей посадке.
Опорный ЭШ не имеет общей поверхности с камерой сгорания, и, следовательно, не требует теплозащиты, и к нему не предъявляется требование герметичности. Все тарели и резиновые слои опорного ЭШ нагружены одной и той же осевой силой, равной осевой газодинамической силе, действующей на поворотную часть сопла по диаметру разгрузки.
Перечисленные факторы позволяют снизить шарнирный момент опорного ЭШ за счет следующих изменений:
- увеличение числа резиновых слоев, при этом отсутствует необходимость увеличения ширины пакета за счет роста осевого усилия на слои (оно постоянно);
- применение тарелей, выступающих за боковые поверхности резино-металлического пакета, что повысит их прочность в случае, если при традиционной форме ЭШ запасы прочности по ним ниже запасов прочности по резиновым слоям;
- применение меридиональных сквозных каналов в резиновых слоях, их преимущество перед сплошными более узкими резиновыми слоями, обеспечивающими ту же шарнирную жесткость, заключается в том, что они имеют больший размер базы в меридиональном направлении, что важно для стабильности положения центра вращения поворотной части сопла в процессе работы и устойчивости пакета.
Во второй конструктивной схеме герметизирующий ЭШ жестко скреплен с поворотной частью. В этом случае каждый ЭШ воспринимает часть общей газодинамической силы, пропорциональную его осевой жесткости. Перспективным в этой схеме является применение ЭШ с задним центром вращения. В этом случае осевая нагрузка от внутрикамерного давления растягивает герметизирующий ЭШ, но величина растяжения ограничена величиной просадки опорного ЭШ. При растяжении ЭШ тарели разгружаются, что позволяет обеспечить их прочность при меньших габаритах, чем в первой схеме. Это способствует уменьшению вклада герметизирующего ЭШ в шарнирный момент сопла. Необходимо отметить, что в настоящее время работа ЭШ в растянутом состоянии исследована не полностью. При этом экспериментально установлено, что для клеевых соединений «резина-металл» с прочностью при отрыве и сдвиге порядка 5 МПа потери герметичности ЭШ в процессе его растяжения не происходит при величине удлинения в осевом направлении до трех суммарных толщин резины, входящей в резино-металлический пакет. Расчетное растяжение герметизирующего ЭШ при работе составляет не более половины суммарной толщины резины, что достаточно надежно обеспечивает его герметизирующую функцию.
Также необходимо отметить, что совместное применение ЭШ с передним и задним центрами неудобно, так как требует увеличения габаритов конструкции.
1
2
На фиг. 1 показана схема сопла с двумя ЭШ, имеющими передний центр вращения О при радиусах R R начальных сферических поверхностей. Неподвижная часть 1 сопла соединена с его поворотной частью 2 с помощью герметизирующего ЭШ 3 и опорного ЭШ 4. Герметизирующий ЭШ 3 жестко и герметично крепится к неподвижной части 1 сопла и соединяется по скользящей герметичной посадке с цилиндрическим участком поворотной части сопла 2, вследствие чего осевая газодинамическая выталкивающая сила, действующая на поворотную часть 2, ЭШ 3 не воспринимается. Поэтому при проектировании герметизирующего ЭШ 3 учитывается только внутрикамерное давление, действующее на его боковую поверхность, обращенную внутрь камеры сгорания от верхнего резинового слоя ЭШ 3 до уплотнения на цилиндрическом участке поворотной части (детали теплозащиты на схеме не показаны). Необходимо отметить, что нельзя исключить из конструкции герметизирующий ЭШ 3 путем замены скользящей посадки по цилиндрической поверхности на аналогичную посадку по участку сферы, так как вследствие просадки опорного ЭШ произойдет либо разгерметизация соединения, либо его заклинивание. Опорный ЭШ 4 жестко крепится к неподвижной 1 и поворотной 2 частям сопла. Он выполняет опорную функцию, воспринимая осевую газодинамическую силу, действующую на поворотную часть 2. Так как он целиком находится вне объема камеры сгорания, то каждая его тарель 6 нагружена только этой силой, и добавление к нему для снижения шарнирного момента новых резиновых слоев 5 и тарелей 6 не ведет к увеличению нагрузки на них, как это имеет место для ЭШ 3 и традиционных ЭШ. Очевидно, что к опорному ЭШ 4 не предъявляются требования по теплозащите и герметичности. На фиг. 1 тарели в опорном ЭШ 4 изображены с выступающими за боковые поверхности резино-металлического пакета кромками. Такие тарели целесообразно использовать, когда в конструкции без выступающих кромок прочность тарелей недостаточна при достаточной прочности резиновых слоев и клеевых соединений «резина-тарель».
На фиг. 2 показан фрагмент сечения опорного ЭШ 4 с выступающими тарелями 6 по резиновому слою 5 с меридиональными сквозными каналами 7, введенными для снижения шарнирного момента.
1
1
2
На фиг. 3 показана схема сопла с двумя ЭШ, имеющими задний центр вращения O при радиусах R, R начальных сферических поверхностей. Принципиальное отличие в применении двух ЭШ от сопла на фиг. 1 заключается в жестком креплении малого опорного кольца герметизирующего ЭШ 8 к поворотной части сопла. Очевидно, герметизирующий ЭШ 8 будет растянут на величину просадки опорного ЭШ 9. В силу того, что жесткость ЭШ на растяжение существенно меньше жесткости на сжатие, опорный ЭШ 9 воспринимает практически всю газодинамическую силу, обусловленную действием давления от верхнего резинового слоя герметизирующего ЭШ 8 до среза сопла. При растянутом состоянии герметизирующего ЭШ 8 его тарели существенно менее нагружены, что позволяет уменьшить их ширину и толщину по сравнению с герметизирующим ЭШ 3 (на фиг. 1), а следовательно, уменьшить и вклад герметизирующего ЭШ 8 в шарнирный момент сопла. В этом смысле эта схема предпочтительней схемы на фиг. 1, но требует надежной склейки резиновых слоев и тарелей.
Таким образом, при условии сохранения устойчивой формы работы ЭШ предлагаемая конструкция с двумя ЭШ снизит воспринимаемую узлом подвески нагрузку и, как следствие, повысит его устойчивость и снизит шарнирный момент. Такое техническое решение может быть особенно полезным при использовании в качестве материалов несущих деталей сопла полимерных композитов.