МЕХАНИЗМ КРЕПЛЕНИЯ НЕОХЛАЖДАЕМОЙ ВСТАВКИ В СОПЛЕ ЖИДКОСТНОГО РАКЕТНОГО ДВИГАТЕЛЯ
MECHANISM OF FASTENING UNCOOLED INSERT IN LIQUID PROPELLANT ROCKET NOZZLE

Изобретение относится к области энергетических установок, а именно к ракетным двигателям, и может быть использовано при оптимизации массово-энергетических характеристик жидкостных ракетных двигателей (ЖРД), а именно при разработке и создании камер ЖРД с неохлаждаемой удаляемой сопловой вставкой.
Сопло ЖРД оптимизировано для определенных условий и не может одинаково эффективно работать в широком диапазоне высот и давлений - от старта до выхода на орбиту.
Высотные ЖРД, работающие по всей траектории полета, на первом участке, в плотных слоях атмосферы, работают на нерасчетном режиме, т.к давление истекающих продуктов сгорания оказывается ниже давления окружающей атмосферы, что приводит к потерям среднетраекторного удельного импульса тяги.
Для снижения потерь среднетраекторного удельного импульса тяги в сопле ЖРД устанавливают и удерживают в течение заданного времени неохлаждаемую удаляемую вставку, представляющую собой профилированную оболочку, длина, выходной диаметр и степень расширения которой ниже, чем степень расширения основного сопла. По истечении определенного времени полета и набора заданной высоты вставку удаляют при помощи специальных механизмов. В этом случае в сопле обеспечивается два режима работы с различными параметрами на срезе сопла. На первом участке полета расширение продуктов сгорания происходит во вставке с более низкой степенью расширения и давлением на срезе вставки, близким к давлению окружающей среды. На втором участке полета, после удаления вставки, расширение продуктов сгорания происходит в сопле с расчетным давлением на срезе сопла, близким к давлению окружающей среды.
Одной из основных тенденций в современном двигателестроении является замена металлических деталей и узлов на детали и узлы, выполненные из композиционных материалов (КМ), в частности из углерод-углеродных и углерод-керамических композиционных материалов (УУКМ и УККМ соответственно).
3
УУКМ и УККМ обладают рядом уникальных свойств. Они сохраняют высокие физико-механические характеристики до очень высоких температур (более 2000 К), обладают хорошей эрозионной стойкостью, имеют плотность на уровне 1300…2000 кг/м.
Одна из основных областей применения этих материалов в ЖРД - это неохлаждаемые сопловые удаляемые вставки. Проведенные в России экспериментальные исследования показывают, что вставки из УУКМ можно устанавливать начиная с температуры стенки 1400…1500 К, а НСН из УККМ - с температуры стенки 1600…1800 К.
Однако широкое распространение камер ЖРД с удаляемой вставкой из КМ до настоящего времени ограничивается сложностью создания механизма крепления и удаления неохлаждаемой вставки из регенеративно охлаждаемого сопла ЖРД, т.к. при этом необходимо обеспечить надежную работу вставки и удержание ее в высокоскоростном потоке продуктов сгорания в течение заданного периода времени, а также учесть значительную разницу в коэффициентах температурных расширений металлических и неметаллических элементов узла стыка.
Известен механизм крепления неохлаждаемой вставки в сопле жидкостного ракетного двигателя, содержащий профилированную вставку с опорной поверхностью, регенеративно охлаждаемое сопло с ответными опорными местами для крепления механизмов удаления вставки из сопла, механизмы крепления вставки в сопле и удаления ее из сопла, взаимодействующие с опорной поверхностью вставки и с ответными опорными местами на сопле (Синярев Г.Б., Добровольский М.В. Жидкостные ракетные двигатели. Теория и проектирование, М., Государственное издательство оборонной промышленности, 1955 г., 498 с. Стр.122, рис.54 - прототип).
Основными недостатками данного механизма являются значительные габариты и вес, сложность удержания вставки в сопле и удаления вставки из сопла.
Задачей изобретения является упрощение конструкции и повышение надежности работы механизма крепления неохлаждаемой вставки в сопле жидкостного ракетного двигателя.
Решение поставленной задачи достигается тем, что в предложенном механизме крепления неохлаждаемой вставки в сопле жидкостного ракетного двигателя, содержащем профилированную вставку с опорной поверхностью, регенеративно охлаждаемое сопло с ответными опорными местами для крепления механизмов удаления вставки из сопла, механизмы крепления вставки в сопле и удаления ее из сопла, взаимодействующие с опорной поверхностью вставки и с ответными опорными местами на сопле, согласно изобретению механизм крепления и удаления вставки выполнен в виде цилиндров с поршнями, установленными на штоках, при этом один конец цилиндра со штоком закреплен на опорной поверхности вставки, другой - на ответном опорном месте сопла, цилиндр имеет штуцеры для подвода рабочего тела как в полость над поршнем, так и в полость под поршнем, а на вставке установлены датчики, определяющие ее месторасположение в сопле и связанные с исполнительным механизмом, управляющим подачей рабочего тела в полости цилиндров.
Для улучшения массово-габаритных характеристик камеры ЖРД с неохлаждаемой сопловой вставкой опорное место на сопле для крепления механизмов удаления вставки выполнено в виде разъемных кронштейнов, соединенных между собой при помощи пироболтов и установленных на коллекторе сопла.
Сопоставительный анализ заявляемого изобретения с прототипом и другими известными решениями в данной области техники показал, что изложенная совокупность признаков неизвестна из существующего уровня техники, на основании чего можно сделать вывод о соответствии технического решения критерию изобретения «новизна».
При анализе других известных технических решений в данной области техники признаки, отличающие заявленное изобретение от прототипа, не были выявлены, а изложенная совокупность признаков не следует явным образом для специалиста из существующего уровня техники, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию изобретения «изобретательский уровень».
Соответствие предлагаемого технического решения критерию изобретения «промышленная применимость» следует из приведенного ниже примера конкретного выполнения механизма крепления неохлаждаемой вставки в сопле жидкостного ракетного двигателя.
Сущность изобретения иллюстрируется чертежами, где на фиг.1 показан осевой разрез сопла камеры ЖРД с установленной внутри него удаляемой сопловой вставкой, на фиг.2 - вид сопла со вставкой со стороны среза, на фиг.3 - кронштейны узла крепления гидроцилиндров на коллекторе сопла.
Основными элементами предложенного узла крепления неохлаждаемой вставки в сопле ЖРД являются:
1 - регенеративно охлаждаемое сопло ЖРД;
2 - неохлаждаемая вставка;
3 - опорная поверхность вставки;
4 - цилиндр;
5 - поршень;
6 - шток;
7 - кронштейн разъемный;
8 - пироболт;
9 - коллектор сопла;
10 - полость;
11 - штуцер;
12 - полость;
13 - штуцер.
В регенеративно охлаждаемом сопле 1 ЖРД установлена неохлаждаемая вставка 2, выполненная из композиционных материалов. В выходной части вставки 2 выполнена опорная поверхность 3. Крепление вставки в сопле 1 во время работы двигателя и ее удаление производится при помощи механизма крепления, выполненного в виде нескольких цилиндров 4, внутри которых установлены поршни 5 со штоками 6. Одним концом каждый цилиндр закреплен при помощи разъемных кронштейнов 7 с пироболтами 8 на коллекторе 9 сопла 1, а другим - на опорной поверхности 3 вставки 2. Для подвода/отвода рабочего тела в полость 10 цилиндра 4 установлен штуцер 11, для подвода/отвода рабочего тела в полость 12 цилиндра 4 установлен штуцер 13.
Предложенное устройство работает следующим образом.
Перед пуском ЖРД вставка 2 устанавливается в сопле 1 входной частью. В полость 10 цилиндра 4 через штуцер 11 подается рабочее тело под давлением. В этом случае поршень 5 смещается в сторону критического сечения сопла и через шток 6, закрепленный на опорной поверхности вставки 2, прижимает входную часть вставки 2 к внутренней поверхности сопла 1.
Во время запуска ЖРД на входную кромку вставки действует высокоскоростной поток продуктов сгорания, который стремится вытолкнуть вставку из сопла. Для избегания этого в полость 10 цилиндра подается рабочее тело, которое воздействует на поршень 5 и через шток 6 поджимает вставку к внутренней поверхности сопла.
Во время работы двигателя, из-за вибрации и неравномерного истечения продуктов сгорания, на вставку действуют боковые силы, которые стремятся переместить вставку из рабочего положения со следующим ее произвольным удалением из сопла набегающим потоком продуктов сгорания.
В этом случае, по команде датчиков положения, происходит определение изменения углового и радиального положения вставки в сопле. В зависимости от ее положения, подается команда на подачу (отвод) рабочего тела из полости 10 с одновременной подачей (отводом) рабочего тела в полость 11. Таким образом, путем попеременной подачи (отвода) рабочего тела в полости (из полостей) цилиндров 4 по команде исполнительного механизма вставка 2 удерживается в сопле 1 в течение всего времени работы ЖРД.
При удалении вставки подается рабочее тело в полость 11 цилиндров 4. Поршень 5 каждого цилиндра перемещается в сторону среза сопла 1 и перемещает вставку в сторону среза. Таким образом обеспечивается соосность перемещения вставки в сопле с целью исключения возможности удара вставки о сопло при ее удалении.
Одновременно или с некоторым запаздыванием по времени подается команда на срабатывание пироболтов 8. Пироболты срабатывают, происходит разъединение кронштейнов 7 и механизм крепления, вместе со вставкой 2, полностью удаляется из сопла набегающими продуктами сгорания.
После удаления вставки происходит скачкообразное изменение степени расширения сопла, и высотное сопло начинает работать в расчетном режиме.
Использование предложенного технического решения позволит создать двухрежимное сопло ЖРД с улучшенными массово-габаритными характеристиками.