СОПЛО РАКЕТНОГО ДВИГАТЕЛЯ
ROCKET ENGINE NOZZLE

Предлагаемое изобретение относится к области машиностроения и направлено на создание защитных устройств сопла ракетного двигателя, установленных на его срезе и служащих для защиты внутренней поверхности сопла от воздействия различных факторов.
Известна конструкция сопла ракетного двигателя, в котором установлена заглушка, представляющая собой пластину с отбортовкой, на которой закреплен корпус с воспламенителем и пиропатроном, а на срезе сопла установлено клеммное кольцо с пиропатроном (пат. США №3855789, НКИ 60-225; МКИ F02K 9/06 1974 г.). Недостатком данной конструкции является наличие двух пиропатронов, усложняющих систему управления, а следовательно уменьшающих надежность срабатывания узла.
Известно сопло ракетного двигателя, изготовленное из металла и содержащее защитную заглушку, установленную на срезе сопла, выполненную в виде цилиндрического стакана с утонением и закрепленную на внешней стороне сопла при помощи резьбового соединения (DE 1113612 А, МПК F02K 9/97, 1961).
Недостаток этой конструкции заключается в сложности ее крепления и громоздкости за счет наличия резьбового соединения, что увеличивает вес изделия и ухудшает тягово-импульсные характеристики. Особенно это существенно, когда сопло изготавливается из углепластика, а защитная заглушка из металла (как в прототипе), что требует значительной толщины сопла, для сохранения прочности конструкции. В ракетных двигателях, работающих при температуре от 1800°К до 3600°К, сопла должны изготавливаться из углепластиков (Г.И.Назаров, В.В.Сушкин. Теплостойкие пластмассы. Справочник. М.: Машиностроение, 1980 г.).
Задачей изобретения является повышение надежности срабатывания и улучшение тягово-импульсных характеристик.
Указанная задача решается тем, что в сопле ракетного двигателя, содержащем защитную заглушку, установленную на срезе сопла, выполненную в виде цилиндрического стакана с утонением и закрепленную на внешней стороне сопла, изготовленного из эрозионностойкого пресс-материала, а защитная заглушка закреплена на внешней стороне сопла посредством клеевого шва, причем между торцевой поверхностью защитной заглушки и торцевой поверхностью среза сопла установлена прокладка из антиадгезионного материала, преимущественно фторопласта, защитная заглушка выполнена из материала, обладающего более низкими прочностными характеристиками, чем материал сопла, преимущественно пенопласта, а внутри сопла установлена герметизирующая заглушка, при этом толщина защитной заглушки в месте утонения равна:
,
где δ - толщина защитной заглушки в месте утонения;
р - максимальное давление срабатывания герметизирующей заглушки;
1
d - диаметр утонения защитной заглушки;
2
d - наружный диаметр защитной заглушки;
ср
τ - временное сопротивление срезу материала защитной заглушки,
а в защитной заглушке выполнено сквозное отверстие ступенчатой формы, причем входная часть отверстия, расположенная на наружной поверхности защитной заглушки не проецируется на внутреннюю поверхность сопла и герметизирующую заглушку.
На чертеже представлен общий вид сопла ракетного двигателя.
Сопло выполнено из эрозионностойкого пресс-материала, преимущественно углепластика (пластмассы, армированной углеродным волокном или углеродной тканью, методом горячего прессования, например, УВЗФ2, П-5-12) и содержит герметизирующую заглушку 2 и защитную заглушку 3. Защитная заглушка 3 выполнена преимущественно из пенопласта (обладает более низкими прочностными характеристиками, чем материал сопла) в виде стакана и установлена на срезе сопла 1. Защитная заглушка 3 своей внутренней боковой поверхностью 4 взаимодействует с цилиндрической наружной поверхностью 5 среза сопла 1 через элемент крепления, выполненный в виде клеевого шва. Между внутренней поверхностью 6 днища защитной заглушки 3 и торцом 7 среза сопла 1 установлена прокладка 8 из антиадгезионного материала. В защитной заглушке 3 на цилиндрической поверхности 4 выполнена кольцевая проточка 9, один из торцов которой является продолжением торцевой поверхности 6 защитной заглушки 3. Герметизирующая заглушка 2 имеет пределы давления срабатывания. Обычно для двигателя это величины 0,15…0,5 МПа. Толщина защитной заглушки 3 в месте утонения "δ" определяется по формуле:
,
где δ - толщина защитной заглушки в месте утонения;
р - максимальное давление срабатывания герметизирующей заглушки;
1
d - диаметр утонения защитной заглушки;
2
d - наружный диаметр защитной заглушки;
ср
τ - временное сопротивление срезу материала защитной заглушки.
Благодаря этому разрушение защитной заглушки 3 происходит одновременно со срабатыванием герметизирующей заглушки 2, что необходимо для нормального выхода на режим ракетного двигателя. Введение коэффициента 0,9…0,95 позволяет компенсировать технологические погрешности изготовления герметизирующей и защитной заглушек. В защитной заглушке 3 выполнено сквозное отверстие 10, которое имеет ступенчатую форму. Входная часть 11 отверстия 10, расположенная на наружной поверхности защитной заглушки 3, не проецируется на внутреннюю поверхность 12 сопла 1 и герметизирующую заглушку 2.
Защитная заглушка 3 защищает внутреннюю полость сопла 1 от попадания внутрь посторонних предметов и от воздействия различных поражающих факторов. При изменении внешнего давления за счет подъема ракеты в разряженные слои атмосферы отверстие 10 позволяет выравнять наружное и внутреннее давления во избежание преждевременного вскрытия защитной заглушки 3. Благодаря ступенчатой форме отверстия 10 герметизирующая заглушка 2 и внутренняя поверхность 12 сопла 1 защищены от различных поражающих факторов.
При сборке клей наносится только на цилиндрическую поверхность 4 сопла 1. Благодаря этому не происходит попадание клея в полость кольцевого утонения 9. Так как между днищем 6 защитной заглушки 3 и торцом 7 сопла 1 установлена прокладка 8 из антиадгезионного материала, преимущественно фторопласта, не происходит склейка защитной заглушки 3 и торца 7 сопла 1.
При достижении в сопле 1 определенного давления газов происходит вскрытие герметизирующей заглушки 2, а затем защитной заглушки 3. Так как защитная заглушка 3 выполнена из пенопласта (материала имеющего более низкие прочностные характеристики, чем материал сопла) и с кольцевым утонением 9, ее вскрытие гарантированно происходит по ослабленному сечению, независимо от качества и параметров клеевого шва. Благодаря подобранной величине «δ» толщины защитной заглушки 3 в месте утонения, обеспечивается нормальный выход на рабочий режим двигателя, улучшаются его тягово-импульсные характеристики.
Таким образом, как видно из вышеизложенного, повышается надежность срабатывания узла и улучшаются его тягово-импульсные характеристики.