ДВИГАТЕЛЬНАЯ УСТАНОВКА С ДИАФРАГМАМИ ТАНГЕНЦИАЛЬНО-ЩЕЛЕВОГО ТИПА

Полезная модель относится к устройствам двигателей реактивных снарядов (PC), а именно к конструкции крепления зарядов в которых использованы диафрагмы тангенциально-щелевого типа, которые представляют собой цилиндрические втулки, фиксирующие шашки твердого ракетного топлива в корпусе ракетного двигателя, на которых прорезаны продольные многозаходные пазы под углами, придающими газовым потокам горящих воспламенителя и топливных шашек твердого ракетного топлива (ТРТ) закручивающее движение по всему тракту камеры сгорания реактивных двигателей твердого топлива (РДТТ).
Цель полезной модели заключается в создании высокой степени турбулизации газового потока, в результате чего увеличивается скорость горения ТРТ, что в свою очередь обеспечивает увеличение полноты заполнения камеры сгорания ТРТ без увеличения калибра PC, а организация закрученного истечения в предсопловом объеме камеры сгорания приводит к увеличению полноты сгорания топлива за счет снижения выброса несгоревших частиц.
Сущность полезной модели: Для оценки полноты сгорания ТРТ, увеличения дальности стрельбы и уменьшения рассеивания реактивных снарядов разрабатываются экспериментальные модели по определению габаритно-массовых характеристик диафрагм тангенциально-щелевого типа.
Поиск аналогов технических решений выполнен по источникам патентной и научно-технической информации России (СССР), США, Германии, Франции, Великобритании, Японии, Италии, Европейского патентного ведомства за период с 1985 по 2012 годы. В процессе поиска аналогов выявлены перспективные направления и новые принципы моделирования объектов, содержащих реактивные двигатели, с целью исследования воздействий на них механических, в том числе и импульсных, динамических нагрузок.
Необходимо отметить ряд технических решений направленных на повышение баллистической эффективности PC, в частности в работе С.В. Парталы «Пути увеличения скорости схода снарядов реактивных систем залпового огня (РСЗО) с большой дальностью стрельбы за счет оптимизации тяговых характеристик двигательной установки и совершенствование конструкции трубчатых направляющих артиллерийской части» [Партала С.В. Пути увеличения скорости схода снарядов РСЗО с большой дальностью стрельбы за счет оптимизации тяговых характеристик двигательной установки и совершенствование конструкции трубчатых направляющих артиллерийской части. - Дис. … канд. техн. наук. Пенза: ВАИУ, 1983. - 190 с.]. Идеей при разработке представленной схемы было повышение скорости схода PC с пусковой направляющей (ПН) с целью уменьшения начальных возмущений (НВ) и критического участка траектории. Увеличения скорости схода достигалось за счет применения стартового заряда ТРТ. Теоретически-экспериментальная отработка представленного макета PC подтвердила возможность обеспечения скорости схода PC с ПН порядка 80…100 м/с, но потребовала доработки трубчатой ПН и привела к неприемлемому увеличению пассивной массы PC за счет повышения внутрикамерного давления в стартовом режиме до 100 МПа.
Для уменьшения характеристик рассеивания за счет увеличения скорости проворота PC по ПН в работе Тихонова В.Н. «Оценка работоспособности комплекса реактивных систем залпового огня (РСЗО) при изменении технического состояния PC в процессе эксплуатации» была разработана схема PC с комбинированным зарядом с прямоточным двигателем [2].
Увеличение скорости проворота PC достигалось за счет установки лопастей из сгорающего материала под определенным углом к оси движения по внутренней поверхности сверхзвуковой части сопла. После запуска РДТТ продукты сгорания начинают истекать через сопло, создавая при этом силу тяги и PC начинает движение по ПН. Пороховые газы, взаимодействуя с лопастями, образуют в заснарядном объеме закрученный газовый поток, благодаря чему происходит уменьшение коэффициента расхода через трубчатую ПН, и как следствие этого, повышение давления в заснарядном пространстве трубы, приводящее к появлению добавочной составляющей силы тяги и увеличению скорости схода PC с ПН. Лопасти, уплотняющие газовый поток сгорают до момента выхода последнего центрующего утолщения с ПН, благодаря чему не происходит формирования дополнительных возмущений за счет возможного неравномерного выгорания лопасти. Но поскольку добиться одновременного сгорания лопастей представляет собой сложную техническую задачу, схема на данный момент не получила внедрения в конструкциях PC.
В работе Тихонова В.Н. «Оценка работоспособности комплекса РСЗО при изменении технического состояния PC в процессе эксплуатации» была разработана схема PC с комбинацией РДТТ и ракетно-прямоточного двигателя (РПД) с включением в их конструкции закручивающих устройств [2].
После разгона PC до сверхзвуковой скорости происходит включение РПД. Продукты неполного сгорания ТРТ проходя через завихритель, образуют на выходе из РДТТ внутренний закрученный поток.
Воздух, поступая в камеру сгорания РПД через внешний завихритель образует на выходе из него внешний закрученный поток. Благодаря тому, что потоки имеют противоположную закрутку в зоне их контакта образуется высокотурбулентная зона смешения в результате чего интенсифицируется окисление продуктов неполного сгорания ТРТ и происходит увеличение удельного импульса силы тяги. Применение представленной схемы для конструкции PC довольно проблематична, из-за сложности конструкции и ее стоимости.
Анализ представленных схем позволяет сделать определенные выводы, а именно, что конструкции всех штатных PC представляют собой однокамерные РДТТ с баллиститным или смесевым ТРТ. Известные способы регулирования тяги РДТТ за счет изменения площади критического сечения не нашли своего применения в их конструкции по известным причинам. Основное внимание при разработке перспективных схем PC уделялось увеличению дальности стрельбы при одновременном уменьшении их технического рассеивания. При этом указанные направления реализовывались в основном за счет увеличения скорости горения ТРТ или регулирования тяги РДТТ путем изменения площади горящей поверхности ТРТ, предложенных в пат. 2377431 «Стартовый ракетный двигатель на твердом топливе» [3], достигаемых изменением его формы и поверхности горения при применении различных бронировок.
Априорный анализ конструктивных схем PC показал, что в качестве основных способов увеличения дальности стрельбы и улучшения характеристик рассеивания PC, без существенных изменений их конструкций является увеличение плотности заполнения камеры сгорания ТРТ при одновременном увеличении скорости горения, уменьшения разброса удельного импульса тяги и времени функционирования РДТТ, увеличения скорости проворота PC по ПН и на активном участке траектории, предложенный в пат. 2319850 «Стартовый реактивный двигатель с радиально-вихревым диспергированием реакционной инертной массы». Выполнение указанных направлений может быть достигнуто за счет организации вихревого процесса по всей длине газодинамического тракта РДТТ, за счет постановки вместо штатных диафрагм, диафрагм тангенциально-щелевого типа.
Предлагаемый PC (фигура 1) отличается от известных штатных образцов тем, что вместо штатных диафрагм устанавливают переднюю (2), промежуточную (3) и сопловую (4) диафрагмы тангенциально-щелевого типа, обеспечивающие организацию вихревого процесса по всему тракту РДТТ. Воспламенитель размещается у переднего торца шашки ТРТ, которые могут представлять собой как скрепленные с корпусом заряды, так и тандемные заряды, бронированные по торцам. Преимущества данной схемы реализуются благодаря наличию высокой степени турбулизации потока, в результате чего увеличивается скорость горения ТРТ, что в свою очередь обеспечивает увеличения полноты заполнения камеры сгорания ТРТ без увеличения калибра PC, а организация закрученного истечения в предсопловом объеме камеры сгорания, приводит к увеличению полноты сгорания топлива за счет снижения выброса несгоревших частиц. Увеличение полноты сгорания топлива делает процесс, протекающий в камере сгорания менее случайным, в результате чего может быть достигнуто уменьшение разброса тяговых характеристик PC как внутри одной партии, так и между различными партиями снарядов. Таким образом, уменьшение характеристик технического рассеивания PC может быть достигнуто путем уменьшения разброса его тяговых характеристик при организации вихревого процесса по тракту РДТТ, а увеличения дальности стрельбы за счет увеличения массы используемого ТРТ без изменения габаритных характеристик PC.
Литература
1. Партала С.В. Пути увеличения скорости схода снарядов РСЗО с большой дальностью стрельбы за счет оптимизации тяговых характеристик двигательной установки и совершенствование конструкции трубчатых направляющих артиллерийской части. - Дис. … канд. техн. наук. Пенза: ВАИУ, 1983. - 190 с.
2. Тихонов В.Н. Оценка работоспособности комплекса РСЗО при изменении технического состояния PC в процессе эксплуатации. - Дис. … канд. техн. наук. Пенза: ВАИУ, 1989. - 190 с.
3. Пат. 2377431 С2 Российская Федерация, МПК F02K 9/32 (2006/01). Стартовый ракетный двигатель на твердом топливе [Текст] / Савченко Φ.Α., Бурлов В.В., Поляков С.Н.; заявитель и патентообладатель Пенз. арт. инж. ин-т. - №2007146954/06; заявл. 17.12.2007; опубл. 27.12.2007, Бюл. №36. - 7 с.
4. Пат. 2319850 С2 Российская Федерация, МПК F02K 9/08 (2006.01). Стартовый реактивный двигатель с радиально-вихревым диспергированием реакционной инертной массы [Текст] / Савченко Φ.Α., Сахаров О.Α., Бурлов В.В; заявитель и патентообладатель Пенз. арт. инж. ин-т. - №2005131812/06; заявл. 13.10.2005; опубл. 20.03.2008, Бюл. №8. - 6 с.