СИСТЕМА ЗАПУСКА РАКЕТНОГО ДВИГАТЕЛЯ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА И ЗАБОРНИК ДАВЛЕНИЯ РАКЕТНОГО ДВИГАТЕЛЯ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА
SOLID-PROPELLANT ROCKET ENGINE START SYSTEM AND PRESSURE INTAKE OF SOLID-PROPELLANT ROCKET ENGINE

Изобретение относится к ракетной технике и может быть использовано при создании ракетного двигателя твердого топлива (РДТТ).
Известно, что РДТТ должен содержать систему запуска [Конструкции ракетных двигателей на твердом топливе / Под общ. ред. Л.Н.Лаврова - М.: Машиностроение, 1993 - 215 с., ил., страница 165, рис.4.1] и, во многих случаях, заборник давления [там же, страница 189, рис.5.2].
Система запуска предназначена для воспламенения заряда твердого топлива по команде, подаваемой на пиропатроны, и содержит пиропатрон (один или несколько), установленный в корпус РДТТ (как правило, в переднюю крышку), форсажную трубку, воспламенитель и узел крепления воспламенителя.
Заборник давления предназначен для отбора внутрикамерного давления к датчикам системы телеметрических измерений (СТИ) и снижения теплового воздействия на датчики до приемлемого уровня в процессе
- огневых стендовых испытаний РДТТ (на этапе отработки РДТТ и при проведении периодических испытаний на этапе серийного производства),
- летных испытаний (на этапе отработки летательного аппарата (ЛА) с РДТТ),
- штатных пусков ЛА (в случае, если информация по внутрикамерному давлению требуется системе управления ЛА).
Заборник давления содержит находящиеся в корпусе РДТТ (крышке) гнезда СТИ с каналами, газосвязанными с внутренней полостью корпуса РДТТ, и экран, прикрывающий данные каналы от прямого воздействия продуктов сгорания. В соответствии с перечисленными задачами (с учетом необходимости периодических испытаний любого, случайно отобранного из изготовленной партии РДТТ) заборник давления целесообразно выполнять на всех изготавливаемых РДТТ (даже если информация по внутрикамерному давлению системе управления ЛА не требуется). При этом гнезда СТИ на РДТТ в штатном исполнении закрываются пробками, а в случае проведения периодических испытаний пробки заменяются датчиками СТИ.
Система запуска РДТТ и заборник давления РДТТ требуют выполнения в корпусе РДТТ (например, на передней крышке) многочисленных бобышек, увеличивающих массу конструкции и усложняющих технологию изготовления РДТТ.
Объединение системы запуска РДТТ и заборника давления РДТТ в единый узел известно в корпусе РДТТ [Патент РФ 2230926]. Однако указанная схема основана на использовании в качестве экрана СТИ несгораемого корпуса воспламенителя. Несгораемый корпус воспламенителя, как правило, используется только на малогабаритных РДТТ, обладает большой массой. Рассматриваемая схема не позволяет использовать воспламенитель со сгораемым корпусом, нашедшим широкое применение в крупногабаритных РДТТ.
Наиболее близкими по технической сущности и достигаемому положительному эффекту к предлагаемому изобретению является система запуска РДТТ и заборник давления РДТТ [патент РФ №2424442]. Система запуска РДТТ содержит пиропатроны (пиропатрон), установленные в крышку корпуса РДТТ, форсажную трубку, воспламенитель и узел его крепления. Заборник давления РДТТ, выполненный вокруг форсажной трубки системы запуска РДТТ, содержит находящиеся в крышке корпуса РДТТ гнезда системы телеметрических измерений с каналами, газосвязанными с внутренней полостью корпуса РДТТ, экран, прикрывающий каналы. Недостатком приведенной системы запуска и заборника давления является то, что данная конструкция рассчитана на воспламенитель, имеющий узел крепления в виде жесткого резьбового кольца. Пример таких воспламенителей представлен в [Конструкции ракетных двигателей на твердом топливе / Под общ. ред. Л.Н.Лаврова - М.: Машиностроение, 1993 - 215 с., ил., страницы 168, 169, рис.4.5, 4.6]. Узел крепления ряда воспламенителей не имеет жесткого резьбового кольца, а выполнен в виде фланца [Конструкции ракетных двигателей на твердом топливе/ Под общ. ред. Л.Н.Лаврова - М.: Машиностроение, 1993 - 215 с., ил., страница 168, рис.4.4]. Крепление таких воспламенителей требует иную схему системы запуска РДТТ. Соответственно, конструкцию заборника давления рационально интегрировать с измененной схемой системы запуска.
Технической задачей настоящего изобретения является уменьшение массы и габаритов конструкции системы запуска РДТТ с воспламенителем, снабженным фланцем, и заборника давления РДТТ, крышки корпуса РДТТ, упрощение технологии их изготовления, повышение надежности.
Сущность изобретения «система запуска РДТТ» заключается в том, что в системе запуска РДТТ, содержащей пиропатроны (пиропатрон), установленные в крышку корпуса РДТТ, форсажную трубку, воспламенитель и узел его крепления, узел крепления содержит стакан, открытый торец которого контактирует с воспламенителем, кольцо, прижимающее воспламенитель посредством выполненного на воспламенителе фланца к открытому торцу стакана, и продольные винты, проходящие через кольцо и стенки стакана и вворачиваемые в резьбовые гнезда на крышке. Форсажная трубка проходит через равное ей по диаметру осевое отверстие в дне стакана. Стакан может быть снабжен буртиком, фиксирующим фланец воспламенителя в радиальном направлении, а кольцо при этом снабжено кольцевой выборкой, в которой размещен буртик. С крышкой корпуса РДТТ могут быть связаны посредством кольцевой перемычки бобышки, окруженные теплозащитным покрытием, а резьбовые гнезда выполнены в бобышках. В стакане могут быть выполнены отверстия, сообщающие внутреннюю полость стакана с внутренней полостью корпуса РДТТ. На стакане и теплозащитном покрытии крышки могут быть выполнены сегментные выборки между винтами.
Сущность изобретения «заборник давления РДТТ» заключается в том, что в заборнике давления РДТТ, выполненном вокруг форсажной трубки системы запуска РДТТ, содержащем находящиеся в крышке корпуса РДТТ гнезда системы телеметрических измерений с каналами, газосвязанными с внутренней полостью корпуса РДТТ, экран, прикрывающий каналы, экран, прикрывающий каналы, образует дно стакана системы запуска РДТТ. Со стороны наружной поверхности дна стакана на нем выполнены кольцевые перфорированные выступы, делящие объем между стаканом и теплозащитным покрытием на несколько коаксиальных коллекторов. В теплозащитном покрытии между винтами крепления воспламенителя выполнены пазы. Между форсажной трубкой системы запуска РДТТ и образующей поверхностью осевого отверстия в дне стакана может быть установлено уплотнение. Перфорацию кольцевых выступов могут образовывать отверстия и пазы, расположенные таким образом, что напротив каждого отверстия и паза находится неперфорированный участок кольцевого выступа.
Технический результат в системе запуска РДТТ достигается тем, что узел крепления воспламенителя содержит имеющий дно стакан, во внутреннюю полость которого выведена форсажная трубка. Таким образом, дно стакана формирует две изолированные друг от друга полости - внутреннюю полость стакана, внутри которой форс пламени от форсажной трубки передается на воспламенитель при запуске РДТТ, и полость между дном и теплозащитным покрытием, обеспечивающую возможность ее использования для формирования заборника давления, интегрированного с системой запуска. Винты, прижимающие с помощью кольца воспламенитель посредством выполненного на воспламенителе фланца к открытому торцу стакана, крепят одновременно и воспламенитель, и стакан, и элементы заборника давления. Выполненный на стакане буртик фиксирует фланец воспламенителя в радиальном направлении. Кольцевая выборка в кольце обеспечивает радиальную фиксацию кольца относительно стакана. Резьбовые гнезда, в которые вворачиваются винты, выполнены в бобышках, связанных с крышкой посредством кольцевой перемычки. Этим при работе РДТТ обеспечивается тепловой барьер между подверженными воздействию продуктов сгорания головками винтов и крышкой. Также обеспечивается упрощение изготовления крышки: за одно целое с крышкой (соединенное с ней кольцевой перемычкой) точится осесимметричное кольцо, из которого затем выфрезеровываются бобышки. Бобышки окружены теплозащитным покрытием крышки (как и вся крышка). Выполнение в стакане радиальных или наклонных отверстий, сообщающих внутреннюю полость стакана с внутренней полостью корпуса РДТТ, обеспечивает:
- возможность проверки на герметичность внутренней полости корпуса РДТТ посредством наддува этой полости (как через гнездо пиропатрона, так и через гнездо системы телеметрических измерений);
- возможность осушки внутренней полости корпуса РДТТ через гнездо пиропатрона;
- снижение заброса давления во внутреннем канале форсажной трубки и во внутренней полости стакана в процессе срабатывания пиропатрона.
Выполнение на стакане и теплозащитном покрытии сегментных выборок между винтами снижает массу конструкции.
Предлагаемая конструкция системы запуска РДТТ обеспечивает минимизацию поперечных габаритов ее основных элементов и, как следствие, уменьшение их массы, упрощение технологии изготовления, повышение надежности конструкции. Обеспечиваются предпосылки уменьшения поперечных габаритов заборника давления.
Технический результат в заборнике давления РДТТ достигается увеличением плотности компоновки элементов заборника давления, выполненных вокруг форсажной трубки системы запуска РДТТ, за счет того, что экран, прикрывающий каналы, образует дно стакана системы запуска РДТТ. При этом со стороны наружной поверхности дна стакана на нем выполнены кольцевые перфорированные выступы, делящие объем между стаканом и теплозащитным покрытием на несколько коаксиальных (т.е. плотно расположенных) коллекторов. Наружный коллектор сообщен с внутренним объемом корпуса РДТТ посредством того, что в теплозащитном покрытии между винтами крепления воспламенителя выполнены пазы. Бобышки в крышке корпуса РДТТ для гнезд СТИ находятся практически на одном минимизированном радиусе с бобышками для гнезд пиропатронов. Максимальная реализация потенциальных преимуществ объединения системы запуска и заборника давления в единый узел достигается тем, что крышка корпуса РДТТ выполнена в виде простой осесимметричной (т.е. технологичной) тонкостенной (т.е. имеющей минимальную массу) мембраны, имеющей только одну центральную бобышку с минимальным радиусом. В единой центральной бобышке выполнены все необходимые гнезда (для пиропатронов и для датчиков СТИ). Перфорацию кольцевых выступов образуют отверстия и пазы, расположенные «в шахматном порядке», т.е. таким образом, что напротив каждого отверстия и паза находится неперфорированный участок кольцевого выступа. Это снижает тепловое воздействие на датчики СТИ, т.е. повышает надежность СТИ. Указанная конфигурация отверстий и пазов обеспечивает равномерное распределение давления по окружности коаксиальных коллекторов при резких изменениях (или колебаниях) внутрикамерного давления, т.е. отсутствие циркуляции продуктов сгорания, и работоспособность СТИ при зашлаковке части продольных глухих отверстий, что повышает надежность СТИ. Между форсажной трубкой системы запуска РДТТ и образующей поверхностью осевого отверстия в дне стакана установлено уплотнение. Этим обеспечивается герметичность дна и достигается исключение влияния скачка давления в форсажной трубке и внутренней полости стакана на показания и работоспособность СТИ.
Предлагаемая конструкция заборника давления РДТТ обеспечивает минимизацию поперечных и осевых габаритов его основных элементов и, как следствие, уменьшение их массы, упрощение технологии изготовления, повышение надежности конструкции.
Данное техническое решение не известно из патентной и технической литературы.
Изобретение поясняется следующим графическим материалом:
на фиг.1 показан вид снаружи крышки корпуса РДТТ с размещенными на нем элементами системы запуска РДТТ и заборника давления РДТТ;
на фиг.2 показан продольный разрез по А-А фиг.1;
на фиг.3 показан продольный разрез по Б-Б фиг.1;
на фиг.4 показан продольный разрез по В-В фиг.1;
на фиг.5 показан поперечный разрез по Г-Г фиг.2.
Система запуска ракетного двигателя твердого топлива (РДТТ) содержит один или несколько пиропатронов 1, установленных в гнезда бобышки 2, выполненной (см. фиг.2) в крышке 3 корпуса РДТТ. Гнезда пиропатронов 1 выполнены со стороны наружной поверхности крышки 3. Со стороны внутренней полости корпуса РДТТ на крышке 3 выполнена форсажная трубка 4, сообщенная с гнездами пиропатронов 1. Форсажная трубка 4 направлена на воспламенитель 5, крепящийся посредством выполненного на воспламенителе 5 фланца 6 узлом 7 крепления. Узел 7 крепления содержит стакан 8, имеющий дно 9. Открытый торец 10 стакана 8 контактирует с воспламенителем 5. Воспламенитель 5 посредством выполненного на нем фланца 6 прижат к открытому торцу 10 стакана 8 посредством кольца 11. Через кольцо 11 и стенки стакана 8 проходят продольные винты 12, вворачиваемые в резьбовые гнезда 13 на крышке 3. Резьбовые гнезда 13 выполнены в бобышках 14, связанных с крышкой 3 посредством кольцевой перемычки 15, и окружены теплозащитным покрытием 16. Форсажная трубка 4 проходит через равное ей по диаметру осевое отверстие 17 в дне 9 стакана 8. Стакан 8 снабжен буртиком 18, фиксирующим фланец 6 воспламенителя 5 в радиальном направлении. Кольцо 11 снабжено кольцевой выборкой 19, в которой размещен буртик 18. В стакане 8 выполнены радиальные или наклонные отверстия 20 (см. фиг.4), сообщающие внутреннюю полость стакана 8 с внутренней полостью корпуса РДТТ. На стакане 8 и теплозащитном покрытии 16 выполнены сегментные выборки 21 между винтами 12.
Заборник давления ракетного двигателя твердого топлива (РДТТ) выполнен вокруг форсажной трубки 4 системы запуска РДТТ. Он содержит находящиеся в бобышке 2 крышки 3 корпуса РДТТ гнезда 22 системы телеметрических измерений с каналами 23, газосвязанными с внутренней полостью корпуса РДТТ (см. фиг.3). Экран, прикрывающий каналы 23, образует дно 9 стакана 8 системы запуска РДТТ. Со стороны наружной поверхности дна 9 стакана 8 на дне 9 выполнены кольцевые перфорированные выступы 24, делящие объем между стаканом 8 и теплозащитным покрытием 16 на несколько коаксиальных коллекторов 25. В теплозащитном покрытии 16 между винтами 12 крепления воспламенителя 5 выполнены пазы 26, сообщающие коллекторы 25 с внутренней полостью корпуса РДТТ (см. фиг.4). Между собой коаксиальные коллекторы 25 газосвязаны посредством перфорации кольцевых выступов 24. Перфорацию кольцевых выступов 24 образуют отверстия 27 и пазы 28, расположенные таким образом, что напротив каждого отверстия 27 и паза 28 находится неперфорированный участок 29 кольцевого выступа 24 (см. фиг.5). Во внутренний коллектор 25 выходят каналы 23, сообщающие его с гнездами 22 системы телеметрических измерений. В гнезда 22 установлены пробки 30 или датчики СТИ. Между форсажной трубкой 4 системы запуска РДТТ и образующей поверхностью осевого отверстия 17 в дне 9 стакана 8 установлено уплотнение 31.
Устройство работает следующим образом. При изготовлении (сборке) и наземной эксплуатации РДТТ проверяется на герметичность посредством наддува внутренней полости корпуса РДТТ испытательным давлением по одному из двух вариантов.
По первому варианту подача испытательного давления производится через гнездо от пиропатрона 1, внутренний канал форсажной трубки 4, отверстия 20. Далее давление через пазы 26, коллекторы 25, отверстия 27, пазы 28 и каналы 23 попадает к гнездам 22. Гнезда 22 закрыты либо пробками 30, либо датчиками СТИ.
По второму варианту подача испытательного давления производится через одно из гнезд 22 через каналы 23, коллекторы 25, пазы 28, отверстия 27 и пазы 26 во внутреннюю полость корпуса РДТТ. Далее давление через отверстия 20, внутренний канал форсажной трубки 4 попадает к пиропатрону 1.
Таким образом, при подаче испытательного давления как через гнездо от пиропатрона 1, так и через гнездо 22, обеспечивается надежная проверка герметичности всех стыков РДТТ благодаря доступу испытательного давления и к пиропатронам 1, и к гнездам 22 СТИ.
При необходимости при изготовлении (сборке) и наземной эксплуатации РДТТ производится осушка внутренней полости корпуса РДТТ посредством неоднократного заполнения этой полости сухим газом. Заполнение производится по одному из двух ранее описанных вариантов (т.е. как через гнездо от пиропатрона 1, так и через гнездо 22).
При проведении периодических испытаний любого, случайно отобранного из изготовленной партии РДТТ, пробки 30 (в случае, если информация по внутрикамерному давлению не требуется системе управления ЛА, на штатном РДТТ стоят именно пробки 30) заменяются датчиками СТИ. Двигатель, укомплектованный либо пробками 30, либо датчиками СТИ, готов к работе.
При эксплуатации РДТТ (т.е. до момента его запуска), нагрузки, приложенные к воспламенителю 5, воспринимаются кольцом 11 и винтами 12 узла 7 крепления, прочно крепящего воспламенитель 5 на крышке 3 корпуса РДТТ. При этом обеспечивается целостность конструкции.
При команде на запуск двигателя подается импульс тока на пиропатрон 1, установленный на РДТТ. Форс пламени от пиропатрона 1 через форсажную трубку 4 воспламеняет пиротехнический состав воспламенителя 5. При этом заброс давления во внутренней полости стакана 8 является умеренным, что обеспечивает подобранное значение объема внутренней полости стакана 8 и отверстия 20, обеспечивающие дополнительный расход продуктов сгорания от пиропатронов 1, снижающий максимальный пик давления в указанной полости. Это обеспечивает снижение нагрузки на узел 7 крепления воспламенителя 5. В процессе срабатывания воспламенителя 5 происходит запуск РДТТ.
При дальнейшей работе РДТТ корпус воспламенителя 5 практически мгновенно сгорает, оголяя внутреннюю поверхность стакана 8.
Измерение параметров работы РДТТ (давления, пульсации давления) обеспечивается беспрепятственным доступом измеряемого давления к находящимся в гнездах 22 датчикам СТИ. При этом система, состоящая из кольцевых перфорированных выступов 24, делящих объем между стаканом 8 и теплозащитным покрытием 16 на несколько коаксиальных коллекторов 25, обеспечивает существенное снижение теплового воздействия на датчики СТИ.
Технико-экономическая эффективность предлагаемого изобретения, по сравнению с прототипом, в качестве которого выбраны система запуска РДТТ и заборник давления РДТТ [патент РФ №2424442], заключается в уменьшении массы и габаритов конструкции системы запуска РДТТ с воспламенителем, снабженным фланцем, и заборника давления РДТТ, крышки корпуса РДТТ, упрощении технологии их изготовления, повышении надежности.