ТВЕРДОТОПЛИВНЫЙ РАКЕТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ
ROCKET SOLID-PROPELLANT ENGINE

Изобретение относится к ракетной технике и может быть использовано в конструкциях маршевых ступеней ракетных двигателей на твердом топливе (РДТТ).
В конструктивном оформлении современных маршевых РДТТ широко используются канальные конструкции скрепленных с корпусом двигателя крупногабаритных зарядов цилиндрического типа с эллиптическими днищами, у которых в качестве компенсатора начальной поверхности горения применяется наклонная кольцевая поперечная щель (AerospaeDaily, 1980, 5/11, vol.1101, №25, р/188 А (русский перевод - "Ракетная и космическая техника", №35, 1980, с.12).
Использование конструкций таких зарядов позволяет реализовать текущую диаграмму секундного расхода с малыми отклонениями (8-10%) максимального значения от среднего, а также реализовать равномерный по окружности поток продуктов сгорания, что позволяет максимально снизить пассивную массу элементов корпуса и соплового блока. Однако рассматриваемому классу зарядов присущи определенные недостатки, связанные прежде всего с высоким уровнем напряженно-деформированного состояния (НДС) в вершине кольцевой щели, возникающие при охлаждении снаряженного корпуса из-за температурной усадки и упругих перемещений корпуса и днища при нагружении давлением.
Кроме того, в этой зоне наблюдается снижение физико-механических характеристик (ФМХ) топлива, вызванное отжимом из топлива связующего при полимеризации заряда, диффузией пластификатора в технологический чехол оснастки, формирующей кольцевую щель. Поэтому требуемый уровень деформационных характеристик топлива для подобной конструкции назначается исходя из прочности в вершине кольцевой щели, что на 30-40% выше, чем на канале.
Известен твердотопливный ракетный двигатель по патенту РФ №2154183 (дата публикации 10.08.2000, бюл. №22), принятый за прототип, содержащий корпус с днищами, скрепленный с корпусом заряд, имеющий центральный канал и сквозную поперечную наклонную щель, разделяющую заряд на две части, наружная поверхность которой, примыкающая к корпусу, забронирована с помощью манжеты, выполненной из двух частей, соединенных по одному из диаметров с корпусом, прилегающих друг к другу законцовками, отогнутыми в направлении щели и входящими в ее вершину.
Такая конструкция позволяет ликвидировать топливную перемычку между вершиной кольцевой щели и корпусом двигателя и тем самым решить прочностные вопросы, связанные с работоспособностью конструкции заряда.
Однако известное техническое решение обладает рядом недостатков, связанных с технологическими трудностями в процессе изготовления. Применение традиционной схемы изготовления с использованием технологической оснастки для формирования кольцевой щели, которая извлекается из корпуса после его заполнения и полимеризации топлива, крайне затруднено в связи с тем, что при размещении оснастки в корпусе он фактически разделяется в поперечном направлении на две части, одна из которых отделена от заливочного устройства, что существенно затрудняет процесс ее заполнения. Кроме того, конструкция оснастки, формирующей кольцевую щель, горящие поверхности которой выполнены в виде двух усеченных конусов, опирающихся на канал, также чрезвычайно сложна, поскольку состоит из большого количества элементов, требующих соединения между собой при сборке оснастки в корпусе и последующего извлечения после изготовления заряда. Это является также существенным препятствием уменьшения раскрытия щели для повышения объемного заполнения корпуса, влияющего на эффективность работы двигателя, которое допустимо для данной конструкции с точки зрения прочности и газодинамики.
Задачей заявляемого изобретения является разработка конструкции твердотопливного ракетного двигателя, позволяющей повысить эффективность его работы за счет увеличения коэффициента заполнения корпуса при сохранении преимуществ, обеспечиваемых зарядом со сквозной поперечной щелью, выполненной от корпуса до канала заряда в части минимизации НДС, при одновременном упрощении технологии изготовления заряда, минимизировать, с точки зрения прочности и обеспечения требуемых внутрибаллистических характеристик, раскрытие щели и сохранить при этом схему выгорания заряда и изменения текущих характеристик во времени.
Поставленная задача решается заявляемой конструкцией твердотопливного ракетного двигателя, содержащего корпус с днищами, скрепленный с корпусом заряд, имеющий центральный канал и сквозную поперечную наклонную щель, разделяющую заряд на две части, наружная поверхность которой, примыкающая к корпусу, забронирована с помощью манжеты, выполненной из двух частей, соединенных по одному из диаметров с корпусом, прилегающих друг к другу законцовками, отогнутыми в направлении щели и входящими в ее вершину. Особенность заключается в том, что горящая поверхность щели образована меньшим основанием и боковой поверхностью n-гранной усеченной пирамиды и поверхностью усеченного конуса, меньший диаметр которого ограничен диаметром центрального канала заряда, а больший - наружным радиусом разбронирования щели, ребра пирамиды и образующая усеченного конуса пространственно отделены друг от друга каналами, переходящими в направлении центрального канала заряда в расширяющуюся часть щели, при этом длина каждого канала ограничена длиной ребра пирамиды с обеспечением минимально допустимого раскрытия щели.
Проведенный анализ уровня техники показывает, что твердотопливный ракетный двигатель отличается от ближайшего аналога иной, более простой конструкцией манжеты; иной формой горящей поверхности щели; наличием каналов, пространственно разделяющих горящие поверхности торцов заряда; существенно меньшим раскрытием щели.
Именно совокупность отличительных от прототипа признаков заявляемого решения с остальными существенными признаками позволила достичь вышеуказанный технический результат, который невозможно получить при реализации изобретения по прототипу в силу особенностей конструкции известного твердотопливного ракетного двигателя и решить поставленную задачу.
Предлагаемый твердотопливный ракетный двигатель иллюстрируется чертежом, на котором показана часть продольного разреза двигателя с расположением сквозной наклонной кольцевой щели у переднего днища.
Двигатель содержит корпус 1 с днищами 2 (заднее днище на чертеже не показано), скрепленный с корпусом заряд 3, имеющий центральный канал 4 и сквозную поперечную щель 5, разделяющую заряд 3 на две части. Наружная поверхность щели 5, примыкающая к корпусу 1, забронирована с помощью прилегающих друг к другу двух частей манжеты 6 с законцовками 7. Горящая поверхность щели 5 ниже законцовок 7 является одновременно торцевой поверхностью двух частей заряда 3, передней, скрепленной с днищем, и задней, скрепленной с цилиндрической поверхностью корпуса 1. Для задней части заряда поверхность торца (щели) образована поверхностью усеченного конуса, меньший диаметр которого ограничен диаметром центрального канала 4 заряда 3, а больший - наружным радиусом разбронирования щели 5. Торцевая поверхность передней части заряда 3 образована меньшим основанием и боковой поверхностью n-гранной усеченной пирамиды. Ребра 8 пирамиды и образующая 9 усеченного конуса пространственно отделены друг от друга каналами 10, переходящими в направлении центрального канала 4 заряда 3 в расширяющуюся часть щели 5. Каналы 10 и расширяющаяся часть щели 5 сформированы извлекаемыми элементами оснастки (не показаны). Длина каждого канала 10 ограничена длиной ребра 8 пирамиды с обеспечением минимально допустимого раскрытия щели 5, с точки зрения обеспечения максимального заполнения корпуса 1, с одной стороны, и работоспособности двигателя, с точки зрения газодинамической напряженности, с другой стороны.
Боковая поверхность n-гранной усеченной пирамиды позволяет аппроксимировать тело вращения набором n плоских граней. После изготовления и полимеризации заряда 3 и извлечения иглы формирующие щель 5 элементы оснастки удаляются из нее через канал 4. Элементы оснастки могут быть, например, плоскими, позволяющими существенно упростить процесс их извлечения из тела заряда после его изготовления, или округлыми, которые предпочтительно использовать при реализации щели 5 методом разрезки для размещения внутри полых стержней оснастки режущей струны, или любой другой приемлемой, с технологической точки зрения, формы их поперечного сечения. Каналы 10 ввиду незначительности их размеров не оказывают практического влияния на изменение схемы выгорания заряда 3.
После срабатывания воспламенителя (не показан) канал 4 и поперечная щель 5 воспламеняются. Процесс горения происходит известным путем параллельными слоями. С увеличением количества граней пирамиды конструкция по схеме выгорания приближается к горению тела вращения.
Конкретные значения минимально допустимого раскрытия щели определяют при проектировании конкретного твердотопливного ракетного двигателя.
Предлагаемое техническое решение практически реализуемо. Создание таких конструкций актуально и перспективно, поскольку предлагаемое техническое решение ориентировано на повышение эффективности ракетных комплексов.