Блок сопел крена
ROLL NOZZLE BLOCK

Изобретение относится к ракетной технике и, в частности, к конструкции блока сопел крена, предназначенного для управления ракетой в полете по крену.
Предшествующий уровень техники
Наиболее распространенная схема управления ракетой по крену включает в себя: корпус, два сопла, противоположно направленных друг другу, затвор, обеспечивающий перераспределение расхода рабочего газа между каждым соплом, и патрубки подвода рабочего газа из затвора к соплам (аналог).
Недостатком аналога является низкое быстродействие, так как в этой схеме управления по крену требуется время на заполнение и опорожнение трубопроводов, расположенных за затвором.
Известен блок сопел крена (см. патент RU №2587729, МПК F16K 57/40 от 20.06.2016 г.), который состоит из двух корпусов, герметично соединенных между собой общим патрубком подвода рабочего тела к соплам, затворов, установленных в двух корпусах, седел с гибкими обечайками, установленных в проточки каждого корпуса с натягом. Имеются также уплотнительные кольца, поджатые прорезными пружинами. Это изобретение, как сказано в заявке, позволяет снизить утечки генераторного газа через уплотнительные пирографитовые кольца и седла с гибкими обечайками и утечки управляющего газа-гелия через уплотнительные пирографитовые кольца в режиме многократного перемещения затворов (прототип).
Недостатком прототипа является низкая надежность блока сопел из-за использования прорезных пружин, так как гайки, поджимающие эти пружины, увеличивают осевые и радиальные габариты блока. Кроме того, применение гаек создает проблему их стопорения в среде окислительного генераторного газа. Наличие расклинивающих элементов в затворе увеличивает силу трения в паре пирографитовых колец с корпусом, что уменьшает быстродействие блока сопел.
Другим недостатком прототипа является то, что затворы, перекрывающие проходное сечение сопел, имеют консольную конструкцию и в процессе срабатывания входят в контакт с посадочной поверхностью седел, что может привести к заклиниванию затвора и даже к возгоранию конструкции. Все это приводит к увеличению трения между подвижными элементами и корпусом, а также снижению быстродействия блока.
Задачей изобретения является устранение указанных недостатков.
Раскрытие изобретения
Эта задача решается за счет того, что конструкция блока сопел крена содержит корпус, имеющий патрубок подвода рабочего газа, пару сопел, противоположно направленных друг другу, затворы, обеспечивающие перераспределение расхода рабочего газа между каждым соплом, средства для крепления блока сопел к корпусу ракеты-носителя, причем указанные сопла выполнены за одно целое с корпусом, а их оси параллельны и лежат в одной плоскости и пневмопривод, отличающийся тем, что каждый затвор выполнен из трубки с окнами, один конец которой соединен со штоком пневмопривода, а другой - соединен со вставкой, определяющей критическое сечение сопла, кроме того, в теле корпуса блока сопел между осями сопел выполнен канал подвода рабочего газа, который с одной стороны соединен с продольным отверстием, выполненным в крепежной опоре, а с другой - с коллекторной полостью, расположенной коаксиально трубке в районе ее окон, причем пневмопривод имеет ступенчатый цилиндр, герметично закрытый сверху крышкой, и ступенчатый поршень, при этом поршень большего диаметра расположен сверху, а его надпоршневая полость соединена с газовой средой высокого давления, а поршень меньшего диаметра находится под воздействием давления рабочего газа, причем между внутренними поверхностями цилиндра и поршня пневмопривода установлены уплотнительные кольца, выполненные из пирографита, а стопорное кольцо, установленное между поршнем меньшего диаметра и цилиндром, выполнено из никелевого сплава ЭК- 61 (ХН58БМ-ТЮ).
Другими отличиями блока сопел являются:
- управляющая полость пневмопривода соединена со штуцерами подвода газа высокого давления и дренажа;
- корпус и ступенчатый поршень выполнены из никелевого сплава ХН43БМТЮ;
- в качестве управляющего газа использован гелий;
- в качестве рабочего газа сопел используется окислительный газогенераторный газ, отбираемый после турбины;
- посадочные поверхности покрыты антифрикционным материалом из нитрида титана TiN.
Технический результат
Предлагаемое изобретение обеспечивает многократное срабатывание затворов с высоким быстродействием, низким расходом управляющего газа и повышенную надежность работы блока сопел.
Описание изобретения
Блок сопел крена (фиг.) содержит корпус 1, пару сопел 2, противоположно направленных друг другу, пару затворов 3, обеспечивающих перераспределение расхода рабочего тела между соплами и пневмопривод 4. Указанные сопла выполнены за одно целое с корпусом, а их оси О'-О' параллельны. Каждый затвор 3 выполнен из трубки 5 с продольными окнами 6. Один конец трубки 5 соединен со штоком пневмопривода 4, а другой - соединен со вставкой 7, имеющей критическое сечение сопла. В теле корпуса блока сопел между осями сопел О'-О' выполнена цилиндрическая полость 8, которая с двух сторон соединена с коллекторными полостями 9, расположенными коаксиально осям затворов 3. При этом цилиндрическая полость 8 соединена с трубопроводом 10, подключенным к источнику рабочей среды (не показано). Трубопровод 10 закреплен на крепежной опоре 11 блока сопел. Пневмопривод 4 содержит ступенчатый цилиндр 12 и ступенчатый поршень 13. Поршень большего диаметра 14 расположен сверху и закрыт крышкой 15, а его надпоршневая полость - управляющая полость 16 через штуцер 17 подсоединена к источнику газа высокого давления (не показано). Подпоршневая полость 18 этого поршня через дренажный штуцер 19 соединена с окружающей средой. Поршень меньшего диаметра 20 находится под воздействием рабочей среды высокого давления и высокой температуры. Герметизация радиальных зазоров между поршнями и цилиндрами пневмопривода осуществляется поршневыми кольцами 21 и 22, выполненными из пирографита, и стопорными кольцами 23 и 24. Торцевое уплотнение подпоршневой полости 18 осуществляется посадкой клапана 25 на седло 26 корпуса. Для обеспечения работоспособности блока в среде рабочего газа высокого давления и высокой температуры корпус 1, затворы 3, пневмопривод 4, сопла 2 и стопорные кольца 23 выполнены из жаропрочного никелевого сплава ХН43БМ-ТЮ, а стопорные кольца 24 выполнены из жаропрочного никелевого сплава ЭК-61 (ХН58БМ-ТЮ). Одинаковый материал деталей обеспечивает их одинаковое температурное расширение, что позволяет сохранять заданный зазор между трущимися поверхностями затворов, перемещающихся в корпусе, и исключить их заклинивание. Для той же цели на посадочные поверхности затворов нанесено антифрикционное покрытие из нитрида титана TiN. Рабочим телом блока сопел является окислительный газ, отбираемый после турбины турбонасосного агрегата, а управляющим газом блока является гелий с максимальным давлением 23,0 МПа.
Применение жаропрочных никелевых сплавов ХН43БМ-ТЮ и ЭК-61 (ХН58БМ-ТЮ) для изготовления блока сопел и ступенчатого пневмопривода, а также антифрикционного покрытия из нитрида титана TiN позволило создать блок сопел, надежно работающий в среде генераторного газа.
Выполнение затвора в виде трубки с антифрикционным покрытием, возратно-перемещающейся в цилиндрической направляющей, уменьшает трение, а также позволяет избежать жесткий контакт соприкасаемых поверхностей, что исключает возгорание конструкции в среде горячего окислительного газа.
Дополнительно, следует отметить, что коэффициент линейного расширения материала ЭК-61 в диапазоне температур от 400°С до 500°С - постоянен.
Работа блока сопел
При подаче гелия в надпоршневую - управляющую полость 16 затвор 3 перемещается в сторону сопла 2 до упора в корпус 1 и перекрывает окна 6, исключая при этом утечки гелия из управляющей полости посадкой клапана 25 на седло 26. При снижении давления в управляющей полости 16 затвор 3 силой, возникающей от действия давления в полости 8 окислительного генераторного газа на площадь, определяемую наружным диаметром поршневых колец 22, перемещается до упора в крышку 15, соединяя при этом полость 8 с полостью сопла 2. Генераторный газ начинает истекать из сопла 2, создавая тягу.
При попеременном подведении управляющего гелия к другому затвору 3 изменяется направление тяги, создаваемой блоком сопел. Количество срабатываний каждого затвора за один полет ракеты- носителя может быть в пределах ста циклов.
Промышленное применение
Предлагаемое изобретение найдет применение в ракетной технике для решения задач по управлению потоками горячего газа для создания тяги сопел крена. Применительно к выбранному варианту управления РН «Ангара» по крену разработаны элементы блоков сопел крена, которые находятся в стадии экспериментальной отработки.