КОРПУС РАСТРУБА ПОВОРОТНОГО СОПЛА ИЗ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
ROTATING NOZZLE BELL HOUSING FROM COMPOSITE MATERIALS

Изобретение относится к области ракетной твердотопливной техники и может быть использовано как одна из составных частей из композиционных материалов в конструкциях поворотных сопл.
Известно поворотное сопло ракетного двигателя по JP 2010275881 (А) - 2010-12-09, МПК F02K 9/84, в котором передняя выходная часть сопла - в данном случае диффузор, выполненная из теплозащитного материала, помещена в силовой металлический корпус с элементами взаимодействия с механизмом поворота сопла.
7
Известно поворотное сопло по патенту RU №2309281 С2 (27.10.2007), МПК F02K 9/84, в котором также диффузор (по другой терминологии - раструб) помещен в металлический корпус, взаимодействующий с механизмом поворота сопла через проушины без усиления зоны взаимодействия шпангоутом, что предполагает большую жесткость собственно металлического корпуса, что особенно нерационально при больших размерах сопл.
Известно также поворотное сопло ракетного двигателя (И.К. Фахрутдинов, А.В. Котельников. «Конструкция и проектирование ракетных двигателей твердого топлива», Москва, Машиностроение, 1987, с.136-137). В нем передняя и задняя выходные части сопла (раструб и насадок) выполнены в виде теплозащитных элементов с профилем по форме сопла, размещенных в металлических корпусах, один из которых (корпус раструба) имеет силовой шпангоут с кронштейнами для соединения с приводом поворота сопла.
Данное поворотное сопло является наиболее близким по конструкции и выбрано прототипом. Оно имеет рациональную конструкцию с усилением мест приложения сосредоточенных сил.
Но оно обладает всеми недостатками устройств, выполненных из металла и применяемых в рассматриваемой области техники: значительная масса и трудоемкая технология изготовления - практически всегда сложно профилированных поверхностей; а для изделий, непосредственно соприкасающихся с газовым потоком, - высокая теплопроводность и недостаточная тепло- и эрозионная стойкость.
Задачей данного предполагаемого изобретения является реализация преимуществ, предоставляемых композиционными материалами, в части обеспечения надежности конструкции корпуса раструба и снижения массы и трудоемкости изготовления.
В условиях же работы корпуса раструба при знакопеременных нагрузках, создаваемых механизмами поворота сопла и передаваемых на оболочку и шпангоут через закладные детали, для композиционных материалов важно, чтобы конструкция корпуса обеспечивала включение (встраиваемость) их в эти элементы как единое целое, обеспечивая совместную работу их.
Для решения указанной задачи предложен корпус раструба поворотного сопла из композиционных материалов, содержащий оболочку в виде усеченного конуса с двумя присоединительными фланцами у большого и малого оснований, а также силовой шпангоут с закладными деталями для взаимодействия с механизмами поворота сопла. Оболочка в зоне установки шпангоута выполнена с кольцевым поясом с торцовой поверхностью, фиксирующей положение шпангоута в осевом направлении, и объединена со шпангоутом в неразъемную конструкцию с образованием кольцевого пространства между наружной поверхностью пояса и внутренней поверхностью шпангоута, в которое встроены с опорой на них закладные детали, взаимодействующие с механизмами поворота сопла.
Другими существенными признаками являются:
- выполнение шпангоута с усиленным ребром, сформированным перегибом ткани вокруг введенного в конструкцию жесткого диска из материала, совместимого с материалом шпангоута;
- выполнение боковой поверхности шпангоута со стороны большого основания оболочки как фланца для встраивания корпуса раструба в систему составных частей поворотного сопла.
Конструкция предлагаемого корпуса поясняется рисунками.
На фиг.1 представлен корпус раструба поворотного сопла (общий вид); на фиг.2 - элемент А на фиг.1; на фиг.3 - разрез Б-Б на фиг.2.
Корпус раструба поворотного сопла ракетного двигателя (фиг.1) содержит оболочку 1 в виде усеченного конуса с двумя присоединительными фланцами 2 и 3 у большого и малого оснований, силовой шпангоут 4 с закладными деталями 5 для взаимодействия с механизмами поворота сопла.
Оболочка 1 в зоне установки шпангоута 4 выполнена с кольцевым поясом 6 с торцовой поверхностью 7, фиксирующей положение шпангоута в осевом направлении. Оболочка 1 со шпангоутом 4 объединены в неразъемное соединение с образованием кольцевого пространства 8 между наружной поверхностью 9 пояса 6 и внутренней поверхностью 10 шпангоута 4, в которое встроены, с опорой на них, закладные детали 5, взаимодействующие с механизмами поворота сопла через кинематические связи 11 (фиг.2, 3)
Боковая поверхность 12 (фиг.2) шпангоута 4 со стороны большого основания оболочки 1 выполнена с усиленным кольцевым ребром 13, образованным перегибом ткани 14 вокруг введенного в его конструкцию жесткого диска 15 из материала, совместимого с материалом шпангоута.
Кроме того, боковая сторона 12 оформлена как фланец для встраивания корпуса в систему составных частей сопла.
Работа корпуса раструба заключается в следующем. Усилия от механизмов поворота сопла в направлении стрелок на фиг.1 через закладные детали 5 передаются на корпус раструба. При одном направлении усилий закладная деталь прижимается к наружной поверхности кольцевого пояса 6 оболочки 1, а при обратном направлении - к внутренней поверхности 10 (фиг.3) шпангоута 4 (фиг.2). То есть корпус в целом испытывает знакопеременные нагрузки от механизмов поворота сопла, а беззазорное встраивание закладной детали с одновременной опорой на поверхности оболочки и шпангоута исключает наличие люфтов в соединении упомянутых элементов, образуя монолитную неразъемную конструкцию.
Таким образом, новые технические решения корпуса раструба с использованием композиционных материалов позволяют создать надежную конструкцию при снижении массы и трудоемкости изготовления.
По данному предложенному техническому решению разработана конструкция корпуса раструба и технологическая оснастка и производится отработка опытного образца.