Высотное сопло Лаваля

Предлагаемая полезная модель относится к области ракетостроения и может найти применение, в частности, в ракетных двигателях первых и вторых ступеней ракет, работающих со старта на Земле.
Известно высотное круглое сопло с изломом контура, состоящее из земного круглого сопла и высотного круглого насадка, соединенные друг с другом с образованием излома и кольцевой щели, в которой установлена перегородка, а в перегородке по всему периметру выполнены отверстия в форме пазов (см. патент РФ №2326259, МПК F02K 9/97, 2008).
Недостатком известного сопла является то, что при его работе на высоте (в разреженной среде) через отверстия, выполненные в перегородке кольцевой щели, происходит утечка горячих продуктов сгорания (газа), что приводит к потере мощности и может привести к прогару днища ракеты-носителя.
Задачей данной полезной модели является повышение удельного импульса двигателя ракеты и защита от прогара ее днища.
Техническим результатом, достигаемым предлагаемой полезной моделью, является защита днища ракеты от прогара, который достигается за счет того, что кольцевая щель, образованная в месте излома контура, снабжена пластинами, размещенными на шарнирах изнутри насадка по всему его периметру с возможностью качания для перекрытия кольцевой щели, при этом пластины выполнены в виде трапеции.
Поставленная задача решается за счет того, что в высотном сопле Лаваля, содержащем земное круглое сопло и соосно с ним установленный высотный круглый насадок, соединенные друг с другом с образованием излома контура и кольцевой щели, в которой установлена перегородка, а в перегородке по всему периметру выполнены отверстия в форме пазов, согласно полезной модели кольцевая щель, образованная в месте излома контура, снабжена пластинами, установленными на шарнирах изнутри насадка по всему его периметру с возможностью качания для перекрытия кольцевой щели.
На фиг. 1 изображено продольное сечение высотного сопла Лаваля.
На фиг. 2 изображено поперечное сечение по линии А-А.
На фиг. 3 изображена пластина (вид сверху).
На фиг. 4 приведена высотная характеристика высотного сопла Лаваля.
Высотное сопло Лаваля содержит круглое земное сопло 1 и соосно с ним установленный высотный круглый насадок 2, соединенные друг с другом с образованием кольцевой щели 3. В перегородке 4 кольцевой щели 3 по всему периметру выполнены отверстия в форме пазов 5, а на срезе круглого земного сопла 1 установлены на шарнирах 6 изнутри насадка 2 пластины 7 по всему его периметру с возможностью качания для перекрытия кольцевой щели 3, при этом пластины 7 выполнены в видетрапеции.
Высотное сопло Лаваля работает следующим образом.
При старте ракеты-носителя с Земли и полете ее в плотных слоях атмосферы внешнее давление превышает внутреннее в зоне излома контура, в результате чего атмосферное давление через отверстия в форме пазов 5, организованные в перегородке 4 кольцевой щели 3, передается внутрь сопла. В этом случае за счет передачи атмосферного давления на кромках пластин 7, установленных на шарнирах 6 на срезе круглого земного сопла 1 происходит принудительный отрыв потока газа. Благодаря отрыву потока, в высотном сопле Лаваля уменьшается перерасширение газа. Высотный круглый насадок 2 за кольцевой щелью 3 как бы отключается (он не создает тягу и не вносит потерь), в результате высотное сопло Лаваля работает близко к расчетному режиму.
При полете ракеты в верхних слоях атмосферы и снижении внешнего давления пластины 7, установленные на шарнирах 6, прилипают к внутренней стенке высотного насадка 2, вследствие чего скачок уплотнения с кромок пластин 7 уходит и садится на срез высотного круглого насадка 2. В этом случае  высотный круглый насадок 2 включается в работу и высотное сопло Лаваля работает полностью.
Благодаря последовательному включению в работу сначала земного круглого сопла 1, а затем высотного круглого насадка 2, происходит двухступенчатое регулирование высотности сопла Лаваля и, таким образом, высотная характеристика высотного сопла Лаваля становится близкой к характеристике идеального сопла с непрерывно регулируемой высотностью.
Кроме того, благодаря тому, что при работе сопла 1 на высоте пластины 7, установленные на шарнирах 6 на срезе круглого земного сопла 1, перекрывают кольцевую щель 3, не происходит утечки горячего газа через отверстия в форме пазов 5, организованных в перегородке 4 кольцевой щели 3, что защищает днище ракеты от теплового воздействия горячих струй газа.
Благодаря тому, что пластины 7 выполнены в виде трапеции (фиг. 3), при развороте пластин 7 на шарнирах 6 изнутри насадка 2 полностью перекрывается кольцевая щель 3, что обеспечивает отсутствие утечки горячего газа через отверстия в форме пазов 5, организованных в перегородке 4 кольцевой щели 3.
На фиг. 4 поз. 3 представлена высотная характеристика высотного сопла Лаваля с изломом контура от режима его работы. По оси ординат отложен прирост тяги сопла, отнесенный к тяге гладкого круглого сопла, а по оси абсцисс - высота полета ракеты. Из графика видно, что при использовании предлагаемого высотного сопла Лаваля обеспечивается прирост тяги в широком диапазоне изменения высоты полета ракеты.
a
a
Расчеты показывают, что в высотном сопле Лаваля с изломом контура по сравнению с гладким соплом с давлением на срезе p=0.06 МПа (Фиг. 4 поз. 1 - высотная характеристика земного сопла) выигрыш тяги в космосе может составить до 9% за счет увеличения геометрической степени расширения (Фиг. 4 поз. 3 - высотная характеристика сопла с изломом контура). Тяги же круглого сопла с давлением на срезе p=0.06 МПа и высотного сопла Лаваля с изломом контура при их работе на Земле одинаковые, так как контур земного сопла и контур высотного сопла Лаваля до излома рассчитаны на одинаковую степень расширения (фиг. 4). На фиг. 4 поз. 2 - эта высотная характеристика сопла двигателя 2-ой ступни ракеты.
Предлагаемая полезная модель повышает надежность ракеты за счет устранения прогара днища путем установки пластин, предназначенных для перекрытия кольцевой щели, что, несомненно, дает экономический эффект.