РАКЕТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА УПРАВЛЯЕМОГО СНАРЯДА, ВОСПЛАМЕНИТЕЛЬ ТВЕРДОТОПЛИВНОГО ЗАРЯДА И СОПЛОВОЙ БЛОК РАКЕТНОГО ДВИГАТЕЛЯ
GUIDED MISSILE SOLID-PROPELLANT ROCKET ENGINE, SOLID PROPELLANT IGNITER AND ROCKET ENGINE NOZZLE ASSEMBLY

Изобретение относится к ракетной технике и может быть использовано в разработках ракетных двигателей управляемых снарядов, выстреливаемых из ствола артиллерийского орудия. При стрельбе этими снарядами используется визуальное слежение за целью, что налагает значительные требования по условию обеспечения минимального задымления трассы дымовым шлейфом при работе ракетного двигателя. Дымовой шлейф при работе реактивного двигателя образуется за счет нескольких факторов, основными из которых являются:
- наличие дымового «хлопка» в момент воспламенения твердотопливного заряда навеской пиротехнического состава, например, дымного ружейного пороха. В связи с тем, что двигатель включается после выброса снаряда из ствола, когда снаряд находится еще вблизи стрелка, дымовой «хлопок» существенно ослабляет видимость цели, снижая вероятность ее поражения;
- наличие дымового «шлейфа» во время полета снаряда на маршевом участке траектории, обусловленного полнотой сгорания твердотопливного заряда и «дымления» элементов конструкции ракетного двигателя под воздействием высокой температуры горения и эрозионных воздействий высокоскоростной струи продуктов сгорания топлива.
Известен ракетный двигатель твердого топлива для снаряда, выстреливаемого из ствола. Этот двигатель содержит камеру сгорания, образованную цилиндрической оболочкой, полученной методом намотки пропитанных нитей, заряд твердого ракетного топлива и центральный сердечник, закрепленный во фланце снаряда с помощью основания. Часть сердечника выполнена в виде двух усеченных конусов, которые в сочетании с оболочкой образуют кольцевое реактивное сопло. При этом наружными стенками двигатель скреплен с наружной поверхностью основания снаряда (заявка Франции №2567197, кл. F02K 9/08, 1986 г. - аналог).
Известный двигатель используется для разгона в стволе без метательного заряда за счет только реактивной силы, что снижает начальную скорость снаряда и эффективность использования порохового заряда, снижая в общем надежность поражения цели.
Известен также воспламенитель ракетного двигателя, устанавливаемый в канале его сопла. Этот воспламенитель содержит опорные элементы, контактирующие с сужающейся и расширяющейся частями сопла. С целью обеспечения возможности в любой момент установки и удаления воспламенителя с улучшением условий воспламенения заряда, устройство снабжено разрушающимся элементом и радиально раздвигающимися наружными крепежными элементами. При этом внутренний элемент удерживает наружные крепежные элементы в раздвинутом положении. Воспламенитель выполняет одновременно функции заглушки, герметизирующей сопловое отверстие двигателя (заявка ЕПВ №0235028, кл. F02K 9/97, 1987 г. - аналог).
Однако эффективность зажжения порохового заряда таким воспламенителем имеет низкую надежность из-за выброса части навески воспламенительного состава вместе с заглушкой сопла при его вскрытии.
Кроме того, вышеприведенные конструкции ракетного двигателя, воспламенителя и соплового блока не обеспечивают малую задымленность траектории полета управляемого снаряда, что также снижает видимость цели и ведет к промаху.
Анализ уровня техники в данной области показал, что наиболее близким по технической сущности к заявляемому является ракетный двигатель твердого топлива управляемого снаряда, воспламенитель твердотопливного заряда и сопловой блок ракетного двигателя (патент РФ №2079689, кл. F02K 9/08 - прототип).
Ракетный двигатель содержит корпус с сопловым блоком, воспламенитель, вкладной заряд твердого топлива с центральным каналом и размещенной в нем трубкой, сопловую заглушку, при этом двигатель снабжен узлом очистки выхлопных газов, выполненным в виде глухих сборных полостей, образованных дополнительно предусмотренными усеченными пирамидальными выступами, малые основания которых расположены параллельно наружной конической поверхности форсажного участка шашки, а большие - напротив сопел, корпусом двигателя и уплотнительным кольцом в сторону действия полетных перегрузок. Трубка, расположенная внутри канала пороховой шашки, покрыта материалом с низким коэффициентом теплопроводности в виде термостойкой пластмассы.
Известен также воспламенитель твердотопливного заряда ракетного двигателя, содержащий расположенную со стороны дна двигателя форсажную камеру с отверстиями тороидальной формы, заполненными воспламенительными пороховыми таблетками и инициирующим составом, причем выемки между собой и с тороидальным гнездом соединены дугообразными каналами, а выходные отверстия выполнены наклонными к оси двигателя и ориентированными в зазор между внутренней поверхностью пороховой шашки и центральной трубкой двигателя.
В этом же источнике приведена конструкция соплового блока ракетного двигателя твердого топлива, содержащего корпус с соплами, размещенными в усеченных пирамидальных выступах, вмонтированных в передней части двигателя и загерметизированных разрушаемыми заглушками.
Описанные конструкции ракетного двигателя твердого топлива, воспламенителя и соплового блока при некотором повышении прозрачности выхлопных продуктов сгорания ракетного двигателя не в полной мере обеспечивают необходимую прозрачность выхлопных продуктов сгорания ракетного двигателя, что снижает надежность поражения цели управляемым снарядом.
Технической задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение прозрачности выхлопных продуктов сгорания ракетного двигателя в момент воспламенения и на установившемся режиме его работы при повышении надежности воспламенения порохового заряда.
Поставленная техническая задача достигается тем, что в ракетный двигатель твердого топлива управляемого снаряда, выстреливаемого из ствола артиллерийского орудия, содержащего корпус с передним сопловым блоком и узлом очистки пороховых газов, воспламенитель с форсажной камерой, вкладной заряд твердого топлива с центральным каналом, установленный в корпусе на уплотнительном кольце и размещенной в канале осевой трубкой, и сопловую заглушку, введен дополнительный узел очистки пороховых газов, выполненный в виде составной двухслойной эластичной трубы из полимерного материала с низким коэффициентом теплопроводности, размещенной в зазоре, образованном между внутренней стенкой корпуса двигателя и наружной поверхностью порохового заряда, причем внутренний слой трубы выполнен по длине меньше наружного слоя и образует зазор с диаметральным уплотнительным кольцом, а торцевая опорная поверхность вкладного заряда со стороны воздействия ствольной осевой перегрузки образована комбинацией забронированного и открытого со стороны канала концентричных колец, при этом напротив сопел в корпусе образована открытая в сторону сопел выемка тороидальной формы, а осевая трубка установлена в элементах корпуса двигателя с возможностью обеспечения осевого перемещения телескопическим соединением.
Для достижения поставленной задачи в воспламенитель твердотопливного заряда ракетного двигателя, содержащего расположенную со стороны дна двигателя форсажную камеру тороидальной формы с выходными отверстиями и заполненную воспламенительными пороховыми таблетками и инициирующим составом, электровоспламенитель, в форсажную камеру введены воспламенительные пороховые таблетки со сквозными отверстиями, прилегающие к инициирующему составу, и имитаторы из термостойкой пластмассы, размещенные за пороховыми таблетками, а выходные отверстия форсажной камеры ориентированы на не забронированную поверхность торца порохового заряда под острым углом, причем вход этих отверстий размещен в глухой конической полости, образованной конической проточкой крышки форсажной камеры с осевой стороны.
Кроме того, для достижения поставленной задачи в сопловом блоке ракетного двигателя твердого топлива, содержащего сопла, размещенные в усеченных пирамидальных выступах, вмонтированных в корпус передней части двигателя и сопловые заглушки, сопловые заглушки выполнены в виде грибка со сферической головкой и уплотнительным резиновым кольцом, контактирующим с выходным раструбом сопла, а ножка его имеет симметричные плоские боковые поверхности, переходящие в цанговый бурт, поджатый к поверхности входного раструба сопла посредством резьбового соединения ножки и головки грибка.
Изобретение поясняется чертежами, где: на фиг.1 изображен общий вид твердотопливного двигателя в разрезе; на фиг.2 - разрез по А-А на фиг.1 (воспламенитель в разрезе); на фиг.3 - выров I на фиг.1 (в увеличенном масштабе); на фиг.4 - выров II на фиг.1 (сопловой блок в разрезе); на фиг.5 - разрез по Б-Б на фиг.4.
Ракетный двигатель содержит корпус 1 с передним сопловым блоком 2, донный воспламенитель 3, вкладной заряд твердого топлива 4 в виде пороховой шашки с центральным каналом 5, установленный в корпусе на диаметральном уплотнительном кольце 6 и размещенной в канале осевой трубки 7. Пороховая шашка покрыта по наружной поверхности бронировкой и имеет форсажный участок 8 в виде оголенного участка шашки. Внутри двигателя напротив каждого соплового отверстия и соосно ему расположены выступы 9 в виде усеченных пирамид, при этом выступы и корпус 1 образуют глухие сборные полости 10, ограниченные уплотнительным кольцом 6 в сторону действия полетных перегрузок. Осевая трубка 7 покрыта снаружи адсорбирующим твердые пороховые частицы материалом с низким коэффициентом теплопроводности. Причем осевая трубка установлена в двигателе с использованием телескопического соединения в зоне 11 донного воспламенителя 3, обеспечивающего возможность ее осевого перемещения в корпусе 1.
В зазоре между пороховым зарядом 4 и боковой стенкой корпуса 1 размещена двухслойная эластичная труба из теплоизоляционного материала с наружным 12 и внутренним 13 слоями, причем наружный слой защемлен между диаметральным уплотнительным кольцом 6 и корпусом 1, а внутренний слой образует с этим кольцом зазор 14. Напротив сопел в корпусе образована выемка 15 тороидальной формы, покрытая материалом с низким коэффициентом теплопроводности. Торцевая опорная поверхность порохового заряда образована комбинацией забронированного 16 и незабронированного (открытого) 17 со стороны канала концентрических колец.
Воспламенитель твердотопливного заряда размещен в заднем дне 18 корпуса 1 и выполнен в виде форсажной камеры, образованной тороидальной выемкой 19 и крышкой 20 с выходными (дроссельными) отверстиями 21. В форсажной камере размещены воспламенительные пороховые таблетки 22 и инициирующий состав 23. Кроме того, в форсажную камеру введены со стороны инициирующего состава воспламенительные таблетки 24 со сквозными отверстиями и имитаторы таблеток 25 из термостойкой пластмассы, размещенные за пороховыми таблетками 22. Напротив инициирующего состава 23 установлен электровоспламенитель 26. Выходные отверстия 21 крышки ориентированы на незабронированный (открытый) 17 участок торца порохового заряда под острым углом α.
Вход выходных отверстий 21 расположен в глухой конической полости 27, образованной конической проточкой крышки 20 с внутренней от оси двигателя стороны.
Сопловой блок 2 ракетного двигателя твердого топлива образован соплами 28, размещенными в усеченных пирамидальных выступах 9, вмонтированных в корпус 1 передней части двигателя, и сопловыми заглушками 29. Сопловые заглушки выполнены в виде грибка со сферической головкой 30 с уплотнительным резиновым кольцом 31, контактирующим с выходным раструбом сопла. Ножка грибка образована цилиндром 32 с симметричными плоскими боковыми поверхностями 33, переходящими в цанговый бурт 34, поджатый к поверхности входного раструба сопла посредством резьбового соединения 35 ножки и головки грибка.
Работа предложенных устройств в дополнение к описаниям их конструкций, изложенным выше, заключается в следующем.
При срабатывании электровоспламенитель 26 форсом пламени поджигает инициирующий состав 23. Пороховые газы инициирующего состава через отверстия в таблетках 24 направляются на пороховые таблетки 22, обеспечивая за счет эрозионного эффекта интенсивное их воспламенение в форсажной камере. Дальнейшее прохождение газов через имитаторы таблеток 25 из термостойкой пластмассы обеспечивает значительное уменьшение количества твердых частиц газа за счет адсорбции их на стенках этих имитаторов, обеспечивая тем самым очистку газа от самой «дымящей» составляющей. Пороховые газы от сгорания пороховых таблеток 22 и 24 истекают из форкамеры через выходные (дроссельные) отверстия 21 при постоянном в ней подпоре давления. Размещение входа выходных отверстий в глухой кольцевой конической полости 27 позволяет дополнительно снизить попадание (вынос) твердых частиц пороховых газов в полость двигателя за счет их инерционной фильтрации в глухом кармане этой конической полости 27. Ориентация выходных отверстий 21 под острым углом α на незабронированный (открытый) кольцевой участок 17 порохового заряда обеспечивает за счет эрозионного воздействия эффективный поджиг и дальнейшую интенсификацию горения порохового заряда 4 также по центральному каналу 5 и форсажному участку 8. При этом происходит очистка пороховых газов как за счет адсорбционных свойств наружного покрытия осевой трубки 7, так и за счет пирамидальных выступов 9. Установка осевой трубки 7 с возможностью осевого перемещения (колебаний за счет телескопического соединения в зоне 11) при динамичной работе ракетного двигателя обеспечивает уменьшение воздействующих на нее ударных нагрузок, что исключает «скалывания» налипших на ее поверхность твердых частиц и выброс их на трассу полета через сопловые отверстия. Этому же способствует и выемка тороидальной формы 15.
Кроме того, двухслойная эластичная труба с наружным 12 и внутренним 13 слоями снижает на конечном участке траектории полета «дымление» бронировки порохового заряда, обеспечивая полную его изоляцию от высокотемпературных продуктов горения. Зазор, образованный между уплотнительным кольцом 6 и внутренним 13 слоем эластичной трубы позволяет создать прижимающее к заряду усилие, воздействующее на наружный 12 слой этой трубы.
Прижимающее усилие возникает из-за более низкого давления в полости зазора 14 по сравнению с рабочим давлением в полости двигателя при горении заряда. После выгорания заряда на конечном участке работы двигателя эластичная труба неразрывно скрепляется с бронировкой и исключает его дымление.
На уменьшение дымления и повышение надежности работы двигателя работает и конструкция соплового блока. В этом блоке сопловая заглушка является «накопителем» твердых (дымообразующих) частиц пороховых газов. В момент воспламенения холодные твердые частицы через зазоры между плоскими боковыми поверхностями 33 ножки 32 и поверхностью сопла попадают в полость под головку 30 грибка, где накапливаются до момента вскрытия сопла. Вскрытие сопла происходит при достижении в полости двигателя расчетного давления пороховых газов путем обжима цангового бурта 34. При выбросе заглушки вместе с ней выбрасываются накопленные твердые частицы без их распыления на трассе.
Как показали проведенные испытания, предложенное техническое решение в конструктивном исполнении ракетного двигателя для управляемого снаряда, воспламенителя и соплового блока обеспечивает значительное снижение задымленности трассы полета шлейфом продуктов сгорания и позволяет повысить надежность поражения цели на всей предусмотренной дальности стрельбы до полного выгорания порохового заряда.