Сопло ракетного двигателя на цилиндрических эластичных шарнирах
ROCKET ENGINE NOZZLE ON CYLINDRICAL ELASTIC HINGES

Изобретение относится к ракетной технике и может быть использовано при создании ракетных двигателей.
Известно поворотное управляющее сопло, частично утопленное в камеру сгорания ракетного двигателя, в котором между подвижной и неподвижной частями сопла установлен эластичный опорный шарнир (узел подвески), состоящий из последовательно чередующихся концентричных сферических взаимосвязанных эластичных и жестких колец, соединенных склейкой. Эластичный опорный шарнир обеспечивает пространственное отклонение сопла за счет упругих деформаций (сдвига) элементов из эластомера. (Конструкции ракетных двигателей на твердом топливе. / Под общ. ред. чл.-корр. Российской академии наук, д-ра техн. наук, проф. Л.Н. Лаврова. - М., Машиностроение, 1993. - 215 с, ил.; стр. 154, рис. 3.29).
Наиболее близким к заявленному изобретению по технической сущности и взятым за прототип является поворотное сопло ракетного двигателя (патент RU 170276 от 19.04.2017]), частично утопленное в камеру сгорания, в котором поворотная часть соединена с его неподвижной частью с помощью герметизирующего эластичного опорного шарнира.
Недостатком данной конструкции является большая угловая жесткость.
Технической проблемой изобретения является снижение угловой жесткости узла подвески в поворотной части сопла.
Технический результат заключается в снижении угловой жесткости узла подвески поворотной части сопла за счет применения в конструкции цилиндрических эластичных шарниров.
Технический результат достигается тем, что в сопле ракетного двигателя на цилиндрических эластичных шарнирах, содержащем неподвижный корпус сопла, поворотную часть, соединенную с неподвижной частью через промежуточный подвижный корпус, охватывающий поворотную часть вдоль ее оси, герметизирующий эластичный шарнир с сферическим центром в центре вращения поворотной части, соединенный с неподвижным корпусом сопла по скользящей герметичной посадке, поворотная часть соединена с промежуточным подвижным корпусом парой расположенных на противоположных сторонах промежуточного подвижного корпуса цилиндрических эластичных шарниров, имеющих общую, проходящую через центр вращения поворотной части ось, и состоящих из двух одинаковых, не связанных между собой, диаметрально противоположных цилиндрических секторов, представляющих собой пакеты из чередующихся тонких цилиндрических эластичных и жестких слоев, при этом цилиндрические секторы шарниров, расположенные спереди оси вращения поворотной части, крепятся к последней эластичными слоями с большим радиусом и крепятся к промежуточному подвижному корпусу эластичными слоями с меньшим радиусом, и наоборот, цилиндрические секторы шарниров, расположенные сзади оси вращения поворотной части, крепятся к ней эластичными слоями с меньшим радиусом и крепятся эластичными слоями с большим радиусом к промежуточному подвижному корпусу, который, в свою очередь, аналогично крепится к неподвижному корпусу сопла аналогичными парами цилиндрических эластичных шарниров, причем цилиндрические секторы этих шарниров, расположенные спереди оси поворота промежуточного подвижного корпуса, крепятся к нему эластичными слоями с большим радиусом и крепятся к неподвижному корпусу сопла эластичными слоями с меньшим радиусом, и наоборот, цилиндрические секторы, расположенные сзади оси поворота промежуточного подвижного корпуса, крепятся к нему эластичными слоями с меньшим радиусом и крепятся к неподвижному корпусу сопла эластичными слоями с большим радиусом.
Отличительные признаки технического решения являются существенными.
Требуемый угол отклонения поворотной части реализуется за счет ее одновременного поворота в двух взаимно перпендикулярных плоскостях - одна плоскость внутри промежуточного подвижного корпуса, вторая плоскость - это плоскость отклонения самого промежуточного подвижного корпуса в перпендикулярном направлении. В каждой из плоскостей отклонение обеспечивается парой цилиндрических эластичных шарниров, расположенных по противоположным сторонам промежуточного подвижного корпуса соответственно в местах соединения его с поворотной частью и с неподвижным корпусом сопла. Пары цилиндрических эластичных шарниров, кроме шарнирной функции, выполняют еще и опорную функцию, т.е. обеспечивают передачу осевой выталкивающей газодинамической силы, действующей на поворотную часть вдоль ее оси, сначала на промежуточный подвижный корпус, а затем с него на неподвижную часть сопла. С точки зрения обеспечения опорной функции существенны только участки цилиндра, где тонкие эластичные слои работают на сжатие. Эти участки представляют собой цилиндрические секторы с углом раствора порядка 90…120°. Их работа на сжатие обеспечивается указанным выше порядком крепления их крайних эластичных слоев к соединяемым деталям сопла, при котором все цилиндрические секторы из одной плоскости отклонения сжимаются под действием осевой силы на одну и ту же величину. Угловая жесткость узла подвески сопла в каждой из двух базовых плоскостей отклонения поворотной части равна сумме угловых жесткостей цилиндрических секторов, обеспечивающих поворот в этой плоскости, плюс угловая жесткость герметизирующего эластичного шарнира.
Уменьшение угловой жесткости узла подвески сопла по сравнению с прототипом обеспечивается:
1 За счет уменьшения опорной площади резиновых слоев вследствие уменьшения осевой силы на поворотную часть сопла благодаря уменьшению диаметра герметизирующего эластичного шарнира по сравнению с диаметром эластичного опорного шарнира прототипа, а также благодаря исполнению цилиндрических эластичных шарниров в виде одного или двух не связанных между собой секторов.
2 За счет уменьшения плеча сил упругого сопротивления эластичных слоев отклонению поворотной части сопла вследствие уменьшения их радиуса по сравнению с радиусом эластичных слоев прототипа.
На фиг. 1 приведена схема конструкции поворотного управляющего сопла ракетного двигателя на цилиндрических эластичных шарнирах.
На фиг. 2 приведен показанный на фиг. 1 разрез А-А сопла плоскостью перпендикулярной продольной оси двигателя (оси ОХ).
На фиг. 3 приведен показанный на фиг. 1 разрез Б-Б, на котором показана горизонтальная проекция схемы подвески.
На фиг. 4 приведен показанный на фиг. 1 разрез сопла В-В, на котором показана схема соединения поворотной части с промежуточным подвижным корпусом.
На фиг. 1-4 приняты следующие обозначения:
1 - неподвижный корпус сопла;
2 - поворотная часть;
3 - промежуточный подвижный корпус;
4 - герметизирующий эластичный шарнир;
5 - цилиндрический эластичный шарнир (2 шт.), состоящий из одного или двух, не связанных между собой цилиндрических секторов;
6 - цилиндрический эластичный шарнир (2 шт.), аналогичный шарнирам 5;
7, 8 - упоры цилиндрических секторов цилиндрических эластичных шарниров 5, жестко связанные с поворотной частью 2;
9, 10 - упоры цилиндрических секторов цилиндрических эластичных шарниров 6, жестко связанные с неподвижным корпусом сопла 1;
11 - центрирующие площадки (2 места), фиксирующие плоскость отклонения поворотной части 2 относительно промежуточного подвижного корпуса 3;
12 - центрирующие площадки (2 места), фиксирующие плоскость отклонения промежуточного подвижного корпуса 3 относительно неподвижного корпуса сопла 1.
На рисунках XYZ - правая прямоугольная система координат с началом в центре поворота сопла О, жестко связанная с промежуточным подвижным корпусом 3, выполненным в виде рамы, охватывающей поворотную часть 2 вдоль оси ОХ;
1
R - начальный сферический радиус герметизирующего эластичного шарнира 4;
2
R - начальный цилиндрический радиус цилиндрических эластичных шарниров (всего 4 шарнира, состоящих из двух цилиндрических секторов каждый).
Предполагается, что все цилиндрические эластичные шарниры попарно состоят из одинаковых цилиндрических секторов, что обеспечивает требуемую симметрию упругих свойств узла подвески. Поворотная часть 2 может вращаться только вокруг оси OZ (перпендикулярна плоскости рисунка на фиг. 1), а промежуточный подвижный корпус 3 - только вокруг оси OY. Неподвижный корпус сопла 1, утопленный в корпус двигателя, показан на фиг. 1 в разрезе по плоскости симметрии XOY при нулевых положениях поворотной части 2 и промежуточного подвижного корпуса 3. По его поверхности, обращенной внутрь корпуса двигателя, действует внутрикамерное давление Р. Детали теплозащиты со стороны камеры сгорания не показаны. Конструкция узла подвески имеет две базовых плоскости симметрии - XOY и XOZ, а цилиндрические эластичные шарниры располагаются симметрично еще и относительно плоскости YOZ. Частично, до волнистой линии вырыва, в разрезе по плоскости XOY на фиг. 1 показаны промежуточный подвижный корпус 3, герметизирующий эластичный шарнир 4, и соединение цилиндрического эластичного шарнира 6 с неподвижным корпусом сопла 1 и промежуточным подвижным корпусом 3.
Поворотная часть 2 через жестко связанные с ней упоры 7, 8 и цилиндрические сектора цилиндрических эластичных шарниров 5 опирается на вертикальные стойки промежуточного подвижного корпуса 3 (фиг. 1, фиг. 2, фиг. 4). При этом цилиндрические сектора шарниров 5, будучи одинаковыми, воспримут осевую газодинамическую силу, действующую на поворотную часть 2, в равных долях и обеспечат совместно с центрирующими площадками 11 отклонение поворотной части 2 относительно промежуточного подвижного корпуса 3 в плоскости XOY. В свою очередь, промежуточный подвижный корпус 3 через цилиндрические сектора цилиндрических эластичных шарниров 6 опирается на упоры 9, 10, жестко связанные с неподвижным корпусом сопла 1. Аналогично шарнирам 5 шарниры 6 воспримут осевую силу, действующую со стороны промежуточного подвижного корпуса 3, и совместно с центрирующими площадками 12 обеспечат отклонение корпуса 3 относительно неподвижного корпуса сопла 1 в плоскости XOZ.
С точки зрения минимизации угловой жесткости увеличение площади резиновых слоев лучше делать за счет увеличения ширины слоев, т.е. без увеличения их радиусов и длин в окружном направлении.
Таким образом, конструкция узла подвески на цилиндрических эластичных шарнирах обладает всеми основными свойствами узла подвески на эластичном опорном шарнире, обеспечивая при этом меньшую по сравнению с ним угловую жесткость.