СОПЛО С РАЗДВИЖНЫМ РАСТРУБОМ
NOZZLE WITH EXTENSION SOCKET

Изобретение относится к ракетной технике и может быть использовано при создании раздвижных сопел ракетных двигателей.
Известно раздвижное сопло ракетного двигателя, содержащее неподвижный раструб, телескопически выдвигаемый насадок, элементы центрирования и фиксации насадка в рабочем положении (см. книгу - Л.Н.Лавров и др. Конструкция ракетных двигателей на твердом топливе. - М.: Машиностроение, 1993, стр.141, рис.3.13).
В данной конструкции элементы фиксации выполнены в виде кольцевого набора лепестков цанг одинаковой толщины, закрепленных на неподвижном раструбе. Лепестки цанг, выполненные с одинаковой толщиной их рабочей длины, обладают большой изгибной жесткостью. Поэтому для преодоления сил сопротивления со стороны лепестков цанг внутренним кольцевым выступом насадка в процессе его автоматической стыковки с неподвижным раструбом требуется повышение мощности привода и соответственно увеличение его массы. Это приводит к росту динамических нагрузок на элементы сопла при стыковке насадка с неподвижным раструбом. Для обеспечения прочности элементов конструкции сопла требуется увеличение их толщины и, как следствие, его массы.
Другим конструктивным недостатком является изогнутое состояние рабочей длины лепестков цанги (в форме дуги) в момент восприятия ими ударной нагрузки от высвобождаемой энергии сжатия демпфера, толкающего на торец лепестков цанг насадок в фазе его возвратного движения. При изогнутом состоянии лепестков цанг резко падает их несущая способность на устойчивость в сравнении с устойчивостью прямолинейного стержня.
Известно сопло с раздвижным раструбом (патент US №4169555), содержащее неподвижную часть раструба с торцевым уступом на наружной поверхности его периферии, смонтированный вокруг него наружный выдвигаемый насадок с внутренним торцевым уступом со стороны меньшего диаметра, демпфер-уплотнение, устройство фиксации выдвинутого положения насадка цангового типа с кольцевым набором лепестков переменной толщины. При этом в продольном сечении лепесток цанги имеет форму клина с большей толщиной в месте закрепления лепестка, монотонно убывающей в сторону его свободного конца. Фиксация насадка в осевом рабочем положении осуществляется рядом лепестков цанг, входящих при их упругом изгибе (в форме дуги) в зацепление с внутренним кольцевым выступом насадка со стороны малого диаметра при сжатии демпферного уплотнительного кольца между торцевыми поверхностями насадка и неподвижного раструба.
Недостатки этой конструкции сопла аналогичны вышеупомянутой конструкции телескопического сопла (из книги Л.Н.Лаврова и др. Конструкция ракетных двигателей на твердом топливе).
Технической задачей настоящего изобретения является устранение вышеуказанных недостатков.
Технический результат достигается тем, что в сопле, содержащем неподвижный раструб с торцевым уступом на наружной поверхности его периферии, смонтированный вокруг него наружный выдвигаемый насадок с внутренним торцевым уступом со стороны меньшего диаметра, демпфер-уплотнение, устройство фиксации выдвинутого положения насадка цангового типа с кольцевым набором лепестков переменной толщины, каждый лепесток снабжен участком сопряжения в зоне его жесткого закрепления, выполненным с лепестком за одно целое в виде локального профилированного участка утонения толщины лепестка, и ограничителями его деформации на изгиб в зоне упругости при прямом и обратном ходе, например, в виде винтов или прокладок.
Предлагаемое решение технической задачи поясняется графическим материалом. На фиг.1 представлена конструктивная схема сопла с раздвижным раструбом в сложенном и выдвинутом положении (продольный разрез); на фиг.2 - выноска А, где показан фрагмент соединительного узла стыка насадка с неподвижным раструбом в фазе движения насадка в сторону среза неподвижного раструба с подгибанием лепестков цанги в момент подхода к демпферу-уплотнению (продольный разрез); на фиг.3 - выноска А, где показан фрагмент соединительного узла стыка выдвигаемого насадка с неподвижным раструбом в рабочем положении, пунктиром показан контур лепестка цанги при упоре в ограничитель движения лепестка при прямом ходе, на фиг.4 - выноска А, вариант исполнения (насадок не показан).
Сопло с раздвижным раструбом (фиг.1) содержит неподвижный раструб 1, наружный выдвигаемый насадок 2, расположенный на направляющем цилиндре 3, соединенном с заглушкой 4, демпфер-уплотнение 5 (фиг.2), узел фиксации насадка в сложенном положении в виде рычагов 6, узел фиксации насадка в рабочем положении выполнен в виде кольцевого ряда лепестков 7 цанг 8. Лепестки 7 выполнены переменной толщины с участком сопряжения, выполненным в виде локального утонения 9 в зоне их закрепления. Лепестки 7 имеют концевой участок 10, внутреннюю поверхность 11 (фиг.3, 4) и наружную поверхность 12, которые расположены под углом к оси насадка.
Насадок 2 со стороны меньшего диаметра имеет внутренний кольцевой уступ 13 с хвостовой частью 14, выполненной с наименьшим диаметром опорной цилиндрической поверхности 15, с торцевым уступом 16 и запорной цилиндрической поверхностью 17. Для ограничения рабочего хода каждого лепестка 7 выполнены регулируемые ограничители прямого хода 18 (фиг.3 винт, на фиг.4 прокладка) с упорной поверхностью 19 и ограничители обратного хода 20, например, в виде винтов (на фиг.3), проходящих через отверстия 21 в лепестках 7, или в виде прокладки (на фиг.4). В сложенном положении насадок 2 с цилиндром 3 жестко зафиксирован относительно неподвижного раструба 1 рычагами 6 с возможностью его освобождения при подаче командного сигнала на раздвижку.
При необходимости произвести раздвижку сопла нарушается механическая связь цилиндра 3 с неподвижным раструбом 1 (например, рвутся пироболты бандажа, стягивающего рычаги 6), рычаги 6 выходят из зацепления, освобождают цилиндр 3 с насадком 2. Насадок 2 совместно с цилиндром 3 и заглушкой 4 перемещаются под действием внутреннего давления газа на заглушку.
Двигаясь, насадок 2 наталкивается внутренним кольцевым уступом 13 на наклонную поверхность 12 лепестков 7 цанг 8, теряет часть кинетической энергии, преодолевая силы упругости утоненного участка 9 при подгибании лепестков 7 и силы трения их концевых участков 10 при контакте с опорной цилиндрической поверхностью 15 хвостовой части 14 двигающегося насадка 2.
Далее при сходе наименьшего диаметра опорной цилиндрической поверхности 15 насадка 2 с концевых участков 10 лепестков 7 цанг 8 последние за счет сил упругости частично разгибаются на величину, которая позволяет с необходимым быстродействием им войти в контакт с запорной цилиндрической поверхностью 17. Продолжая движение, насадок 2 наталкивается на демпфер 5, преодолевая его силы сопротивления, трения и упругости, резко замедляет движение, изменяя скорость до нулевого значения. Происходит энергетический обмен с превращением кинетической энергии движущейся массы (насадка 2, цилиндра 3 с заглушкой 4 и их конструктивных элементов) в потенциальную энергию упругой деформации демпфера 5 и элементов конструкции сопла. К моменту достижения насадком 2 нулевой скорости образуется некоторый зазор между торцевым уступом 16 и концевыми участками 10 лепестков 7. Далее происходит процесс высвобождения потенциальной энергии упругой деформации демпфера 5 с фазой движения насадка 2 в обратном направлении, при котором насадок 2 в контакте запорной цилиндрической поверхности 17 с концевыми участками 10 лепестков 7 цанг 8 движется до упора торцевого уступа 16 в концевые участки 10 лепестков 7 цанг 8.
Демпфер 5 остаточным усилием энергии упругого сжатия прижимает насадок 2 уступом 16 к концевым участкам 10 лепестков 7 цанг 8, тем самым фиксирует его в рабочем положении, препятствуя его продольным перемещениям. При этом рабочая часть лепестка 7 с наклонными поверхностями 11, 12 сохраняет прямолинейную форму, практически не подвергаясь изгибу.
При демонтаже насадка 2, например, после проведения цеховых испытаний на проверку параметров процесса раздвижки раструба сопла, заводят приспособления, например, в виде клиньев между запорной цилиндрической поверхностью 17 и наружной поверхностью 12 лепестков 7, перемещая лепестки в радиальном направлении к оси насадка 2, тем самым выводя из зацепления концевые участки 10 лепестков 7 с торцевым уступом 16. Лепесток 7 упирается своей внутренней поверхностью 11 в упорную поверхность 19 ограничителя прямого хода 18 (на фиг.3 - винт, на фиг.4 прокладки), обеспечивая работу утоненной зоны 9 лепестка 7 в упругой зоне. С целью исключения случайной деформации лепестка 7 с переходом в пластическую зону в обратном направлении лепесток 7 поверхностью 21 упирается в ограничитель обратного хода 20 (на фиг.3 - винт, на фиг.4 прокладка), обеспечивая работу утоненной зоны 9 лепестка 7 в упругой зоне.
Ограничители прямого и обратного хода лепестка цанги в представленных конструктивных вариантах обеспечивают получение одинакового технического результата.
Предлагаемая конструкция сопла позволяет обеспечить повышение несущей способности лепестков цанг на продольную устойчивость в условиях воздействия ударных нагрузок при обратном движении насадка, а также с одновременным уменьшением их изгибной жесткости при выдвижении. При этом оптимизировать необходимую величину энергии привода для выдвижения и присоединения насадка с надежной фиксацией в рабочем положении и, как следствие, снизить величину ударных нагрузок, уменьшить мощность, массу привода и конструкции сопла в целом.