Твёрдотопливная двигательная установка многократного включения и способ ее многократного включения
MULTIPLE INCLUSION SOLID PROPULSION SYSTEMS AND METHOD OF ITS MULTIPLE INCLUSION

Изобретение относится к области ракетостроения, а именно к созданию разгонных блоков на базе твердотопливных двигательных установок, и направлено на совершенствование их конструкции.
Разгонные блоки на базе твердотопливных двигательных установок (РБ на базе РДТТ) обладают рядом преимуществ по сравнению с разгонными блоками на базе жидкостных двигательных установок (РБ на базе ЖРД), а именно: простотой конструкции и высокой надежностью, повышенным уровнем эксплуатационной и экологической безопасности, длительными гарантийными сроками хранения и эксплуатации, постоянной готовностью к применению, а также существенно меньшей стоимостью.
РБ должен обеспечивать выведение космического аппарата (КА) на целевые орбиты и обеспечивать перевод РБ на орбиту захоронения после отделения космического аппарата, что обеспечивается использованием 2-х импульсной схемы выведения. Первый импульс предназначен для увеличения перегея начальной орбиты РБ, выведенного ракетой космического назначения (РКН), до величины, равной апогею орбиты, т.е. перевода эллиптической орбиты в круговую, а второй импульс предназначен для уменьшения перегея орбиты РБ до величины ≤100 км после отделения КА для контролируемого затопления РБ после выполнения миссии.
Известна конструкция управляемой ракетной двигательной установки многократного включения, которая состоит из заряда твердого топлива, центрального сопла, управляющих сопел, оси которых расположены перпендикулярно оси центрального сопла. Центральное сопло и управляющие сопла регулируются при помощи клапанов. Воспламеняющие заряды твердого топлива расположены внутри камеры сгорания и вокруг заряда твердого топлива и отделены друг от друга слоем бронировки (Патент № US 2005/0120703 А1, США, кл. F02K 9/08, 2005 г.).
Недостатками данной конструкции являются:
- большое количество сопел с индивидуальными регуляторами расхода (не менее 5 шт.), что приводит к утяжелению конструкции и снижению ее надежности;
- наличие бронировки на воспламенительных устройствах, разрушающейся при их срабатывании, что может приводить к попаданию фрагментов бронировки в исполнительные элементы регуляторов расхода и приводить к их заклиниванию;
- расположение воспламенителей вокруг основного заряда, что не позволяет обеспечивать оптимальные условия его воспламенения, ввиду того, что форс пламени от воспламенителя не направлен на поверхность основного заряда, что снижает надежность воспламенения.
Задачей изобретения является повышение надежности ТТДУ MB при меньших массогабаритных характеристиках.
Указанная задача решается тем, что в ТТДУ MB РКН, содержащей основную камеру сгорания (КС) с зарядом твердого топлива торцевого горения, крышку с местами крепления сопловых управляющих блоков (СУБ), воспламенительного устройства и датчиков давления, соединенную с камерой сгорания, воспламенительное устройство соединенное с пиропатроном, СУБ с регулируемыми критическими сечениями, рулевой привод для регулирования размера критического сечения сопловых управляющих блоков, один или несколько датчиков давления, сообщающихся с внутренней полостью основной КС и соединенных с системой управления (СУ) РКН, воспламенительное устройство, выполнено в виде нескольких газогенераторов с зарядами твердого топлива, соединенных через обратные клапана с ресивером, сообщающимся с основной камерой сгорания через газоход, соосный с основной камерой сгорания, заряд твердого топлива в основной КС выполнен из рецептуры твердого топлива с показателем степени в законе скорости горения ν=0,85…1,1, количество СУБ кратно двум и не менее четырех, сопла четырех СУБ расположены равномерно вокруг оси основной КС и разделены на две пары, в каждой из которых сопла повернуты друг к другу на угол «α».
На фиг 1 представлена конструкция ТТДУ MB.
На фиг 2 представлена схема расположения осей сопел СУБ.
На фиг 3 представлена схема расположения СУБ относительно базовых осей.
Конструкция ТТДУ MB состоит из основной камеры сгорания 1 с торцевым зарядом твердого топлива 2, крышки 3 с местами крепления 4 сопловых управляющих блоков 5, воспламенительного устройства 6 и датчиков давления 7, соединенной с основной камерой сгорания 1, воспламенительного устройства 6, выполненного в виде двух газогенераторов 8, каждый из которых снабжен отдельным зарядом твердого топлива 9 и пиропатроном 10, четырех сопловых управляющих блоков 5 с регулируемыми критическими сечениями, рулевого привода 11 для управления критическими сечениями сопловых управляющих блоков 5. Также ТТДУ MB снабжена одним или несколькими датчиками давления 7, соединенных с системой управления РКН 12. Торцевой заряд твердого топлива 2 в основной КС 1 выполнен из рецептуры твердого топлива с показателем степени в законе скорости горения ν=0,85…1,1, а каждый из газогенераторов 8 через обратные клапаны 13 соединен с ресивером 14, сообщающимся через газоход 15 с основной камерой сгорания 1, при этом газоход 15 и основная камера сгорания 1 соосны. Внутренняя полость 16 основной камеры сгорания 1 снабжена одним или несколькими датчиками давления 7, соединенными с системой управления РКН 12. Датчики давления 7 передают информацию о текущем уровне давления в основной камере сгорания 1 ТТДУ MB в систему управления РКН 12. Четыре сопловых управляющих блока 5 равномерно расположены относительно оси основной камеры сгорания 1. Каждый сопловой управляющий блок 5 снабжен соплом 17. Сопла 17 четырех СУБ 5 расположены равномерно вокруг оси основной КС 1 и разделены на две пары, в каждой из которых сопла 17 повернуты друг к другу на угол «а» (фиг. 2).
При начале работы ТТДУ MB система управления РКН 12 подает сигнал на один из пиропатронов 10, который поджигает один из зарядов 9 воспламенительного устройства 6, продукты сгорания от которого через соответствующий обратный клапан 13 поступают в ресивер 14, откуда через газоход 15 продукты сгорания поступают в основную камеру сгорания 1 и поджигают торцевой заряд твердого топлива 2. Изменение суммарной тяги ТТДУ MB выполняется за счет изменения суммарной площади критических сечений сопловых управляющих блоков 5, а создание управляющих усилий -за счет перераспределения расхода продуктов сгорания между четырьмя сопловыми управляющими блоками 5 при неизменной суммарной критической площади всех СУБ 5 (условно обозначенные 5-01, 5-02, 5-03, 5-04). Управляемость РБ обеспечивается следующим образом (фиг. 3). Для создания положительного управляющего усилия по тангажу расход через блоки 5-02 и 5-03 увеличивается, а через блоки 5-01 и 5-04 уменьшается, при этом расход через блок 5-02 равен расходу через блок 5-03, а расход через блок 5-01 равен расходу через блок 5-04. Для создания положительного управляющего усилия по каналу рысканья расход через блоки 5-03 и 5-04 увеличивается, а через блоки 5-01 и 5-02 уменьшается, при этом расход через блок 5-03 равен расходу через блок 5-04, а расход через блок 5-01 равен расходу через блок 5-02. Для создания положительного управляющего усилия по крену расход через блоки 5-02 и 5-04 увеличивается, а через блоки 5-01 и 5-03 уменьшается, при этом расход через блок 5-02 равен расходу через блок 5-04, а расход через блок 5-01 равен расходу через блок 5-03.
При необходимости отсечки тяги и выключения ТТДУ MB сопловые управляющие блоки 5 по команде системы управления РКН 12 с помощью рулевого привода 11 устанавливаются в полностью открытое положение с максимальной скоростью, обеспечивая прекращение горения торцевого заряда твердого топлива 2, ввиду выполнения условия Зельдовича (А.М. Липанов, А.В. Алиев. Проектирование ракетных двигателей твердых топлив. Москва, изд. Машиностроение, 1995 г., стр. 302.).
При повторном включении ТТДУ MB система управления РКН 12 с помощью рулевого привода 11 устанавливает критические сечения СУБ 5 в положение, обеспечивающее требуемую суммарную площадь критических сечений , после чего подает сигнал на один из неиспользованных пиропатронов 10, который поджигает один из неиспользованных зарядов 9 воспламенительного устройства 6, продукты сгорания от которого через соответствующий обратный клапан 13 поступают в ресивер 14, откуда через газоход 15 продукты сгорания поступают в основную камеру сгорания 1 и повторно поджигают торцевой заряд твердого топлива 2.
1
ν
При площади поверхности горения заряда близкой к постоянной, известном законе скорости горения u=up и слабо меняющихся по времени газовой постоянной и температуре смеси продуктов сгорания, давление в камере сгорания и суммарная площадь критических сечений СУБ твердотопливной двигательной установки связаны между собой соотношением
где p - давление в камере сгорания;
кр
μF - суммарная площадь критических сечений СУБ;
S - площадь поверхности горения заряда;
γ - плотность топлива;
R - газовая постоянная смеси продуктов сгорания;
р
Т - изобарная равновесная температура продуктов сгорания топлива, определяемая термодинамическим расчетом;
1
u - единичная скорость горения;
1
χ - коэффициент теплопотерь на нагрев стенок камеры ТТДУ и возможную неполноту химических реакций;
2
χ - коэффициент теплопотерь на нагрев элементов конструкции газового тракта двигательной установки от камеры до входа в сопло;
р
η. - коэффициент потерь полного давления.
k - показатель адиабаты;
А(k) - функция
зап
Из равенства (1) устанавливается суммарная площадь критических сечений СУБ ТТДУ MB перед первым запуском, обеспечивающая требуемое давление в камере сгорания р
зап
При последующих включениях ТТДУ MB для обеспечения запуска ТТДУ MB с выходом на тот же уровень давления в камере сгорания рустанавливаемая суммарная площадь критических сечений СУБ должна быть уменьшена на величину  для компенсации снижения давления за счет увеличения свободного объема камеры сгорания ТТДУ MB при выгорании топлива. Тогда требуемая суммарная площадь критических сечений СУБ при i-ом включении
С учетом (1) величину  можно определить как
где τ - текущее время;
i
τ - время функционирования ТТДУ MB от момента запуска до i-го включения;
р - текущее давление в камере сгорания.
Обозначим  Тогда формулу (4) можно представить в виде
После подстановки (5) в (3) получаем формулу для расчета суммарной площади критических сечений СУБ при каждом запуске ТТДУ MB
зап
Таким образом, перед каждым последующим включением система управления РКН 12 на основании данных, полученных с помощью датчиков давления 7 о фактической циклограмме давления р(т), реализованной на предыдущих включениях, рассчитывает требуемую суммарную площадь критических сечений СУБ 5  обеспечивающую требуемое давление в камере сгорания ТТДУ MB р по формуле:
1
где с - коэффициент, зависящий от характеристик ТРТ и конструктивных параметров ТТДУ MB, а  - суммарная площадь критических сечений СУБ 5 перед первым запуском ТТДУ MB.
Использование воспламенительного устройства 6 с ресивером 14, соединенного через газоход 15 с основной камерой сгорания 1, позволяет обеспечивать выключение и повторное включение ТТДУ MB в любой момент времени, так как взаимное расположение торцевого заряда твердого топлива 2 в основной камеры сгорания 1 и газохода 15 воспламенительного устройства 6 не изменяется во время работы, что позволяет обеспечивать оптимальные условия обтекания торцевого заряда твердого топлива 2 продуктами сгорания воспламенительного устройства 6, обеспечивая его надежное зажжение независимо от времени его повторного срабатывания.
Использование торцевого заряда твердого топлива 2, выполненного из рецептуры ТРТ, обеспечивающей показатель степени в законе скорости горения ν=0,85…1,1, позволяет гарантированно прекращать процесс горения за счет резкого снижения давления в основной камере сгорания 1 путем установки с помощью рулевого привода 11 сопловых управляющих блоков 5 в полностью открытое положение с максимальной скоростью, обеспечивая выполнение условия Зельдовича. Использование рецептуры ТРТ, обеспечивающей показатель степени в законе скорости горения ν=0,85…1,1, также позволяет изменять уровень тяги ТТДУ MB по команде системы управления РКН 12 за счет изменения уровня давления в основной камере сгорания 1 путем минимального изменения суммарной площади всех регуляторов расхода СУБ 5, что позволяет снизить массу СУБ и ТТДУ MB в целом. При этом точность регулирования уровня тяги обеспечивается за счет введения обратной связи по давлению в основной камере сгорания 1 путем постоянного опроса системой управления РКН 12 датчиков давления 7.
Использование воспламенительного устройства 6, выполненного в виде двух или более газогенераторов 8, каждый из которых снабжен отдельным зарядом твердого топлива 9 и пиропатроном 10, позволяет обеспечивать многократное задействование воспламенительного устройства. При этом наличие в каждом из газогенераторов 8 обратного клапана 13 обеспечивает непопадание продуктов сгорания из основной камеры 1 в незадействованные газогенераторы 8 в процессе работы ТТДУ MB, исключая их несанкционированное срабатывание.
Использование датчиков давления 7 и сопловых управляющих блоков 5, соединенных с рулевым приводом 11, позволяет обеспечить постоянство давления при запуске ТТДУ MB независимо от фактического остаточного объема, занимаемого зарядом твердого топлива в основной камере сгорания 1, что в свою очередь позволяет использовать заряды твердого топлива 9 воспламенительного устройства 6 одинаковой массы. Также использование датчиков давления 7 и сопловых управляющих блоков 5, соединенных с рулевым приводом 11, позволяет обеспечивать точное регулирование тяги во время работы ТТДУ MB по командам системы управления РКН 12 путем изменения давления в основной камере сгорания 1 за счет изменения расхода через сопловые управляющие блоки 5.
Расположение сопел 17 четырех СУБ 5 равномерно вокруг оси основной КС 1 и разделение на две пары, в каждой из которых сопла 17 повернуты друг к другу на угол «α», а также использование СУБ 5 в количестве кратном 2-м, но не менее 4-х, обеспечивает создание управляющих усилий по каналам тангажа, рыскания и крена и приводит к снижению веса конструкции и увеличению надежности работы за счет уменьшения количества сопловых блоков в конструкции ТТДУ.
Таким образом, с помощью применения конструкции ТТДУ MB, описанной выше, обеспечивается повышение надежности работы ТТДУ MB.