Сопловая заглушка ракетного двигателя твёрдого топлива
NOZZLE PLUG OF ROCKET ENGINE OF SOLID FUEL

Предлагаемое изобретение относится к области ракетной техники, в частности к ракетным двигателям твердого топлива и направленно на повышение надежности его работы и безопасности обслуживающего персонала.
Известна конструкция сопловой заглушки ракетного двигателя твердого топлива [патент RU №2111372, опубликован 20.05.1998 г.], устанавливаемая в выходном раструбе сопла на герметизирующем составе и имеющая срезаемый штифт, обеспечивающий необходимое давление ее вскрытия. Данная конструкция имеет ряд недостатков. Во-первых, установка заглушки на герметизирующем составе значительно увеличивает трудоемкость изготовления двигателя, так как требует соответствующей подготовки склеиваемых поверхностей, длительность процесса сушки (полимеризации) герметизирующего состава может составлять до нескольких суток. Во-вторых, вызывает сомнение стабильность уровня давления вскрытия такой заглушки, так как механические характеристики клеевых составов, в частности предел прочности на отрыв, сильно зависят от температуры эксплуатации, а применение срезаемого штифта может привести к перекосу заглушки при ее вылете и, как следствие, к непредсказуемому характеру изменения соплового тракта, что, в конечном счете, скажется на выходных характеристиках двигателя. В-третьих, описанная конструкция заглушки, очевидно, имеет значительный вес, и при вылете из сопла приобретает большую скорость, что значительно расширяет площадь опасной зоны для обслуживающего персонала, оборудования и техники.
Частично указанные недостатки устранены в конструкции сопловой заглушки ракетного двигателя артиллерийского снаряда, описанной в патенте RU №2024776, [опубликован 15.12.1994 г.]. Как следует из описания и иллюстраций к указанному патенту заглушка выполнена в виде стакана с отверстием в дне для размещения лучевого пиротехнического инициатора. Заглушка имеет коническое утолщение со стороны наружного торца для предотвращения продавливания ее внутрь двигателя давлением пороховых газов метательного заряда. Со стороны торца, обращенного внутрь корпуса двигателя, на заглушке закреплено тонкостенное кольцо с лапками, обжатыми разрезным пружинным кольцом. Герметичность обеспечивается уплотнительным кольцом, размещенным в проточке на цилиндрической поверхности заглушки в зоне критического сечения сопла. Вскрытие сопла происходит от воздействия пороховых газов на заглушку вытягиванием тонкостенного кольца при обжиме его по критическому диаметру сопла, что, как утверждают авторы, обеспечивает стабильное давление в момент воспламенения, повышая надежность выхода двигателя на рабочий режим.
Описанная конструкция представляется достаточно сложной, состоящей из нескольких деформируемых элементов, каждый из которых оказывает влияние на величину давления вскрытия сопла. Следовательно, обеспечить расчетную величину давления вскрытия достаточно проблематично. Как видно на иллюстрации тонкостенное кольцо не контактирует с входным раструбом сопла, следовательно, заглушка имеет возможность перемещения в осевом направлении под воздействием вибрационных нагрузок (например, в процессе транспортирования боеприпаса), что снижает надежность герметизации сопла, а в худшем случае приведет к разгерметизации двигателя вследствие повышенного износа уплотнительного кольца. В итоге это отрицательно скажется на надежности запуска двигателя.
Применение подобной конструкции в двигателях с несколькими соплами может привести к повышенной разновременности их вскрытия и, следовательно, несанкционированному подъему давления в камере двигателя и повышенному эксцентриситету тяги, что отрицательно скажется на выходных характеристика двигателя.
Кроме того, с точки зрения безопасности эксплуатации двигателя с такими заглушками, их применение в двигателях снарядов, выстреливаемых из артиллерийского ствола можно считать допустимым, так как такой двигатель запускается на достаточном удалении от точки пуска. Однако применение таких заглушек, например, в стартовых двигателях малогабаритных ракет весьма затруднительно, из-за необходимости обеспечения безопасной зоны для обслуживающего персонала, что в условиях реального боевого применения значительно ухудшает тактико-технические характеристики комплекса вооружения. А выполнение пуска из закрытых или полузакрытых помещений делает практически невозможным из-за непредсказуемой траектории разлета заглушек вследствие их рикошета от возможных преград.
Задачей предлагаемого изобретения является повышение надежности работы ракетного двигателя твердого топлива и безопасности обслуживающего персонала.
Решение поставленной задачи достигается тем, что сопловая заглушка ракетного двигателя твердого топлива с уплотнительным кольцом на наружной поверхности, с коническим утолщением со стороны выходного раструба сопла и с узлом форсирования со стороны входного раструба выполнена составной, состоящей из скрепленных между собой пробки и узла форсирования. Узел форсирования со стороны входного раструба выполнен в виде тонкостенного стакана со сформированным на горловине расширением и перфорированным дном и скреплен с пробкой по внутренней поверхности стакана и наружной поверхности дна. Пробка выполнена в виде цилиндрического стакана со ступенчатым дном. Со стороны, противоположной дну, стакан снабжен уширением, контактирующим с выходным раструбом сопла. Со стороны уширения в стенках стакана равномерно распределены в окружном направлении сквозные продольные пазы. Уплотнительное кольцо размещено в канавке, выполненной на наружной поверхности дна стакана. Пробка и стакан узла форсирования изготовлены из конструкционных материалов с различными физико-механическими характеристиками. Стакан узла форсирования изготовлен из пластичного металла (алюминия или сплава на его основе, меди или сплава на ее основе). Пробка изготовлена из полимерного материала. В стенках стакана узла форсирования выполнена перфорация. Наружный диаметр стакана узла форсирования и наружный диаметр пробки равны диаметру критического сечения сопла. Уширение на пробке выполнено коническим или в виде двух конических поверхностей, сопряженных между собой большими основаниями. Расширение на горловине стакана узла форсирования выполнено коническим и эквидистантным поверхности входного раструба.
Благодаря тому, что сопловая заглушка выполнена составной, состоящей из скрепленных между собой пробки и узла форсирования обеспечивается одновременное выполнение двух функций - герметизация сопел двигателя и обеспечение расчетного давления их вскрытия.
Благодаря тому, что узел форсирования со стороны входного раструба выполнен в виде тонкостенного стакана со сформированным на горловине расширением и перфорированным дном обеспечивается минимальный вес конструкции сопловой заглушки. Благодаря тому, что узел форсирования скреплен с пробкой по внутренней поверхности стакана и наружной поверхности дна обеспечивается его надежное скрепление с пробкой и полное удаление из соплового тракта при включении двигателя.
Благодаря тому, что пробка выполнена в виде цилиндрического стакана со ступенчатым дном, уменьшается масса сопловых заглушек, а следовательно кинетическая энергия при их вылете из сопел, что минимизирует размеры опасной зоны для обслуживающего персонала.
Наличие со стороны, противоположной дну, стакана уширения, контактирующего с выходным раструбом сопла, удерживает заглушку от выпадения во внутреннюю полость двигателя при воздействии вибрационных и других нагрузок (например, при транспортировании), а также при воздействии наружного давления, например при проверке герметичности транспортно-пускового контейнера.
Наличие со стороны уширения в стенках стакана сквозных продольных пазов, обеспечивает возможность установки заглушки продавливанием через критическое сечение за счет упругой деформации стенок стакана без применения специальных инструментов и приспособлений. Кроме того, сквозные продольные пазы, являясь концентраторами напряжений, способствуют разрушению заглушки при ударении ее о преграду, что повышает безопасность эксплуатации двигателя.
Благодаря тому, что уплотнительное кольцо размещено в канавке, выполненной на наружной поверхности дна стакана, обеспечивается его правильное расположение, что в свою очередь обеспечивает надежную герметизацию сопел.
Применение для изготовления пробки и стакана узла форсирования конструкционных материалов с различными физико-механическими характеристиками уменьшить вес конструкции и одновременно обеспечить необходимые прочностные характеристики узла форсирования.
Применение для изготовления стакана узла форсирования пластичного металла (алюминия или сплава на его основе, меди или сплава на ее основе) обеспечивает стабильный уровень давления вскрытия сопел за счет малой зависимости механических характеристик металла от температуры эксплуатации двигателя, что повышает надежность функционирования РДТТ.
Применение полимерного материала для изготовления пробки снижает массу сопловой заглушки, что также минимизирует размеры опасной зоны для обслуживающего персонала. Кроме того, ударяясь о возможные преграды, такие заглушки разрушаются, чем минимизируется возможность их рикошета.
Выполнение перфорации в стенках стакана узла форсирования позволяет обеспечить расчетный уровень давления вскрытия сопел в зависимости от конкретных механических характеристик используемого материала стакана.
Равномерное распределение в окружном направлении сквозных продольных пазов облегчает процесс установки заглушки в сопло, А так же способствует последующему разрушению заглушки на относительно равные части, что повышает безопасность эксплуатации двигателя.
Благодаря тому, что наружный диаметр стакана узла форсирования и наружный диаметр пробки равны диаметру критического сечения сопла, обеспечивается соосное расположение заглушки относительно критического сечения сопла и ее вылет без перекосов и заклиниваний, что положительно влияет на стабильность давления вскрытия сопла.
Коническое уширение на пробке удерживает заглушку от выпадения во внутреннюю полость двигателя при воздействии вибрационных и других нагрузок (например, при транспортировании), а также при воздействии наружного давления, например при проверке герметичности транспортно-пускового контейнера.
Выполнение уширения на пробке в виде двух конических поверхностей, сопряженных между собой большими основаниями облегчает процесс установки заглушки в сопло.
Коническое расширение на горловине стакана узла форсирования обеспечивает установку заглушки до контакта с входным раструбом сопла и последующий равномерный обжим узла форсирования по критическому сечению сопла, что способствует стабилизации уровня давления вскрытия сопел. Выполнение расширения на горловине стакана узла форсирования выполнено эквидистантным поверхности входного раструба повышает равномерность обжима узла форсирования по критическому сечению сопла.
В графических материалах представлена конструкция сопловой заглушки. На фиг. 1 в разрезе изображена сопловая заглушка, установленная в сопло ракетного двигателя твердого топлива. На фиг. 2 показан выносной элемент А в увеличенном масштабе. На фиг. 3 и 4 показана сопловая заглушка в изометрии в различных вариантах исполнения.
Сопловая заглушка состоит из пробки 1, скрепленной с узлом форсирования 2. Узел форсирования 2 выполнен в виде тонкостенного стакана 3, на горловине которого сформировано расширение 4, а дно 5 выполнено перфорированным. Стакан 3 скреплен с пробкой 1 по внутренней поверхности 6 стакана 3 и наружной поверхности 7 дна 5. Пробка 1 представляет собой цилиндрический стакан 8 со ступенчатым дном 9 и уширением 10, контактирующим с выходным раструбом 11 сопла 12. Со стороны уширения 10 в стенках стакана 8 имеются сквозные продольные пазы 13. На наружной поверхности 14 дна 9 стакана 8 выполнена канавка 15, в которой размещено уплотнительное кольцо 16. При необходимости в стенках стакана 3 узла форсирования 2 может быть выполнена перфорация 17, уширение 10 пробки 1 - в виде двух конических поверхностей 18, сопряженных между собой большими основаниями 19, а расширение 4 на горловине стакана 3 узла форсирования 2 - эквидистантным поверхности входного раструба 20.
Предлагаемая конструкция функционирует следующим образом. Сопловая заглушка устанавливается в сопло со стороны входного раструба 20 до контакта с ним расширения 4 на горловине стакана 3 узла форсирования 2. При этом происходит упругая деформация уширения 10 пробки 1 за счет пазов 13. После выхода уширения 10 в выходной раструб 21 сопла оно приобретает исходную геометрию и, контактируя с выходным раструбом 21, фиксирует заглушку от осевого перемещения.
При включении ракетного двигателя твердого топлива в нем начинает расти давление пороховых газов, которое воздействует на сопловую заглушку. При достижении расчетного уровня давления вскрытия сопел происходит продавливание заглушки через критическое сечение сопла, при этом происходит равномерный обжим расширения 4 стакана 3 по диаметру критического сечения сопла, благодаря чему заглушка покидает сопло без перекосов и заклиниваний. Вылетевшая заглушка, благодаря своей форме эффективно тормозится в окружающем воздухе и быстро теряет скорость, а следовательно и кинетическую энергию, что значительно сокращает размеры опасной зоны для обслуживающего персонала.
Таким образом, применение предлагаемой конструкции сопловой заглушки обеспечивает надежное функционирование ракетного двигателя твердого топлива, а также повышает безопасность его эксплуатации.