ЖИДКОСТНЫЙ РАКЕТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ С ВЫДВИЖНЫМ СОПЛОМ
LIQUID-PROPELLANT ROCKET ENGINE WITH EXTENDABLE NOZZLE

Изобретение относится к ракетной технике, в которой создание жидкостных ракетных двигателей с минимальными начальными продольными и радиальными габаритами, с минимально возможной массой является всегда актуальным, особенно для верхних ступеней ракет-носителей с высотными жидкостными ракетными двигателями с соплами большой степени расширения, а более конкретно к устройству жидкостного ракетного двигателя с выдвижным многосекционным соплом.
Известны жидкостные ракетные двигатели с выдвижным соплом, содержащие камеру с соплом из двух частей, одна из которых, смонтированная с камерой сгорания, закреплена неподвижно, а вторая выполнена с возможностью перемещения вдоль оси сопла (см. патент США №4383407 от 17.05.1983. Thikol Corporation, автор Frank S. Ihman, МКИ F02K 1/09).
В указанном жидкостном ракетном двигателе изменение степени расширения сопла осуществляется выдвижением подвижной части сопла с помощью механизма выдвижения, закрепленного на неподвижной части сопла и выполненного в виде привода, соединенного с винтовыми штоками, взаимодействующими с ответными частями, установленными на подвижной части сопла. Такое выдвижное сопло имеет постоянную скорость перемещения выдвижной части сопла. Для достижения переменной скорости выдвижения необходимо регулировать работу привода во времени, что не всегда выполнимо. Кроме того, винтовые пары требуют обеспечения синхронизации вращения при выдвижении подвижной части сопла, а следовательно, дополнительных кинематических связей между ними или наличия нескольких автономных приводов, что усложняет систему управления выдвижением подвижной части сопла жидкостного ракетного двигателя и массу системы выдвижения. Момент инерции сопла увеличивается, что при качании камеры для управления вектором тяги требует увеличения массы рулевого привода.
Известен также жидкостный ракетный двигатель с выдвижным соплом, содержащий камеру с соплом из двух частей, одна из которых, смонтированная неподвижно с камерой сгорания, снабжена механизмом выдвижения в виде привода, исполнительного механизма и узлов направления и фиксации в конечном положении, а вторая выполнена с возможностью перемещения вдоль оси сопла из двух частей, связанных телескопически друг с другом с возможностью взаимного кинематического взаимодействия и с узлами направления и фиксации. Подвижная часть сопла выполнена из двух телескопических частей, которые перемещаются друг относительно друга с помощью пантографа (патент РФ №2180405 от 26.05.2000. МКИ F02K 9/97, - прототип).
Известный жидкостный ракетный двигатель с выдвижным соплом обеспечивает изменение степени расширения сопла с повышенной скоростью выдвижения подвижной части сопла за счет жесткой кинематической связи подвижной части сопла с неподвижной, которую обеспечивает пантограф. Однако в таком жидкостном ракетном двигателе пантограф занимает пространство в двигателе с увеличением радиальных габаритов. Кроме того, необходимо предусматривать устройства принудительного торможения выдвижной части сопла на конечном этапе выдвижения для уменьшения ударного воздействия выдвижной части сопла на неподвижную часть сопла, узлы направления перемещения и фиксации. Применение гасителей ударного воздействия, гидравлических или иных амортизаторов не всегда возможно.
Целью предлагаемого изобретения является устранение вышеуказанных недостатков, снижение динамических нагрузок на сопло при выдвижении на конечном участке выдвижения и уменьшение радиальных габаритов и массы.
Указанная выше цель изобретения достигается тем, что в известном жидкостном ракетном двигателе с выдвижным соплом, содержащем камеру с соплом из двух частей, одна из которых, смонтированная неподвижно с камерой сгорания, снабжена механизмом выдвижения в виде привода, исполнительного механизма и узлов направления и фиксации в конечном положении, а вторая выполнена с возможностью перемещения вдоль оси сопла из двух частей, связанных телескопически друг с другом с возможностью взаимного кинематического взаимодействия и с узлами направления и фиксации, по цилиндрическому контуру на периферии неподвижной обечайки сопла выполнены профильные многозаходные винтовые направляющие, по одинаковым по окружности равноотстоящим друг от друга и продольной оси двигателя винтовым траекториям, а на корпусе выдвижной максимального диаметра части сопла с возможностью вращения и с осевой фиксацией установлена кольцевая обечайка, снабженная двумя группами направленных к продольной оси сопла и в другую от нее сторону цапф со сферическими подшипниками, одной - взаимодействующей своими подшипниками с внутренними профилями винтовых направляющих, и второй группой цапф, снабженной сферическими подшипниками, через шатуны с группой цапф, размещенной с внешней части сопла максимального диаметра.
Указанная выше цель достигается также тем, что в известном жидкостном ракетном двигателе с выдвижным соплом профильные многозаходные винтовые направляющие выполнены по траектории с переменным шагом, увеличивающимся в направлении выдвижения частей сопла.
Указанная выше цель достигается также тем, что шатуны выполнены из двух цилиндрических симметричных частей, смонтированных концентрически друг относительно друга с возможностью поворота одной части относительно другой и снабженных фиксаторами взаимного продольного перемещения.
Указанная выше цель достигается также тем, что цапфы, соединенные шатунами, выполнены с возможностью вращения в плоскостях, проходящих через продольную ось двигателя.
Предлагаемое изобретение представлено на рис. 1-5, где показаны следующие узлы и агрегаты:
1. Камера;
2. Сопло;
3. Неподвижная часть сопла;
4. Камера сгорания;
5. Выдвижная часть сопла;
6. Первая выдвижная часть сопла;
7. Вторая выдвижная часть сопла;
8. Механизм выдвижения первой выдвижной части сопла;
9. Исполнительный механизм выдвижения первой выдвижной части сопла;
10. Винтовой шток;
11. Гайка;
12. Привод;
13. Узел направления перемещения первой выдвижной части сопла;
14. Трубчатый цилиндр;
15. Шток;
16. Узел фиксации первой выдвижной части сопла;
17. Кольцевая канавка;
18. Срез неподвижной части сопла;
19. Цанговое кольцо;
20. Тонкостенный разрезной конус;
21. Кольцевая канавка;
22. Корпус меньшего диаметра первой выдвижной части сопла;
23. Механизм выдвижения второй выдвижной части сопла;
24. Профильная винтовая направляющая;
25. Продольная ось двигателя;
26. Исполнительный механизм выдвижения второй выдвижной части сопла;
27. Корпус первой выдвижной части;
28. Кольцевая обечайка;
29. Узел направления перемещения второй выдвижной части сопла;
30. Трубчатый цилиндр;
31. Трубчатая штанга;
32. Узел фиксации второй выдвижной части сопла;
33. Кольцевая канавка;
34. Срез первой выдвижной части сопла;
35. Кольцевая канавка;
36. Цанговое кольцо;
37. Тонкостенный разрезной конус;
38. Кольцевая канавка;
39. Корпус меньшего диаметра второй выдвижной части сопла;
40. Цапфа;
41. Цапфа;
42. Сферический подшипник;
43. Сферический подшипник;
44. Внутренние поверхности профильных многозаходных винтовых направляющих;
45. Цапфа;
46. Сферический подшипник;
47. Шатун;
48. Ступица шатуна;
49. Первая часть шатуна;
50. Вторая часть шатуна;
51. Первый цилиндрический корпус шатуна;
52. Второй цилиндрический корпус шатуна;
53. Фиксатор осевого перемещения цилиндрического корпуса шатуна;
54. Основание цапфы;
55. Ось цапфы;
56. Ухо основания цапфы;
57. Отверстие уха;
58. Ось;
59. Проушина;
60. Основание цапфы;
61. Ось цапфы;
62. Ухо основания цапфы;
63. Отверстие уха;
64. Ось;
65. Проушина;
66. Боковая грань первой части шатуна;
67. Боковая грань второй части шатуна;
68. Торец цапфы;
69. Торец цапфы 4;
70. Датчик контроля положения первой выдвижной части сопла;
71. Датчик контроля положения второй выдвижной части сопла;
72. Уплотнение;
73. Уплотнение.
Жидкостный ракетный двигатель с выдвижным соплом содержит камеру 1 с соплом 2 из трех частей. Одна неподвижная часть сопла 3 смонтирована неподвижно с камерой сгорания 4. Выдвижная часть сопла 5 выполнена, в свою очередь, из двух частей: первой выдвижной части сопла 6, взаимодействующей непосредственно с неподвижной частью сопла 3, и второй выдвижной части сопла 7, взаимодействующей непосредственно с первой выдвижной частью сопла 6 в выдвинутом положении. Механизм выдвижения первой выдвижной части сопла 8 выполнен из исполнительного механизма выдвижения первой выдвижной части сопла 9, состоящего из винтовой пары: винтового штока 10, закрепленного на первой выдвижной части сопла 6 и гайки 11, закрепленной от осевого перемещения на неподвижной части сопла 3, связанной кинематически с приводом 12. На неподвижной части сопла 3 выполнен узел направления перемещения первой выдвижной части сопла 13 в виде равномерно расположенных по окружности сопла нескольких трубчатых цилиндров 14. На первой выдвижной части сопла 6 выполнены равномерно расположенные по окружности поперечного сечения сопла штоки 15, соосные с трубчатыми цилиндрами 14. Узел фиксации первой выдвижной части сопла 16 выполнен на неподвижной части сопла 3 и состоит из кольцевой канавки 17 на периферии среза сопла 18 неподвижной части сопла 3 и расположенного в кольцевой канавке 17 цангового кольца 19 с тонкостенным разрезным конусом 20, большим диаметром ориентированным в сторону среза сопла 18 неподвижной части сопла 3 и входящим в выдвинутом положении в кольцевую канавку 21 на внутренней поверхности корпуса меньшего диаметра 22 первой выдвижной части сопла 6. Вторая выдвижная часть сопла 7 снабжена механизмом выдвижения второй выдвижной части сопла 23, состоящего из выполненных по цилиндрическому контуру на периферии неподвижной части сопла 3 четырех профильных многозаходных винтовых направляющих 24, по одинаковым по окружности равноотстоящим друг от друга и продольной оси двигателя 25 винтовым траекториям, и выполненным исполнительным механизмом выдвижения второй выдвижной части сопла 26, содержащим выполненную на корпусе 27 первой выдвижной части сопла 6 кольцевую обечайку 28, установленную с возможностью вращения и с осевой фиксацией относительно первой выдвижной части сопла 6. На первой выдвижной части сопла 6 выполнена часть узла направления перемещения второй выдвижной части сопла 29 в виде равномерно расположенных по окружности первой выдвижной части сопла и на равном расстоянии от продольной оси двигателя 25 нескольких трубчатых цилиндров 30. На второй выдвижной части сопла 7 выполнена вторая часть узла направления перемещения второй выдвижной части сопла 29 в виде равномерно расположенных по окружности первой выдвижной части сопла и на равном расстоянии от продольной оси двигателя 25 нескольких трубчатых штанг 31, соосных трубчатым цилиндрам 30. Узел фиксации 32 второй выдвижной части сопла 7 выполнен на первой выдвижной части сопла 6 и состоит из кольцевой канавки 33 на периферии среза сопла 34 первой выдвижной части сопла 6 и расположенного в кольцевой канавке 35 цангового кольца 36 с тонкостенным разрезным конусом 37, большим диаметром ориентированным в сторону среза 34 первой выдвижной части сопла 6 и входящим в выдвинутом положении в кольцевую канавку 38 на внутренней поверхности корпуса меньшего диаметра 39 второй выдвижной части сопла 7. Кольцевая обечайка 28 снабжена одной группой направленных к продольной оси сопла 25 четырех цапф 40 и другой группой направленных от продольной оси сопла 25 цапф 41, например четырех, с установленными на них сферическими подшипниками 42. На цапфах 40 установлены сферические подшипники 43, взаимодействующие с внутренними поверхностями 44 профильных многозаходных винтовых направляющих 24. На корпусе меньшего диаметра 39 второй выдвижной части сопла 7 с внешней стороны выполнены цапфы 45, направленные от продольной оси двигателя 25 с установленными на них сферическими подшипниками 46. Кроме того, цапфы 41 и 45 выполнены с возможностью вращения в плоскостях, проходящих через продольную ось двигателя 25. Цапфы 41 через установленные на них сферические подшипники 42 соединены шатунами 47 с цапфами 45 через установленные на них сферические подшипники 46. Кроме того, профильные многозаходные винтовые направляющие 24 выполнены по траектории с переменным шагом, увеличивающимся в направлении выдвижения второй выдвижной части сопла 7, а шатуны 47 выполнены из двух ступиц 48 и двух симметричных частей 49 и 50, смонтированных цилиндрическими корпусами 51 и 52 концентрично друг относительно друга с возможностью поворота одной части относительно другой и снабженных фиксаторами 53 взаимного продольного перемещения. Основание 54 цапфы 41 содержит два симметричных относительно продольной оси цапфы 55 уха 56 с отверстиями 57, через вставленную в них ось 58 соединенные с установленной на корпусе кольцевой обечайки 28 с внешней ее стороны выполненной проушиной 59, образующей с основанием 54 цапфы 41 кардан для передачи усилия от шатуна 47 через первый цилиндрический корпус 51. Основание 60 цапфы 45 содержит два симметричных относительно продольной оси цапфы 61 уха 62 с отверстиями 63, через вставленную в них ось 64 соединенные с установленной на корпусе меньшего диаметра 39 второй выдвижной части сопла 7 с внешней стороны выполненной проушиной 65, образующей с основанием 60 цапфы 45 кардан для передачи усилия от шатуна 47 через второй цилиндрический корпус 52. За счет образования карданов проушин 59 с одним и вторым ухом 56 оснований 54 цапф 41, а также за счет образования карданов проушин 65 с основаниями 60 цапф 45 шатуны 47 своими боковыми гранями первых частей шатунов 66 и боковыми гранями вторых частей шатунов 67 при выдвижении второй выдвижной части сопла 7 получают возможность располагаться практически параллельно торцам 68 и 69 цапф 41 и 45, что позволит уменьшить осевые габариты цапф 41, 45, сферических подшипников 42 и 43 и сопрягаемых с ними частей шатунов 49 и 50 и снизить массу исполнительного механизма выдвижения 26 второй выдвижной части сопла 7. На корпусе меньшего диаметра первой выдвижной части сопла 22 расположен датчик контроля положения первой выдвижной части сопла 70, а на корпусе меньшего диаметра второй выдвижной части сопла 39 расположен датчик контроля положения второй выдвижной части сопла 71, по которым регистрируется выдвижная части сопла 5 в выдвинутом положении и прекращается подача команды на работу привода 12. Для обеспечения плотного соединения выдвижных частей сопла 6 и 7 установлены уплотнения 72 и 73.
При таком выполнении жидкостного ракетного двигателя с выдвижным соплом и размещении подвижной обечайки 28 на периферии двигателя, где с точки зрения уменьшения массы двигателя нецелесообразно размещать агрегаты двигателя, предназначенные для работы в соответствии с его пневмогидравлической схемой, а целесообразно размещать их на меньшем диаметре, чем диаметр среза выдвижной части сопла 7, снижаются радиальные габариты жидкостного ракетного двигателя. На конечном участке выдвижения сопла за счет кинематики движения шатунов 47 их части, сопрягаемые через цапфы 45, сферические подшипники 43 через ступицы 48, выдвижная часть сопла 7 выполнена с возможностью перемещения с переменной падающей скоростью, в то время как подвижная обечайка 28 установлена с возможностью вращения от взаимодействия с профильными многозаходными винтовыми направляющими 24 с постоянной или убывающей скоростью за счет увеличивающегося по мере выдвижения переменного шага профильных многозаходных винтовых направляющих 24. Ускорение осевого перемещения выдвижной части сопла 7 вдоль продольной оси 25 сопла 2 на конечном участке выдвижения также снижается, за счет чего ударное воздействие на первую выдвижную часть сопла 6 не превышает допустимого значения. В этом случае срез сопла 18 первой выдвижной части сопла 6 и расположенный в нем узел фиксации второй выдвижной части сопла (цанговое кольцо 36, тонкостенный разрезной конус 37, кольцевые канавки 35 и 38) можно выполнять с меньшими габаритными размерами, используя остальные габариты для размещения на корпусах сопла узлов уплотнения 72 и 73, что позволяет уменьшить массу двигателя.
Жидкостный ракетный двигатель с выдвижным соплом работает следующим образом. При работе в земных условиях или нахождении жидкостного ракетного двигателя с выдвижным соплом в отсеке верхней, например второй ступени ракеты-носителя выдвижная часть сопла 7 находится в исходном положении (рис. 1). При подъеме ракеты-носителя с работающим двигателем или при необходимости работы в составе верхней ступени ракеты-носителя после отделения предыдущей ступени привод 12 механизма выдвижения 8 первой выдвижной части сопла 6 и исполнительный механизм выдвижения 9 первой выдвижной части сопла 6 за счет привода 12, закрепленного корпусом за неподвижную часть сопла 3, начинает работу, вращая гайку 11, передавая осевое усилие через винтовой шток 10 на первую выдвижную часть сопла 6. Узел направления перемещения первой выдвижной части сопла 13 посредством трубчатого цилиндра 14 и штока 15 препятствует вращению первой выдвижной части сопла 6, позволяя перемещаться первой выдвижной части сопла 6, а следовательно, и кольцевой обечайке 28 вдоль продольной оси симметрии 25 сопла 2. Кольцевая обечайка 28 при своем движении вместе с первой выдвижной частью сопла 6 цапфами 40 с установленными на них сферическими подшипниками 42 взаимодействует с внутренними поверхностями 44 профильных многозаходных винтовых направляющих 24 и совершает только вращательное движение относительно первой выдвижной части сопла 6, с которой также совершают только вращательное движение вокруг продольной оси симметрии сопла 25 цапфы 41, увлекая во вращательное движение первые части 49 шатунов 47 и шатуны 47 в целом. Узел направления перемещения второй выдвижной части сопла 29 посредством трубчатых цилиндров 30 и трубчатых штоков 31 препятствует вращению второй выдвижной части сопла 7, позволяя перемещаться второй выдвижной части сопла 7 вдоль продольной оси симметрии 25 сопла 2 за счет осевой составляющей силы от шатунов 47 через вторые цилиндрические части 50 шатунов 47 на корпус меньшего диаметра 39 второй выдвижной части сопла 7. Сферические подшипники 43 и 46 в цапфах 41 и 45 и в шатунах 47 позволяют преобразовать вращательное движение подвижной обечайки 28 в поступательное движение выдвижной части сопла 7 и обеспечивают самоустановку шатунов 47 по мере выдвижения. В конечном положении выдвижения вторая выдвижная часть сопла 7 фиксируется с помощью узла фиксации выдвижной части сопла 32, а разъем между участками сопел герметизируется с помощью уплотнения 73. В конечном положении второй выдвижной части сопла 7 шатуны 47 занимают положение под острым углом (определяется с применением известных методов проектирования) относительно плоскости, проходящей через продольную ось симметрии 25 сопла 2, не достигая положения "мертвой" точки, что потребовало бы больших усилий привода 12, механизма выдвижения 8 первой выдвижной части сопла 6, механизма выдвижения второй выдвижной части сопла 23 для установки сопла 2 в узле фиксации 16 первой выдвижной части сопла 6 и в узле фиксации 32 второй выдвижной части сопла 7 при сопряжении частей сопла 2 с уплотнениями 72 и 73. В конечном положении выдвижной части сопла 5 датчик контроля выдвинутого положения 70 первой выдвижной части сопла 6, взаимодействуя с корпусом меньшего диаметра 22 первой выдвижной части сопла 6, а также датчик контроля положения 71 второй выдвижной части сопла 7, взаимодействуя с корпусом меньшего диаметра 39 второй выдвижной части сопла 7, позволяют регистрировать положение сопла 2 на новом режиме работы двигателя и дают команду системе управления о переводе ее на новый алгоритм управления жидкостным ракетным двигателем. Далее жидкостный ракетный двигатель работает в высотных условиях с увеличенной степенью расширения сопла, обеспечивая повышенную экономичность двигателя с выдвинутым удлиненным соплом.
Предварительная компоновка однокамерного жидкостного ракетного двигателя с выдвижным соплом, предназначенного для верхней ступени ракеты-носителя «Ангара-5» вместо четырехкамерного двигателя РД-0124А, без увеличения как осевых, так и радиальных размеров отсека размещения двигателя, показала целесообразность и эффективность предлагаемого технического решения для уменьшения радиальных габаритов и массы двигателя.