САМОРЕГУЛИРУЮЩЕЕСЯ ДВУХРЕЖИМНОЕ СОПЛО (ВАРИАНТЫ)
SELF-ADJUSTED TWO-MODE NOZZLE (VERSIONS)

Изобретение относится к жидкостным ракетным двигателям, для которых не предусмотрено повторное включение полной тяги и к двухрежимным твердотопливным ракетным двигателям (ЖРД и РДТТ).
Известны ЖРД с соплом регулируемого проходного сечения, см. а.с. СССР №560077. Они предусматривают плавное регулирование проходного сечения и поэтому имеют сложную конструкцию, большие габариты и большую массу. Однако плавное изменение проходного сечения требуется не всегда. В ряде случаев, например в ракетах классов «воздух-воздух», «земля-воздух» и «земля-земля», вполне достаточно двухрежимного управления тягой: стартовый и маршевый режимы. Поэтому механика управления соплом может предусматривать всего два положения, например 100 и 25% от проходного сечения. Тем более, что указанные сечения позволяют с достаточной эффективностью работать на режимах частичной тяги, то есть на режимах дросселирования. В результате получаются два диапазона, например 12-25% и 50-100% тяги, которые охватывают наиболее необходимые ее значения. Причем в обоих указанных диапазонах эффективность двигателя не опускается ниже приемлемого уровня.
Для устранения указанных недостатков в саморегулирующемся двухрежимном сопле имеется полое центральное тело, которое расположено впереди проходного сечения сопла в продольных направляющих, имеет спереди отверстие, сзади имеет трубку, выходящую за проходное сечение сопла, а внутри имеет мембрану, или сильфон, или подпружиненный поршень, взаимодействующий тягой с двумя защелками, первая из которых удерживает центральное тело в переднем положении при отсутствии давления в двигателе, а вторая при наличии рабочего давления в двигателе, причем между закрытыми положениями защелок имеется продольный интервал, больший продольного расстояния между защелками, и, кроме того, диаграмма рабочего хода защелок в зависимости от перемещения тяги такова, что они могут принимать закрытое положение одновременно, причем вторая защелка гарантированно открывается при газогенерации, соответствующей маршевому режиму работы двигателя, а первая имеет люфт относительно упомянутой тяги и подпружинена в направлении закрытия (здесь и далее «вперед», «назад», «продольно» - относительно вектора тяги).
Для надежной работы защелок их рабочие поверхности выполнены по радиусу из оси их вращения.
В качестве продольных направляющих могут использоваться Т-образное соединение, или соединение «ласточкин хвост», или цилиндрическая втулка.
Защелки внутри центрального тела могут быть расположены двумя вариантами: они могут быть расположены на разных осях и взаимодействовать с одной кромкой, например с передней кромкой втулки. Или они могут быть расположены на одной оси вращения и взаимодействовать с разными кромками, для чего, например, в направляющих может быть окно для второй защелки, не совпадающее с продольной плоскостью первой защелки.
Для предотвращения потери упругости мембраны, сильфона или пружины в полости центрального тела имеется охлаждающее вещество, испаряющееся, и/или разлагающееся, и/или возгоняющееся при нагревании, например стружка из фторопласта Ф-4. Или карбонат натрия декагидрат, оксид калия и т.п. Тем не менее они должны быть сделаны из жаростойкого упругого материала.
Возможен и другой вариант, в нем полое центральное тело расположено впереди проходного сечения сопла в продольных направляющих, имеет спереди отверстие, сзади имеет трубку, выходящую за проходное сечение сопла, а внутри имеет первую защелку, которая крепится и/или подпружинена терморазрушаемым или термодеформируемым элементом и удерживает центральное тело в переднем положении, а также имеет мембрану, или сильфон, или подпружиненный поршень, взаимодействующий тягой со второй защелкой, которая удерживает центральное тело в переднем положении при наличии рабочего давления в двигателе, причем между закрытыми положениями защелок имеется продольный интервал, больший продольного расстояния между защелками, а вторая защелка гарантированно открывается при газогенерации, соответствующей маршевому режиму работы двигателя.
При этом терморазрушаемый элемент выполнен из оловянно-свинцового сплава, или латуни, или пластмассы, а термодеформируемый элемент выполнен биметаллическим или из сплава с памятью формы.
Причем для более легкого открытия первой защелки рабочая поверхность первой защелки выполнена по логарифмической спирали с центром в точке вращения, причем угол между перпендикуляром к лучу и касательной у этой спирали равен или больше угла самоторможения между защелкой и направляющей (см. «Справочник по высшей математике». М.Я.Выгодский. М., 1975, с.787-788).
Самым простым является третий вариант, в нем полое центральное тело расположено впереди проходного сечения сопла в продольных направляющих, имеет спереди отверстие, сзади имеет трубку, выходящую за проходное сечение сопла, а внутри имеет мембрану, или сильфон, или подпружиненный поршень, взаимодействующий тягой с защелкой, которая удерживает центральное тело в переднем положении при наличии рабочего давления в двигателе, причем центральное тело удерживается в направляющих терморазрушаемым креплением, например синтетическим клеем, пайкой легкоплавкими припоями, медью, латунью.
Чтобы центральное тело не вываливалось из направляющих вперед или назад, оно имеет ограничители хода. Для уменьшения ударных нагрузок при переходе центрального тела из переднего положения в заднее передние ограничители имеют лезвия, направленные назад. При ударе лезвия частично сминаются, частично внедряются в край втулки, делая удар более плавным.
Дополнительно к этому на цилиндрической части центрального тела могут иметься несколько разрушаемых элементов ограниченной прочности. Например, в виде хрупких шпеньков, обламывающихся обязательно под корень. Или в виде Т-образного или другого профиля, непрочно приваренного к цилиндрической части центрального тела. В обоих случаях поочередно или постепенно разрушая эти элементы о край направляющих, центральное тело замедляет свое движение.
Или центральное тело может крепиться во втулке на резьбе с углом винтовой спирали больше угла самоторможения. В этом случае оно также смещается назад медленно, рассеивая энергию трением в резьбе. Резьба может быть многозаходной.
На чертеже схематично показано сечение данного сопла - все три варианта. Сопло 1 имеет полое центральное тело 2, расположенное во втулке 3, которая крепится к стенкам сопла до его проходного сечения на кронштейнах 4. Центральное тело имеет спереди и сзади (сверху и снизу на чертеже) ограничители хода 5 и 6. Верхним ограничителем может служить передний конус, выходящий за пределы цилиндрической части центрального тела. Формы переднего и заднего конусов подбираются по результатам продувок. Сверху центральное тело имеет отверстие 7, а снизу - трубку 8, выходящую за проходное сечение сопла. Внутри центрального тела шарнирно закреплены две защелки: первая 9 (на чертеже - верхняя) и вторая 10 (нижняя). Защелки могут быть расположены на одной оси, и тогда, чтобы их плоскости не совпали и не находились слишком близко, между ними должна быть дистанционная шайба 11 (показана пунктиром). Зуб второй защелки входит в окно 12 в направляющей втулке 3.
Внутри центрального тела имеется сильфон 13 из титана, соединенный Т- или Г-образной тягой 14 с обеими защелками, причем в первой защелке имеется секторная прорезь 15 для образования люфта относительно тяги. Люфт выбирается вольфрамовой пружиной 16.
Третий вариант сопла устроен проще: центральное тело припаяно к втулке припоем 17, а защелка 9 отсутствует. Остальное - то же.
Первый вариант сопла работает так: при повышении давления внутри двигателя до 70-90% от рабочего сильфон 13 прогибается и через тягу 14 смещает обе защелки назад (вниз на чертеже). При этом зуб защелки 10 входит в окно 12, а затем защелка 9 отходит и перестает удерживать центральное тело 2, и оно несколько сдвигается назад под действием истекающих газов и перегрузок при разгоне ракеты.
После окончания стартового режима давление в двигателе падает. При падении давления до 50-80% от рабочего сильфон 13 сжимается и открывает защелку 10. Но защелка 9 при этом не запирается снова, так как из-за смещения центрального тела назад она окажется ниже края втулки 3, то есть центральное тело освобождается и под действием газов смещается вниз до упора в ограничители 5, проходное сечение сопла уменьшается, и давление в двигателе вновь поднимается до 100%.
В твердотопливных двигателях следует учесть нестабильность уменьшения газовыделения при переходе от стартового режима к маршевому.
Этот же чертеж отображает и второй вариант сопла. Для этого представим, что пружина 16 выполнена не из вольфрама, а из латуни или дюралюминия. Через короткое время после пуска двигателя (но не раньше, чем закроется защелка 10) пружина просядет или расплавится, защелка 9 под действием ускорения ракеты сместится назад, и центральное тело 2 повиснет на одной защелке 10. Далее, как в первом варианте.
Третий вариант сопла работает проще: центральное тело 2 удерживается в переднем положении пайкой 17, после начала работы двигателя пайка расплавляется, и центральное тело повиснет на защелке 10. Далее, как в первом варианте.
Применение данного сопла повысит импульс двухрежимных двигателей за счет оптимальной работы сопла на обоих режимах.