Сопло ракетного двигателя с механизмом раздвижки
ROCKET ENGINE NOZZLE WITH EXPANSION MECHANISM

Изобретение относится к ракетной технике и может быть использовано при создании ракетного двигателя с раздвижным соплом.
Известно, что увеличение удельного импульса тяги за счет высокой степени расширения сопла при ограниченных габаритах ракетного двигателя реализуется применением сопла с раздвижными насадками (телескопическими), снабженными механизмом их раздвижки [Фахрутдинов И.Х., Котельников А.В. Конструкция и проектирование ракетных двигателей твердого топлива: Учебник для машиностроительных вузов. - М.: Машиностроение, 1987. - 328 с.: ил., страница 142, рис. 6.14]. Данная конструкция применяется при наличии свободного объема между срезом раструба сопла и днищем ракетного двигателя. В указанном свободном объеме размещены раздвижные телескопические насадки и механизм их раздвижки. Рассматриваемая конструкция не применима в случае отсутствия (дефицита) свободного объема перед срезом раструба сопла. В зависимости от конфигурации имеющегося свободного объема в некоторых случаях может быть использовано лепестковое сопло и механизм его раздвижки [Фахрутдинов И.Х., Котельников А.В. Конструкция и проектирование ракетных двигателей твердого топлива: Учебник для машиностроительных вузов. - М.: Машиностроение, 1987. - 328 с.: ил., страница 145, рис. 6.20]. Сопло ракетного двигателя содержит раструб и складной насадок, образованный поворотными лепестками, кинематически связанными с раструбом механизмом раздвижки, обеспечивающим перевод лепестков из сложенного положения в рабочее посредством их поворота.
Недостатками рассматриваемой конструкции являются:
- большие габариты сопла в сложенном положении, вследствие чего требуется наличие свободного объема перед срезом раструба сопла при складывании лепестков поворотом вперед (почти на 180°) или требуется свободный объем в радиальном направлении (увеличение миделя ракеты) при складывании лепестков поворотом в вертикальное (радиальное) положение (на 90°). Складывание поворотных лепестков в несколько звеньев (или ярусов) позволило бы уменьшить габариты сопла в сложенном положении, но при этом существенно усложняется конструкция, которая уже в однозвенном исполнении является достаточно сложной. Сокращение габаритов многозвенного лепесткового сопла за счет существенного усложнения конструкции требует обоснования целесообразности реализации такой схемы;
- сложность механизма раздвижки, содержащего систему синхронизации поворота лепестков. Сложность механизма раздвижки обуславливает его низкую надежность.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому положительному эффекту к предлагаемому изобретению является сопло ракетного двигателя с механизмом раздвижки [Патент РФ №2542650]. Сопло ракетного двигателя с механизмом раздвижки, обеспечивающим перевод сопла из сложенного положения в рабочее, содержит раструб и складной насадок, образованный лепестками с элементами кинематической связи лепестков с раструбом. Образующая лепестка в сложенном положении, проведенная через плоскость его симметрии, параллельна образующей раструба, проведенной через эту же плоскость. Элементы кинематической связи лепестков с раструбом содержат пантографы, связывающие соседние лепестки друг с другом, а каждый лепесток связан с раструбом направляющим элементом. Достоинством представленного технического решения является упрощение конструкции сопла со складным насадком, примененным для увеличения удельного импульса тяги за счет увеличения степени расширения сопла при ограниченных габаритах ракетного двигателя. Недостатком рассматриваемой конструкции является недостаточная реализация уменьшения габаритов сопла в сложенном положении.
Технической задачей настоящего изобретения является уменьшение габаритов сопла в сложенном положении.
Сущность изобретения заключается в том, что в сопле ракетного двигателя с механизмом раздвижки, обеспечивающим перевод сопла из сложенного положения в рабочее, содержащем раструб и складной насадок, образованный лепестками с элементами кинематической связи лепестков с раструбом, причем образующая лепестка в сложенном положении, проведенная через плоскость его симметрии, параллельна образующей раструба, проведенной через эту же плоскость, при этом элементы кинематической связи лепестков с раструбом содержат пантографы, связывающие соседние лепестки друг с другом, а каждый пантограф содержит продольную балку, связанную с каждым из двух соседних лепестков двумя шарнирно закрепленными планками, причем каждый лепесток связан с раструбом направляющим элементом, расположенным в плоскости симметрии лепестка, при этом сопло содержит привод раздвижки, лепестки размещены в нескольких концентрически расположенных ярусах, содержащих одинаковое количество лепестков, причем каждый направляющий элемент одновременно связывает посредством шарниров лепестки нижнего и каждого вышестоящего ярусов, а также раструб. Привод раздвижки может быть размещен в одном из ярусов. Угол между направляющим элементом в сложенном положении и продольной осью сопла может составлять значение менее 90°.
Технический результат (максимальное уменьшение габаритов сопла в сложенном положении) достигается обеспечением возможности применения многоярусного расположения лепестков за счет схемы направляющих элементов. В указанной схеме каждый направляющий элемент выполнен поворотным и одновременно связывает посредством шарниров лепестки нижнего и каждого вышестоящего ярусов между собой, а также с раструбом. Предлагаемая схема направляющих элементов обеспечивает в рассматриваемой конструкции плоскопараллельный характер перемещения лепестков при их раздвижке (обеспечивает условие параллельности образующей лепестка в сложенном положении, проведенной через плоскость его симметрии, образующей раструба, проведенной через эту же плоскость). Предлагаемая схема для многоярусного сопла позволяет сохранить основной принцип одноярусного прототипа: «Конфигурация сложенного положения лепестка, при которой любая его грань параллельна этой же грани лепестка в его рабочем положении, обеспечивает как кинематическую простоту складывания сопла, так и ее компактность». Таким образом, для изначально сложной лепестковой многоярусной конструкции упрощение кинематики (и конструкции в целом) доведено до уровня, обеспечивающего реальные аргументы в пользу целесообразности реализации предлагаемой схемы. Многоярусное расположение параллельных друг другу лепестков позволяет максимально приблизить днище предыдущей ступени к днищу ракетного двигателя с рассматриваемым соплом (т.е. максимально сократить осевой габарит сложенного сопла). В связи с кинематической взаимосвязанностью ярусов достаточно привод раздвижки (совмещенный с конструкцией пантографов, т.е. усложняющий пантографы) разместить только в одном из ярусов. При этом конструкция пантографов других ярусов выполняется упрощенной, упрощая конструкцию сопла в целом. Угол между направляющим элементом в сложенном положении и продольной осью сопла составляет значение менее 90°. Первоначальный наклон направляющего элемента создает осевую проекцию движущей силы, приложенной к направляющему элементу, и обеспечивает (без применения дополнительных устройств привода раздвижки) однозначный поворот этого направляющего элемента в сторону уменьшения угла наклона направляющего элемента, т.е. в сторону среза сопла при центростремительном перемещении лепестков в процессе раздвижки. Соответственно, по оси раздвижка происходит в требуемом направлении - в сторону среза сопла.
Данное техническое решение не известно из патентной и технической литературы.
Изобретение поясняется следующим графическим материалом:
на фиг. 1 показан вид с боку сопла в сложенном положении;
на фиг. 2 показана выноска А фиг. 1 в виде продольного разреза сопла в сложенном положении;
на фиг. 3 показан вид сзади сопла (на его срез) в сложенном положении;
на фиг. 4 показано сопло в сложенном положении в плоскости расположения направляющего элемента (нижняя половина рисунка без вырезов, верхняя половина - продольный разрез сопла Б-Б фиг. 3);
на фиг. 5 показано сопло в сложенном положении в изометрии (вид «спереди-сбоку»);
на фиг. 6 показано сопло в сложенном положении в изометрии (вид «сзади-сбоку»);
на фиг. 7 показан вид с боку сопла в рабочем положении;
на фиг. 8 показана выноска В фиг. 7 в виде продольного разреза сопла в рабочем положении;
на фиг. 9 показано сопло в рабочем положении в плоскости расположения направляющего элемента (нижняя половина рисунка без вырезов, верхняя половина - продольный разрез сопла Б-Б фиг. 3 (с учетом рабочего положения));
на фиг. 10 показано сопло в рабочем положении в изометрии (вид «спереди-сбоку»);
на фиг. 11 показано сопло в рабочем положении в изометрии (вид «сзади-сбоку»).
Сопло ракетного двигателя с механизмом раздвижки содержит раструб 1 и складной насадок, образованный лепестками 2 (фиг. 1). Лепестки 2 кинематически связаны с раструбом 1 механизмом раздвижки, обеспечивающим перевод лепестков 2 из сложенного положения L в рабочее положение N (фиг. 2). Образующая Y лепестка 2 (фиг. 4) в сложенном положении L, проведенная через плоскость Z его симметрии (фиг. 3), параллельна образующей F раструба 1 (фиг. 4), проведенной через эту же плоскость Z (фиг. 3). На фиг. 2 рабочее положение N лепестков 2 показано штриховой линией, пересекающей переднее днище 3 предыдущей ступени, показанное тонкой линией. Лепестки 2 в сложенном положение L не пересекают переднее днище 3 предыдущей ступени. Сложенное положение L лепестков 2 образовано плоско-параллельным перемещением в радиально-осевом направлении каждого лепестка 2 относительно его рабочего положения N. Лепестки 2 содержат продольные кромки 4. Продольные кромки 4 в любом положении лепестков 2 параллельны друг другу. Лепестки 2 размещены в нескольких концентрически расположенных ярусах (5 и 6), содержащих одинаковое количество лепестков 2. Ярус 5, расположенный на меньшем радиусе, является нижним, ярус 6 - вышестоящим (для двухъярусного варианта сопла, показанного на фиг. 1-11, - верхним). Многоярусное расположение лепестков 2 позволяет максимально приблизить переднее днище 3 предыдущей ступени к заднему днищу ракетного двигателя с рассматриваемым соплом (максимально сократить зазор W между указанными днищами (фиг. 2)). Элементы кинематической связи лепестков 2 с раструбом 1 содержат пантографы (7 и 8), связывающие соседние лепестки 2 друг с другом. Пантографы 7 связывают лепестки 2 нижнего яруса 5. Пантографы 8 связывают лепестки 2 вышестоящего (верхнего) яруса 6 друг с другом. Каждый пантограф 7 и 8 содержит продольную балку 9, связанную с каждым из двух соседних лепестков 2 двумя шарнирно закрепленными планками 10. Указанная конструктивная схема пантографов 7 и 8 обеспечивает то, что в любом своем положении лепестки 2 располагаются параллельно друг другу, т.е. определяет плоско-параллельный характер возможного перемещения лепестков 2, вызывающего изменение их радиального положения. Осевое положение каждого лепестка 2 при изменении его радиального положения регламентируется направляющими элементами, связывающими каждый лепесток 2 с раструбом 1. Направляющие элементы расположены в плоскости симметрии Z лепестков 2. Каждый направляющий элемент выполнен в виде пластины 11, установленной с возможностью поворота в шарнирах 12 и 13 (фиг. 4). При этом шарнир 13 установлен на раструбе 1. Каждый направляющий элемент одновременно связывает посредством шарниров 12 лепестки 2 нижнего 5 и каждого вышестоящего 6 (или верхнего 6) ярусов между собой, а также связывает посредством шарнира 13 складной насадок, образованный лепестками 2, с раструбом 1. Угол α между направляющим элементом (отрезком, соединяющим центры шарниров 12 и 13) в сложенном положении L и продольной осью сопла составляет значение менее 90°, обеспечивая первоначальный наклон направляющего элемента в требуемую сторону его поворота при раздвижке (фиг. 4). При указанном первоначальном наклоне центростремительное перемещение шарнира 12 вызывает однозначный поворот пластины 11 в сторону уменьшения угла α. Сопло содержит привод раздвижки. Привод раздвижки объединен с конструкцией пантографов. Для упрощения конструкции сопла привод раздвижки размещен только в одном из ярусов. Для варианта, показанного на фиг. 1-11, привод раздвижки размещен в вышестоящем (верхнем) ярусе 6. Соответственно, привод раздвижки объединен с конструкцией пантографов 8. Пантограф 8 содержит продольный стакан 14 (совмещенный с продольной балкой 9) и шток 15, установленный с возможностью продольного перемещения в стакане 14. Шток 15 образует со стаканом 14 подпоршневую полость 16, с которой сообщен пиропатрон 17. На штоке 15 шарнирно установлены поворотные тяги 18, шарнирно связанные с парой планок 10, расположенных со стороны штока 15. В соседние лепестки 2 верхнего яруса 6 установлена с возможностью перемещения вдоль своей оси штанга 19, расположенная перпендикулярно продольной оси сопла. Штанга 19 обеспечивает центрирование соседних лепестков 2 верхнего яруса 6 друг относительно друга в любом положении лепестков 2.
Устройство работает следующим образом. В сложенном положении L лепестков 2 кольцо, образованное лепестками 2 и пантографами 7 нижнего яруса 5, и кольцо, образованное лепестками 2 и пантографами 8 вышестоящего (верхнего) яруса 6 с зафиксированным радиальным положением лепестков 2 посредством пантографов 8, удерживаются и центрируются относительно раструба 1 направляющими элементами, выполненными в виде пластин 11. При условии фиксации радиального положения лепестков 2 одного из ярусов (в рассматриваемом варианте - верхнего яруса 6, зафиксированного посредством пантографов 8) остальные ярусы (нижний ярус 5) в данной кинематической схеме также оказываются в зафиксированном положении. Угловое положение направляющих элементов, выполненных в виде пластин 11, определяется радиальным положением верхнего яруса 6 (а оно зафиксировано). Фиксированное таким образом угловое положение пластин 11 однозначно определяет радиальное положение нижнего яруса 5. В сложенном положении L лепестки 2 располагаются между задним днищем ракетного двигателя с рассматриваемым соплом и передним днищем 3 предыдущей ступени (причем, раструб 1 практически упирается в переднее днище 3 (фиг. 2)). После отделения переднего днища 3 предыдущей ступени (исчезновения габаритных ограничений) перевод лепестков 2 в рабочее положение N производится подачей электрического импульса на пиропатроны 17. В подпоршневой полости 16 возникает давление, воздействующее на шток 15 и стакан 14, расталкивая их. Перемещение штока 15 относительно стакана 14 сопровождается поворотом поворотных тяг 18, а также шарнирно с ними связанной пары планок 10, расположенных со стороны штока 15. Соответственно, поворот указанной пары планок 10 вызывает синхронный поворот остальных планок 10 привода раздвижки, объединенного с конструкцией пантографов 8 и размещенного в верхнем ярусе 6. При повороте планок 10 пантографов 8 происходит взаимное сближение лепестков 2 верхнего яруса 6. Взаимное сближение лепестков 2 приводит к сжатию (уменьшению радиуса) кольца, образованного лепестками 2 и пантографами 8, т.е. к центростремительному радиальному перемещению лепестков 2 верхнего яруса 6. В центростремительном радиальном перемещении участвуют шарниры 12. В процессе центростремительного радиального перемещения лепестков 2 и шарниров 12 пластины 11 направляющих элементов поворачиваются относительно шарниров 13, установленных на раструбе 1. При значении угла α менее 90°, обеспечивающем первоначальный наклон направляющего элемента, поворот направляющего элемента приводит к однозначному дальнейшему уменьшению угла α, т.е. к осевому перемещению лепестков 2 в сторону среза раструба 1. Таким образом, регламентируется осевое положение каждого лепестка 2 верхнего яруса 6 при изменении его радиального положения в процессе центростремительного радиального перемещения лепестков 2. В процессе описываемого поворота пластин 11 направляющих элементов происходит принудительное сжатие (уменьшение радиуса) кольца, образованного лепестками 2 и пантографами 7 нижнего яруса 5. В результате радиально-осевого перемещения лепестков 2 (как нижнего яруса 5, так и верхнего яруса 6) их продольные кромки 4 смыкаются между собой, а в продольном направлении лепестки 2 нижнего яруса 5 примыкают к раструбу 1, лепестки 2 верхнего яруса 6 примыкают к лепесткам 2 нижнего яруса 5. Таким образом, лепестки 2 всех ярусов (5 и 6) занимают рабочее положение N. Лепестки 2 фиксируются друг относительно друга известными механизмами, например цанговыми защелками. Далее производится запуск ракетного двигателя, и сопло работает как единое целое.
Технико-экономическая эффективность предлагаемого изобретения по сравнению с прототипом, в качестве которого выбрано сопло ракетного двигателя с механизмом раздвижки сопла ракетного двигателя [Патент РФ №2542650], заключается в уменьшении габаритов сопла в сложенном положении.