Шарнир сопла ракетного двигателя с усилением тарелей
ROCKET MOTOR NOZZLE HINGE WITH TARRY REINFORCEMENT

Изобретение относится к ракетной технике и может быть использовано при создании управляющих сопел на эластичном шарнире (ЭШ).
Из монографии «Конструкции ракетных двигателей на твердом топливе» (под общ. ред. чл. корр. РАН Л.Н. Лаврова-М.:«Машиностроение»,1993) и патента РФ №2231693 известен ЭШ, обеспечивающий подвижность поворотной части сопла при действии высоких сжимающих нагрузок. Данная конструкция принята за прототип.
Недостатком такого ЭШ является то, что при потере устойчивости армирующих тарелей, которая носит местный характер, ЭШ теряет свою шарнирную функцию и выходит из строя до исчерпания несущей способности резиновых слоев и клеевых соединений «резина-тарель».
Технической проблемой данного изобретения является усиление (утолщение) тарелей в зоне их потери устойчивости при сохранении постоянной толщины и сферической формы резиновых слоев, что обеспечит сохранение угловой жесткости ЭШ на уровне прототипа.
Технический результат заключается в том, что в конструкции ЭШ утолщение тарелей в зоне их потери устойчивости обеспечивается за счет изменения положения на оси ЭШ центров сфер граничащих с ними резиновых слоев без изменения толщин последних.
Технический результат достигается тем, что в шарнире сопла ракетного двигателя с усилением тарелей, содержащем жесткие опорные кольца и заключенный между ними пакет чередующихся податливых резиновых слоев и жестких армирующих тарелей, контактирующих между собой и с опорными кольцами по сферическим поверхностям с центрами на оси симметрии шарнира сопла, каждый податливый резиновый слой образован парой сферических поверхностей с общим для этой пары центром, а каждая жесткая армирующая тарель образована с целью усиления парой сферических поверхностей с несовпадающими центрами.
Отличительный признак предлагаемого технического решения является существенным.
Усиление тарелей по сравнению с прототипом обеспечивается увеличением их толщины в зоне потери устойчивости, которая обычно имеет место у края тарели, расположенного вне камерного пространства.
На фиг. 1 показано сечение плоскостью, проходящей через ось симметрии, ЭШ с усилением тарелей.
На фиг. 2 схематично показаны область и форма потери устойчивости отдельной тарели и характер распределения кольцевых напряжений в сечении тарели, сопутствующий такой форме потери устойчивости.
На фиг. 1, 2 приняты следующие обозначения:
1 - неподвижное опорное кольцо ЭШ;
2 - податливые резиновые слои ЭШ;
3 - жесткие армирующие тарели ЭШ;
4 - подвижное опорное кольцо ЭШ;
5 - внутренняя боковая поверхность ЭШ;
6 - внешняя боковая поверхность ЭШ.
Податливые резиновые слои 2 заштрихованы, жесткие опорные кольца 1, 4 и армирующие тарели 3 не заштрихованы.
Считается, что все резиновые слои имеют постоянную толщину (необязательно одну и ту же), и что направления боковых поверхностей ЭШ 5, 6 заданы.
Геометрию ЭШ с усилением тарелей удобно строить с помощью следующей пошаговой процедуры (см. фиг. 1).
0
0
На 1-ом шаге по известному радиусу R сферической поверхности контакта кольца 1 и 1-го резинового слоя строится из того же центра сферическая поверхность контакта радиуса R+h, также определяющая начальную сферическую поверхность 1-ой тарели с усилением. Для усиления тарели ее следующая сферическая поверхность строится из центра, смещенного вдоль оси ЭШ по отношению к центру предыдущей поверхности, радиусом, обеспечивающим необходимое усиление. Эта поверхность контакта определяет геометрию 2-го резинового слоя для следующего шага. Далее аналогично первому шагу строится 2-ой резиновый слой и 2-ая тарель с усилением с помощью требуемых для этого смещения центра и радиуса. Процедура продолжается до тех пор, пока не будет получен ЭШ с заданной угловой жесткостью. Количество шагов равно количеству резиновых слоев и количеству различных сферических центров.
В этой процедуре геометрию тарели с усилением удобно определять с помощью следующих параметров (фиг. 1):
т.О - сферический центр резинового слоя (определен на предыдущем шаге);
1
R - радиус начальной сферической контактирующей поверхности тарели с центром в т.О;
а
2
- смещение по отношению к т.О центра сферической поверхности радиуса R, обеспечивающее требуемое усиление тарели;
r, z - радиус и ось цилиндрической системы координат с началом в т.О;
2
а
R - радиус сферической поверхности с центром z= по границе тарели с усилением и последующего резинового слоя;
1
1
1
ϕ - угол между осью z и радиусом R,выходящим из т.О в точку пересечения R с боковой поверхностью ЭШ 5;
2
1
ϕ - аналогичен ϕ на боковой поверхности ЭШ 6;
1
1
1
t - толщина тарели с усилением вдоль радиуса R под углом ϕ;
2
2
2
1
2
t - толщина тарели с усилением вдоль радиуса R под углом ϕ (t,t - определяются требованием к усилению тарели);
2
1
1
D - точка пересечения сферы радиуса R с продолжением радиуса R под углом ϕ;
2
А - аналогична m.D под углом ϕ.
1
1
2
1
2
2
а
По значениям R, ϕ, ϕ, определяемым по предыдущему шагу, и t, t, определяемым требованием к усилению тарелей, находятся радиус R и смещение .
2
Уравнение окружности с радиусом R в принятой системе координат (r,z) имеет вид
2
a
Записав его для точек А и D, получим систему из двух алгебраических уравнений для определения R и
Вычитая из первого уравнения в (1) второе и учитывая два последних соотношения, найдем
2
Построение геометрии тарели завершается определением точек пересечения сферы радиуса R с боковыми поверхностями ЭШ 5, 6.
Утолщение тарелей выполняется в зоне, где на практике происходит потеря устойчивости их сферической формы. Это имеет место в зоне кольцевого сжатия, которая заметно превышает зону кольцевого растяжения (фиг. 2).
Распределение кольцевых напряжений вдоль ширины тарелей определяется двумя факторами: кручением вокруг осевой кольцевой линии по стрелке θ (фиг. 2) при отклонении ЭШ по стрелке δ (фиг. 1) и сжимающим действием камерного давления по внешней боковой поверхности ЭШ 6. При кручении материал тарели от m.D до кольцевой оси переходит на меньшие радиусы r и сжимается, а материал от т.А до кольцевой оси переходит на большие радиусы r и растягивается. Под действием камерного давления весь материал тарели переходит на меньшие радиусы r и сжимается. Более подробно характер напряженно-деформированного состояния тарелей ЭШ описан в заявке на патент №2727211.
Увеличение толщины в зоне сжатия приводит к уменьшению сжимающих напряжений и повышению устойчивости тарелей, так как для потери устойчивости должны возникнуть линии излома (фиг. 2) с пластическими шарнирами, изгибный момент образования которых пропорционален квадрату толщины.
При определении угла поворота ЭШ от усилия рулевой машины необходимо учитывать, что моменты от усилия различны для разных резиновых слоев из-за несовпадения центров их сфер и различия плеч.
Также важно отметить:
- при предлагаемом способе усиления тарелей толщины резиновых слоев остаются такими же, как у прототипа;
- усиленные тарели сохраняют работоспособность при меньшей по сравнению с прототипом ширине, что повышает степень использования ресурса прочности резиновых слоев и клеевых соединений;
- радиусы сферических поверхностей, определяющих резиновые слои, по сравнению с прототипом уменьшаются за счет смещения их центров в направлении выпуклости сфер;
- перечисленные факторы ведут к снижению угловой жесткости ЭШ по сравнению с прототипом.
Следовательно, предложенная конструкция повышает устойчивость тарелей ЭШ и более полно использует ресурс прочности резиновых слоев.