СОПЛОВОЙ БЛОК С КРУГЛЫМ НАСАДКОМ

Предлагаемая полезная модель относится к области ракетостроения, в частности, к жидкостным ракетным двигателям и предназначено для повышения среднего по траектории полета удельного импульса двигателя.
Известен сопловой блок ракетного двигателя, состоящий из четырех или более земных сопел, расположенных по окружности, и высотного круглого насадка, выполненного в виде усеченного конуса, охватывающего земные сопла, а в месте внешнего стыка насадка со срезом земных сопел образованы щели (см. патент РФ №2273761 "Сопловой блок ракетного двигателя", 2006 г., МКИ F02К 1/52).
На старте ракеты через щели, образованные между срезами земных круглых сопел и входной частью общего круглого насадка, атмосферный воздух поступает во внутрь насадка. Струи атмосферно воздуха препятствуют перерасширению газового потока в круглом насадке и скачки уплотнения располагаются на срезах круглых сопел. В этом случае тяговые стенки насадка отключаются, то есть они не участвуют в создании тяги двигательной установки. Таким образом, сопловой блок в плотных слоях атмосферы работает на расчетном режиме.
При полете ракеты в высотных слоях атмосферы (снижении атмосферного давления) скачки уходят со срезов земных сопел и перемещаются на срез общего круглого насадка. В результате высотный насадок заполняется полностью потоком газа и включается в работу соплового блока. Таким образом, сопловой блок становится высотным и он вновь работает на расчетном режиме.
Недостатком такого технического решения является то, что известный сопловой блок ракетного двигателя из-за наличия гладкого контура (контур общего круглого насадка является продолжением контуров земных сопел) не добирает средний по траектории удельный импульс двигательной установки, так как скачки уплотнения недостаточно долго задерживаются на срезах земных сопел, в результате внутри общего высотного насадка происходит глубокое перерасширение газа, вызывающее потери тяги.
Целью данной полезной модели является повышение эффективности работы соплового блока ракетного двигателя.
Цель достигается тем, что в сопловом блоке ракетного двигателя, состоящем из четырех или более земных сопел, расположенных по окружности, и высотного круглого насадка, выполненного в виде усеченного конуса, охватывающего земные сопла, а в месте внешнего стыка насадка со срезом земных сопел образованы щели, согласно полезной модели входная часть насадка выполнена огибающей земные сопла по их внешнему контуру, при этом в месте стыка высотного насадка со срезами земных сопел образован излом контура соплового блока, а в месте излома контура организована узкая кольцевая щель с параллельными оси насадка стенками, при этом насадок соединен с земными соплами с помощью установленных ребрами пластин - пилонов, расположенных на одинаковом расстоянии друг от друга параллельно оси насадка.
Поставленная задача решается также за счет того, что согласно полезной модели выходная часть круглого насадка выполнена фигурной в виде лепестков, при этом количество лепестков совпадает с количеством земных сопел.
При выполнении входной части общего круглого насадка огибающей земные сопла по их внешнему контуру уменьшается суммарная площадь, занимаемая щелями, образованными между срезами земных сопел и общим круглым насадком, следовательно, снижаются потери тяги из-за утечки газа через эти щели при полете ракеты на высоте.
При образовании в месте стыка высотного насадка со срезами земных сопел излома контура соплового блока уменьшается угол кривизны контура земного сопла на его срезе. Благодаря этому существенно снижаются потери тяги из-за рассеяния газа при истечении струи из земных сопел.
При организации в месте излома контура узкой кольцевой щели с параллельными оси насадка стенками происходит эжекция атмосферного воздуха, в результате повышается давление в донной области внутри насадка. В этом случае скачок уплотнения дольше удерживается на срезах земных сопел, препятствуя перерасширению газа внутри насадка, следовательно, снижаются потери тяги из-за перерасширения газа внутри высотного насадка.
Соединение высотного насадка с земными соплами с помощью установленных ребрами пластин - пилонов, расположенных на одинаковом расстоянии друг от друга параллельно оси насадка, позволяет жестко закрепить насадок к земным соплам и снизить гидравлическое сопротивление при эжекции атмосферного воздуха через узкую кольцевую щель.
Выполнение выходной части круглого насадка фигурной в виде лепестков, при этом количество лепестков совпадает с количеством земных сопел, позволяет установить между лепестками насадка двигатели малой тяги, предназначенные для управления ракетой при ее полете.
На фиг.1 изображено продольное сечение соплового блока с круглым насадком.
На фиг.2. изображен сопловой блок с круглым насадком со стороны выходного сечения круглого насадка
На фиг.3 изображено вырез сечения, где организована кольцевая щель с пластинами - пилонами.
На фиг.4 изображен сопловой блок с круглым насадком, выходная часть которого выполнена в виде лепестков.
На фиг.5 приведена картина течения в щелевом сопле с изломом контура
а) при работе на земле
б) при работе на высоте
Сопловой блок ракетного двигателя с круглым насадком состоит из земных круглых сопел 1, расположенных по окружности, высотного круглого насадка 2, выполненного в виде усеченного конуса, охватывающего земные сопла 1, входная часть насадка 2 выполнена огибающей земные сопла 1 по их внешнему контуру. При этом в месте стыка высотного насадка 2 со срезами земных сопел 1 образован излом контура соплового блока, а в месте излома контура организована узкая кольцевая щель 3 с параллельными оси насадка стенками. При этом круглый насадок 2 соединен с земными соплами 1 с помощью установленых ребрами пластин - пилонов 4, расположенных на одинаковом расстоянии друг от друга параллельно оси насадка 2.
Выходная часть круглого насадка 2 может быть выполнена фигурной в виде лепестков, при этом количество лепестков совпадает с количеством земных сопел (фиг.4).
Заявляемый сопловой блок ракетного двигателя с круглым насадком работает следующим образом.
Продукты сгорания компонент топлива разгоняются и расширяются внутри земных сопел 1. Перерасширению сверхзвукового потока в круглом насадке 2 препятствует струя атмосферного воздуха, передающегося во внутрь насадка 2 через узкую кольцевую щель 3, образованную между срезами земных сопел 1 и входной частью круглого насадка 2.
Благодаря принудительному отрыву газового потока на срезах земных сопел 1, не наступает перерасширения газа внутри круглого насадка 2 и на старте ракеты с Земли сопловой блок ракетного двигателя работает на расчетном режиме.
По мере подъема ракеты на высоту снижается, как известно, атмосферное давление, в результате чего на кромках земных сопел 1 наступает течение Прандтля-Майсра, то есть разворот сверхзвукового потока вокруг острой кромки (вокруг срезов земных сопел 1). Поток на кромках земных сопел 1 разворачивается до тех пор, пока линия тока не коснется стенки высотного круглого насадка 2. В этом случае скачки уплотнения перескочат сразу на срез круглого насадка 2, в результате чего круглый насадок 2 включается в работу и сопловой блок вновь работает на расчетном режиме. Разворот занимает время, достаточное для достижения во время полета вблизи Земли (в плотных слоях амтосферы) максимального удельного импульса двигательной установки.
Таким образом, сопловой блок становится двухрежимным, он одинаково хорошо работает как на Земле, так и на высоте (в верхних слоях атмосферы).
Использование полезной модели позволяет повысить средний по траектории полета удельный импульс двигательной установки, что дает возможность увеличить полезный груз или дальность полета летательного аппарата, что в свою очередь даст положительный экономический эффект.