Корпус ракетного двигателя на твердом топливе
SOLID-PROPELLANT ROCKET ENGINE HOUSING

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано в конструкциях корпусов ракетных двигателей твердого топлива (РДТТ) из композиционных материалов.
Известен корпус РДТТ из композиционных материалов, содержащий силовую оболочку с фланцами, установленными по полюсным отверстиям днищ, облицованную изнутри теплозащитным покрытием (ТЗП) из резиноподобного (эластомерного) материала с кольцами в торцевых частях ТЗП у центральных отверстий фланцев (Конструкции ракетных двигателей на твердом топливе. / Под общ. ред. чл.-корр. Российской академии наук, д-ра техн. наук, проф. Л.Н. Лаврова. -М., Машиностроение, 1993. - 215 с, ил.; стр. 62, рис. 2.19). Там же показана конструкция торцевой части ТЗП в виде отдельного неметаллического кольца, скрепленного с основным массивом ТЗП практически встык.
Недостатком указанного решения является склонность к отслоениям ТЗП от кольца в условиях эксплуатации изделия в расширенном диапазоне циклических знакопеременных температурных нагрузок. Отслоения обусловлены различными коэффициентами температурного расширения материалов ТЗП и кольца, в результате чего по контактирующим с ТЗП поверхностям кольца возникают сдвиговые усилия, приводящие к отслоению ТЗП от кольца. Аналогично при полимеризации ТЗП вследствие различия деформационных характеристик материалов ТЗП и кольца по контактирующим с ТЗП поверхностям кольца возникают сдвиговые усилия, приводящие к отслоению ТЗП от кольца.
Известен корпус РДТТ из композиционных материалов, содержащий силовую оболочку с фланцами, расположенными в полюсных отверстиях днищ, облицованную изнутри теплозащитным покрытием, с кольцами из композиционного материала в своих торцевых частях у центральных отверстий фланцев, в котором со стороны внутренней поверхности, по меньшей мере, в одном из фланцев выполнены расположенные по соосной фланцу окружности ряд глухих резьбовых отверстий, а в кольце - соосные с отверстиями фланца сквозные отверстия с зенковочными поверхностями с внутренней стороны, в которых расположены винты, ввернутые во фланец без выступания за поверхность кольца и закрытые материалом теплозащитного покрытия (патент РФ №2533594). Данная конструкция принята за прототип.
Недостатком такой конструкции является то, что при работе изделия в условиях высокого внутреннего давления из-за высокой деформативности корпусов из композиционных материалов возникает эффект «сползания» силовой оболочки корпуса с фланца. Силовая оболочка корпуса, которая за пределами фланца прочно скреплена с ТЗП днища корпуса, увлекает его за собой, вызывая в нем значительные деформации. Кольцо посредством винта прочно скреплено с фланцем и остается в первоначальном положении. В результате этого по контактирующим с ТЗП поверхностям кольца возникают сдвиговые усилия, приводящие к отслоениям ТЗП от кольца.
Наличие отслоений ТЗП от кольца является причиной того, что горячие продукты сгорания заполняют зазоры между кольцом и ТЗП и оставшегося на фланце ТЗП становится недостаточно для штатной работы изделия.
Технической задачей настоящего изобретения является разработка простого по конструкции и технологичного в изготовлении корпуса РДТТ с обеспечением надежности при изготовлении и эксплуатации.
Технический результат заключается в повышении надежности конструкции корпуса за счет организации физических поперечных связей между разобщенными элементами ТЗП, находящимися по разные стороны кольца, исключающих возникновение и развитие отслоений по контактирующим поверхностям кольца и теплозащитного покрытия
Технический результат достигается тем, что в корпусе РДТТ из композиционных материалов, содержащем днище с жестким металлическим фланцем, расположенным в центральном отверстии днища, облицованный изнутри теплозащитным покрытием из резиноподобного материала с кольцом из композиционного материала в своей торцевой части у центрального отверстия фланца, во фланце со стороны его внутренней поверхности выполнены расположенные по соосной фланцу окружности ряд глухих резьбовых отверстий, а в кольце - соосные с отверстиями фланца сквозные отверстия с внутренней стороны, в которых расположены винты, ввернутые во фланец, в кольце между сквозными отверстиями, в которых расположены винты, равномерно выполнены сквозные отверстия, причем сквозные отверстия заполнены материалом теплозащитного покрытия, образуя с последним единое целое.
Задача решается за счет того, что в кольце между сквозными отверстиями, в которых расположены винты крепления кольца к фланцу, дополнительно равномерно выполнены сквозные отверстия, заполненные материалом ТЗП.
При этом между материалом ТЗП, находящегося внутри отверстий кольца, и ТЗП, расположенным по внешнему контуру кольца, организованы физические поперечные связи. Создаются «замки» замыкания ТЗП по внешнему контуру кольца, что исключает возникновение и развитие отслоений по контактирующим с ТЗП поверхностям кольца.
Равномерность расположения замковых отверстий диктуется необходимостью осуществления симметричной картины нагружения «замков» в целях исключения перенапряжения отдельных связей.
На фиг. 1 показано сечение заднего днища корпуса в зоне соединения элемента ТЗП - кольцо с фланцем по отверстию, с установленным винтом.
На фиг. 2 сечение заднего днища корпуса в зоне соединения ТЗП с кольцом по сквозному отверстию, заполненному материалом ТЗП.
На фиг. 3 показано сечение зоны соединения кольца с теплозащитным материалом (сечение А-А на фиг. 1) с чередующимися сквозными отверстиями, заполненными материалом ТЗП и винтами крепления.
Корпус РДТТ из композиционных материалов, содержащий днище 1 с жестким металлическим фланцем 2, расположенным в центральном отверстии днища, облицованный изнутри теплозащитным покрытием 3 из резиноподобного материала. В торцевой части ТЗП у центрального отверстия фланца установлено кольцо 4 из композиционного материала. Во фланце со стороны его внутренней поверхности выполнены расположенные по соосной фланцу окружности ряд глухих резьбовых отверстий 5, а в кольце - соосные с отверстиями фланца выполнены сквозные отверстия 6, в которых расположены винты 7, ввернутые во фланец. В кольце 4 между сквозными отверстиями 6, в которых расположены винты 7, равномерно выполнены сквозные гладкие отверстия 8, заполненные материалом теплозащитного покрытия 3, образуя с последним единое целое.
Элементы конструкции взаимодействуют следующим образом. При горении твердого топлива в двигателе под действием внутреннего давления корпус РДТТ находится в сложном напряженно-деформированном состоянии, характеризующемся изменением своих геометрических характеристик, в том числе ТЗП, по отношению к исходным геометрическим параметрам. В результате такого действия между силовой оболочкой корпуса и фланцем происходит сдвиг ТЗП в меридиональном направлении, возникает вероятность отслоения ТЗП от кольца.
Конструктивно исключение отслоения ТЗП от кольца обеспечивается жестким закреплением винтами ТЗП, в котором расположено кольцо, к фланцу и равномерным выполнением в кольце сквозных отверстий, заполненных материалом ТЗП. При этом между материалом ТЗП, находящегося внутри отверстий кольца, и ТЗП, расположенным по внешнему контуру кольца, организованы физические поперечные связи, созданы «замки» замыкания ТЗП, в результате чего образован единый целый материал ТЗП.
В целях осуществления симметричной картины нагружения «замков» замыкания ТЗП и исключения перенапряжения отдельных «замков» замыкания ТЗП в кольце сквозные отверстия, заполненные материалом ТЗП, выполнены равномерно между сквозными отверстиями, в которых установлены винты.
Таким образом, предлагаемая конструкция корпуса ракетного двигателя является более надежной за счет организации физических поперечных связей между материалом ТЗП, находящегося внутри сквозных отверстий кольца, и ТЗП, расположенным по внешнему контуру кольца, исключающих возникновение и развитие отслоений по контактирующим поверхностям кольца и теплозащитного покрытия.
С использованием предлагаемого технического решения были изготовлены корпуса РДТТ, которые прошли огневые испытания в штатном режиме, без разрушений и замечаний по отслоениям ТЗП от кольца.