СОПЛОВОЙ БЛОК РАКЕТНОГО ДВИГАТЕЛЯ

Предлагаемая полезная модель относится к области ракетостроения и предназначено для повышения среднего по траектории удельного импульса двигателя.
Известен сопловой блок ракетного двигателя, состоящий из двух или не- скольких круглых сопел Лаваля, расположенных в один ряд и дополнительно снабженных общим плоским насадком, каждая тяговая стенка которого является продолжением контуров сверхзвуковых частей круглых сопел, две боковые стенки насадка расположены перпендикулярно к тяговым стенкам насадка. [Патент на полезная модель, №2145671, г.Москва, 20 февраля 2000 г., Сопловой блок ракетного двигателя.] - прототип.
Недостатком прототипа является отсутствие переходного участка от срезов круглых сопел к насадку. Из-за этого имеют место значительные потери тяги на высотном режиме.
Целью настоящей полезной модели является повышение тяги двигательной установки на высотном режиме.
Цель достигается тем, что сопловой блок ракетного двигателя, состоящий из нескольких круглых сопел Лаваля, снабженных общим плоским насадком, каждая тяговая стенка которого является продолжением контуров сверхзвуковых частей круглых сопел, две параллельные боковые стенки насадка расположены перпендикулярно к тяговым стенкам насадка, причем каждая тяговая стенка имеет две поперечные щели на всю ширину, одна из которых расположена у срезов круглых сопел, другая на расстоянии 0,3-0,7L от выходного среза насадка, где L - длина насадка, и достоит из неподвижных и подвижных частей,
расположенных на шарнирах с возможностью их поворота и фиксации с помощью исполнительных устройств в створах щелей, причем внутренний профиль подвижной части тяговой стенки расположенной ближе к срезам круглых сопел, имеет плавные переходы, а профиль другой подвижной части - гладкий.
На фиг.1 изображено продольное сечение соплового блока на стартовом режиме.
На фиг.2 изображено продольное сечение соплового блока на промежуточном режиме.
На фиг.3 изображено продольное сечение соплового блока на высотном режиме.
На фиг.4 изображен вид соплового блока со стороны выходного сечения.
На фиг.5 изображен профиль проточной части подвижной тяговой стеки.
На фиг.6 представлена высотная характеристика щелевого сопла.
На фиг.7 представлена зависимость прироста тяги многорежимного соплового блока по сравнению с круглым высотным соплом.
Сопловой блок ракетного двигателя содержит несколько одинаковых круглых сопла Лаваля 1, которые расположены в один ряд и плоский насадок 2. Плоский насадок 2 имеет две расширяющиеся тяговые стенки 3, состоящие из подвижных 4 и 5 и неподвижных 6 и 7 частей и две неподвижные параллельные боковые стенки 8, перпендикулярные к тяговым стенкам 3. На срезах поперечных щелей, имеющихся на тяговой стенке 3 плоского насадка 2, в местах расположенных ближе к выходному срезу насадка 2 располагаются две подвижные части тяговой стенки 4 и 5, которые закреплены на шарнирах 9 и снабжены исполнительными устройствами 10 для осуществления их разворота. Неподвижные части тяговых стенок 6 и 7 жестко соединены с
параллельными боковыми стенками 8. Внутренний контур подвижной части тяговой стенки 4 имеет плавный переход 11 от уступов, имеющих место между срезами круглых сопел, к гладкой поверхности тяговой поверхности. Внутренний контур подвижной части тяговой стенки 5 имеет гладкую поверхность. Исполнительные устройства 10 предназначены для разворота подвижных частей тяговых стенок 4 и 5 на шарнирах 9 и устранения ими поперечных щелей, имеющих место на тяговых стенках 3 плоского насадка 2, которые расположены между срезами круглых сопел 1 и неподвижной частью тяговой стенки 6, а также между неподвижными частями тяговых стенок 6 и 7.
Место расположения кромки щели на расстоянии 0,3-0,7 L (где L -длина насадка) от выходного среза насадка 3, обусловлено тем, что предлагаемый сопловой блок является элементом ракетного двигателя 1-й ступени с характерными для него геометрическими и газодинамическими параметрами. В зависимости от типа двигателя и его назначения, используемых компонентов топлива, энергобаллистической траектории полета ракеты и пр. при расчетах двигателя, работающего в плотных слоях атмосферы (стартующих с Земли) выбирается оптимальный диапазон расчетного давления на срезе насадка Рα=0,2...0,005 МПа. В связи с этим определяется соответствующий диапазон давлений в сечении насадка, а соответственно и место расположения второй щели для принудительного отрыва потока газа от стенки насадка. В данном случае меньшему расчетному значению давления на срезе сопла Рα=0,005 МПа соответствует меньшее расстояние (0,3 L) от среза высотного насадка.
Сопловой блок работает следующим образом. На старте летательного аппарата в плотных слоях атмосферы, подвижные части тяговых стенок насадка 4 и 5 отведены в стороны. При этом на тяговой стенке 3 имеют место две щели, через которые передается атмосферное давление вовнутрь насадка к срезам круглых сопел 1 (фиг.1). В этом
случае система скачков уплотнения газового потока находится на срезе круглых сопел 1, препятствуя перерасширению газа в плоском насадке 2, отключая тяговые стенки 3 насадка 2, состоящие из подвижных 4 и 5 и неподвижных частей 6 и 7. В этом случае каждое из круглых сопел 1 работает на расчетном режиме, а плоский насадок не создает тяги. По мере подъема на высоту летательного аппарата давление окружающей среды уменьшается, а давление истекающей струи газа на срезах круглых сопел 1 (в зазоре между срезами круглых сопел 1 и неподвижной тяговой стенкой 6 насадка 2) становится больше атмосферного, и скачки уплотнения переходят на кромку второй щели. В этот момент подвижная часть тяговой стенки 4 поворачивается и фиксируется на шарнире 9 при помощи исполнительного устройства 10, занимая место в щели между срезами круглых сопел 1 и неподвижной частью тяговой стенки 6 (фиг.2). Внутренний профиль подвижной части тяговой стенки 4 обеспечивает плавный переход 11 от уступов расположенных между срезами круглых сопел 1 к неподвижной частью тяговой стенки 6, образуя сплошную тяговую поверхность. Профиль переходного участка показан на фиг.5. При этом часть соплового блока становится высотным и работает на режиме близком к расчетному, так как система скачков уплотнения со срезов круглых сопел 1 переходит на часть тяговой стенки 3 высотного насадка 2, состоящему из подвижной 4 и неподвижной 6 частей, который начинает создавать тягу. При дальнейшем увеличении высоты полета скачки уплотнения располагаются на кромке второй щели, расположенной между неподвижными частями тяговых стенок 6 и 7, становится единым целым и весь сопловой насадок начинает создавать тягу.
Таким образом, сопловой блок двигательной установки на всех участках траектории полета летательного аппарата работает на режиме близком к расчетному.
1
2
3
На графике (фиг.6) по оси ординат отложена тяга (Р), а по оси абсцисс высота полета (H, H, Н) летательного аппарата. На графике цифрами обозначены характеристики: 1 - земного сопла, 2 - высотного сопла, 3 - «пустотного сопла», 4 - идеального сопла, 5 - сопло блок с двумя щелями (пунктирная линия). Из графика видно, что высотная характеристика сопла с двумя щелями близка к характеристике идеального сопла.
На графике фиг.7 по оси ординат отложен прирост тяги соплового блока по сравнению с круглым высотным соплом, отнесенный к тяге идеально регулируемого сопла, по оси абсцисс - отношение давления на срезе насадка к атмосферному давлению. Показано преимущество соплового блока с двумя щелями (кривая 1) по сравнению с блоком, имеющем одну щель (кривая 2).
Предлагаемая полезная модель обеспечивает регулировку высотности соплового блока что дает возможность увеличения полезного груза или дальности полета летательного аппарата и несомненно дает положительный экономический эффект.