ЖИДКОСТНЫЙ РАКЕТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ С НАСАДКОМ ИЗ УГЛЕРОД-УГЛЕРОДНОГО КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА (УУКМ)
LIQUID ROCKET ENGINE WITH A NOZZLE OF CARBON-CARBON COMPOSITE MATERIAL (CCCM)

Изобретение относится к ракетным двигателям, в которых для управления вектором тяги в полете используются различные органы управления, расположенные у среза сопла или внутри его.
Известно, что на заре развития жидкостных ракетных двигателей (ЖРД) в немецкой ракете ФАУ-2 для управления вектором тяги использовались газовые рули, выполненные из графита и расположенные на срезе сопла. При повороте этих рулей вокруг оси с увеличением площади натекания создается боковое усилие. Развитие ракетной техники потребовало создание более надежных и эффективных органов управления вектором тяги.
Известны газовые рули по патенту США №3251555 и по книге «Конструкция ракетных двигателей на твердом топливе» под общей редакцией Л.Н. Лаврова. - М.: Машиностроение, 1993, стр. 145, которые расположены в полости истекающей струи.
Недостатком является условие работы этих газовых рулей:
- тепловые и эрозионные воздействия высокотемпературного газового потока в течение всего времени работы двигателя;
- наличие механических нагрузок от сверхзвукового потока в течение всего времени работы двигателя.
Известен газовый руль ракетного двигателя, содержащий перо, тарель с цилиндрическим выступом, вал, хвостовик которого с помощью кольцевой выточки через посредство разжимного кольца насажен на выступ тарели. В этой конструкции тарель и перо выполнены из разных деталей (патент РФ №2251013, F02K 9/80, 2003).
Недостатком данной конструкции является:
- низкая надежность органов управления, так как они все время находятся в высокотемпературном газовом потоке, что приводит к их эрозии и быстрому выгоранию;
- нахождение газовых рулей все время в потоке сопровождается наличием их лобового сопротивления, что снижает удельные энергетические характеристики;
- невозможность получения большой величины бокового управляющего усилия из-за небольшой рабочей поверхности органов управления;
- значительные усилия на рулевых органах;
- необходимость иметь на срезе сопла четыре газовых руля и четыре привода для их поворота в струю газа.
Известен жидкостный ракетный двигатель с дефлектором на срезе сопла, выбранный за прототип, содержащий камеру с охлаждаемой сверхзвуковой частью сопла, неохлаждаемый насадок из углерод-углеродного композиционного материала (УУКМ), рулевые агрегаты, раму и дефлектор из УУКМ, состоящий из двух частей соединенных между собой при помощи фланцевого соединения с уплотнением из терморасширенного графита.
Внутренняя поверхность дефлектора имеет сферическую форму эквидистантную сферической поверхности неохлаждаемого насадка, а на наружной поверхности выполнены проушины для закрепления к рулевым агрегатам (патент РФ №2579294, F02K 9/80, 2015).
Недостатком данной конструкции является:
- увеличенная масса из-за необходимости выполнения сферической поверхности для установки дефлектора и расположения дефлектора на срезе сопла неохлаждаемого насадка;
- низкая эффективность управляющего усилия при расположении дефлектора на срезе сопла. При этом основная доля усилия реализуется за счет повышения давления на поверхности дефлектора, а в зоне сопла перед дефлектором повышение давления незначительное, что требует приложения большего усилия на рулевые агрегаты.
Предлагаемое изобретение устраняет указанные недостатки прототипа и решает техническую задачу снижения массы конструкции, повышения эффективности управляющего усилия и уменьшения усилия на рулевые агрегаты.
Поставленная техническая задача решается тем, что в ЖРД, содержащем камеру с охлаждаемой сверхзвуковой частью сопла, неохлаждаемый насадок из углерод-углеродного композиционного материала, соединенных между собой с помощью разъемного соединения, рулевые агрегаты и раму, согласно изложению, на охлаждаемой части сопла и неохлаждаемом насадке выполнены бурты округлой формы и имеющие эквидистантные поверхности с графитовым покрытием, между которыми установлены, в двух взаимно перпендикулярно-расположенных плоскостях четыре дефлектора округлой формы из углерод-углеродного композиционного материала, внутренние и наружные поверхности которых идентичны по форме поверхностям буртов, с осью вращения, расположенной на оси охлаждаемой части сопла, и торцевой поверхностью дефлектора, являющейся продолжением профилированной поверхности сопла при их нахождении в исходном положении.
Такое исполнение ЖРД позволяет реализовать следующие процессы:
- когда не требуется боковое управляющее усилие, сектора дефлектора находятся в исходном положении, и обтекается газом только торцевая поверхность, находящаяся заподлицо с частью поверхности сопла;
- при необходимости получения бокового усилия в определенной плоскости подается команда на соответствующие рулевые агрегаты. Рулевым агрегатом сектор дефлектора погружается в газовый поток. Боковое управляющее усилие будет реализовываться из двух составляющих: усилия от распределения давления на поверхности дефлектора и усилия от повышения давления в зоне сопла перед дефлектором.
При расположении дефлектора между охлаждаемой сверхзвуковой частью сопла и неохлаждаемым насадком из УУКМ доля усилия от повышения давления в зоне сопла перед дефлектором будет существенно выше, чем если дефлектор расположить на срезе сопла неохлаждаемого насадка. Кроме того, повышенное давление на поверхности дефлектора позволяет погрузить его в газовый поток на меньший угол, что уменьшает расстояние приложения суммарного управляющего усилия и тем самым снижает управляющее усилие в рулевых агрегатах.
Сущность предлагаемого изобретения поясняется схемами, показанными на фиг. 1, 2, 3, 4, 5.
ЖРД (фиг. 1) содержит камеру с охлаждаемой частью сопла 1, округлый бурт на сопле 2, округлый бурт 3 на насадке 4, дефлектор 5, расположенный между эквидистантными поверхностями буртов с графитовым покрытием данных поверхностей, проушины (кронштейны) 6, рулевые агрегаты 7, раму двигателя 8.
На фиг. 2 показано место соединения камеры с охлаждаемой частью сопла 1 с неохлаждаемым насадком 4 при помощи болтового соединения 9.
На фиг. 3 показано расположение четырех дефлекторов 5 в двух взаимно перпендикулярно-расположенных плоскостях относительно камеры с охлаждаемой частью сопла 1.
На фиг. 4 показана физическая картина получения бокового усилия. При погружении дефлектора 5 в газовую струю за скачком уплотнения А на поверхности охлаждаемой части сопла камеры 1, прилегающей к дефлектору 5, образуется зона с повышенным давлением Pi. При этом на поверхность дефлектора 5 действует давление Рг.
На фиг. 5 показана зона Б с повышенным давлением перед дефлектором 5.
ЖРД с органами управления вектором тяги (дефлектором) работает следующим образом.
По команде от системы управления РН подается сигнал на соответствующие рулевые агрегаты 7, которые через проушину 6 поворачивают дефлектор 5 вокруг оси охлаждаемой части сопла камеры 1. Соответствующий дефлектор 5 погружается в струю газа, истекающую из сопла камеры 1. В результате погружения дефлектора 5 в газовую струю на поверхности дефлектора и сопловой части, примыкающей к дефлектору, повышается статическое давление, которое существенно выше давления на противоположной части сопла, в результате создается боковое управляющее усилие.
Таким образом, использование дефлектора из УУКМ, расположенного между охлаждаемой сверхзвуковой частью сопла и неохлаждаемым насадком из УУКМ, позволяет получить увеличенное управляющие усилие, уменьшить потери в осевой тяге при получении бокового усилия, уменьшить усилие на рулевые агрегаты и уменьшить массу конструкции за счет изменения расположения дефлектора относительно неохлаждаемого насадка.