Сопловой насадок
NOZZLE ATTACHMENT

Предлагаемое изобретение относится к ракетной технике, а именно, к конструкции сопла ракетного двигателя. Гибкий сопловой насадок пристыкован к торцу неподвижной части сопла, выполненной из жестких силовых и теплоэрозионностойких элементов, и обеспечивает в исходном сложенном транспортном положении уменьшение продольных габаритных размеров сопла, а в рабочем развернутом положении тягу сопла с большим расширением.
Известны конструкции сопел с гибкими насадками (патенты США №3933310 кл. 239-265.43, №4426038 кл. 239-265.15, РФ кл. F02K 9/97 №2647022), в которых сопловой насадок пристыкован к неподвижной части сопла и выполнен в виде тканевой гибкой оболочки из тугоплавких волокон (углерода, кварца), покрытой жаростойким волокном. Внутренняя поверхность гибкого соплового насадка, обращенная к потоку продуктов сгорания, образована пучками ворса из углеродных или кварцевых нитей. Наиболее близкой, выбранной в качестве Прототипа, является конструкция сопла с гибким сопловым насадком, известная из патента США №4426038 кл. 239-265.43. Гибкий сопловой насадок, пристыкованный к жесткой неподвижной части сопла, изготовлен из жаростойкого волокна, скрепленного с тканевой оболочкой из тугоплавких волокон углерода или кварца. Для дополнительной защиты от теплоэрозионного воздействия продуктов сгорания твердого топлива на внутренней поверхности использованы пучки ворса, выполненные из углерода, графита или кварца. В нерабочем транспортном положении гибкий насадок располагается над внешней поверхностью неподвижной части сопла. Выдвижение насадка в рабочее положение может осуществляться любыми известными способами.
Недостатком известной конструкции является недостаточная защищенность материала гибкого соплового насадка от теплового и эрозионного воздействия продуктов сгорания твердого топлива.
Задачей предлагаемого изобретения является повышение защиты гибкого соплового насадка от воздействия потока высокотемпературных продуктов сгорания топлива на протяжении всего времени работы ракетного двигателя.
Решение поставленной задачи достигается тем, что в известном сопле с гибким сопловым насадком на внутренней стороне гибкой оболочки расположен ворсовый слой, свободные концы нитей ворса направлены по потоку вдоль стенки насадка в сторону выходного сечения насадка, а высота выступания нитей относительно внутренней поверхности неподвижной части сопла не превышает толщину пограничного слоя потока продуктов сгорания, что уменьшает воздействие на ворсовый слой. Сублимирующий материал, расположенный в ворсовом слое, например, в виде покрытия на гибкой оболочке, сквозь которое проходят нити ворса, предохраняет оболочку от теплового разрушения.
На фиг. 1 изображено сопло ракетного двигателя с гибким сопловым насадком в исходном транспортном положении.
На фиг. 2 изображено сопло ракетного двигателя с гибким сопловым насадком в развернутом рабочем положении.
На фиг. 3, 4 изображена структура стенки гибкого соплового насадка.
Т
Сопло с гибким сопловым насадком состоит из неподвижной части (1), и пристыкованного к ней гибкого соплового насадка (2), содержащего гибкую оболочку (3), с внутренней стороны оболочки расположен гибкий сублимирующий материал (5), сквозь который проходят нити ворса из теплоэрозионностойкого материала (6), направленные вдоль стенки насадка в сторону выходного сечения насадка, причем высота Δ выступания нитей относительно внутренней поверхности неподвижной части сопла не превышает размера δ толщины турбулентного пограничного слоя в сечении стыковки гибкого насадка с неподвижной частью сопла.
На внешней стороне оболочки гибкого соплового насадка в местах предполагаемого сгиба расположены кольцевые элементы (4) каркаса, не препятствующие сворачиванию гибкого насадка в транспортное положение.
Гибкая оболочка, например, из термостойкой резины, выполнена герметичной, что нужно для уменьшения потерь удельного импульса. Оболочка является основой стенки насадка и может служить для закрепления нитей ворса. Кольцевые элементы, расположенные на внешней стороне оболочки, выполняют роль местных шпангоутов и не позволяют существенно исказить профиль гибкого насадка при действии внутреннего статического давления в процессе работы двигателя. Расположение этих шпангоутов в окружном направлении позволяет сложить относительно них гибкий насадок в исходное транспортное положение. Эти шпангоуты могут быть выполнены, например, из углерод-углеродного материала или высокомодульного материала типа СВМ.
T
Внутренняя сторона оболочки представляет собой ворсовый слой, свободные концы нитей которого направлены по потоку вдоль стенки насадка в сторону выходного сечения соплового насадка. Высота выступания Δ нитей относительно внутренней поверхности неподвижной части сопла должна быть меньше толщины турбулентного пограничного слоя δ в сечении стыка. Эти меры предназначены для уменьшения воздействия на ворсовый слой потока продуктов сгорания, имеющего меньшую скорость V в пограничном слое. Нити могут быть выполнены в виде жгутов из углеродных или кремнеземных волокон. Направление нитей в сторону выходного сечения насадка позволяет увеличить их длину при сохранении размера Δ. Тепловой поток преимущественно распространяется вдоль нитей, поэтому указанное направление нитей позволяет увеличить время начала сублимации материала.
Т
Высоту Δ выступания нитей в поток продуктов сгорания назначают, исходя из расчета толщины турбулентного пограничного слоя δ в сечении стыка гибкого насадка (например А.П. Мельников. Аэродинамика больших скоростей. М. Воениздат. 1961 г.)
где X - расстояние от критического сечения до места стыка насадка;
V - скорость газового потока;
ν - кинематический коэффициент вязкости газа.
Т
По проведенным расчетам для сопел крупногабаритных РДТТ δ=13…18 мм.
Нити ворса у своего основания проходят через слой сублимирующего материала, например, на основе солей аммония, задачей которого является предохранение герметичной оболочки от теплового разрушения. Температура сублимации определяется температурой теплового разрушения оболочки. Этот материал не должен препятствовать сворачиванию и разворачиванию гибкой оболочки, т.е. должен обладать большой деформативной способностью.
Сублимирующий материал также может быть нанесен на нити ворса или выполнен в виде отдельных.
Гибкий сопловой насадок работает следующим образом. После поступления команды на приведение гибкого соплового насадка (2) из транспортного в рабочее положение специальные устройства раздвигают насадок. После включения двигателя продукты сгорания заполняют сопло, сверхзвуковой поток обтекает стенки сопла. При обтекании стенок сопла образуется пограничный слой, который воздействует на выступающую часть ворсового слоя, образованного теплоэрозионностойкими нитями (6). За счет ограничения выступания нитей и их ориентации вдоль стенки насадка в сторону выходного сечения возникают слабые возмущения при взаимодействии с потоком, имеющим меньшую скорость V, в результате чего нити сохраняются дольше, не подвергаясь эрозионному воздействию. По мере прогрева тепловой поток поступает вдоль нитей по направлению к внутренней стенке оболочки. При достижении температуры, достаточной для сублимации материала (5), продукты возгонки проходят между нитями и попадают в поток продуктов сгорания. В результате сублимирующий материал предохраняет оболочку (3) от теплового воздействия и разрушения, не допуская повышения температуры внутренней поверхности оболочки больше температуры сублимации.
Предлагаемое изобретение позволяет повысить защиту гибкого соплового насадка от теплоэрозионного воздействия потока высокотемпературных продуктов сгорания топлива на протяжении всего времени работы ракетного двигателя.