Двигательная установка
PROPULSION SYSTEM

Предлагаемое изобретение относится к области ракетной техники и может найти применение в двигательных установках, работающих на твердом топливе, и автономных бортовых источниках энергии.
Известна двигательная установка, содержащая камеру сгорания с пороховым зарядом, воспламенитель, сопловой блок с посадочным местом под обойму с сопловым вкладышем, сопловой вкладыш, закритический вкладыш из термостойкой пластмассы и теплозащитную вставку со стороны камеры сгорания, принятая авторами за аналог. (Патент RU №2189483 по заявке №2000129287 с приоритетом от 22.11.2000 г., опубликован 20.09.2002 г., Бюл. №26). Известная конструкция имеет малую массу и обеспечивает надежную работу в условиях интенсивного нагрева и высокого давления при работе двигательной установки с камерой сгорания, выполненной из композиционного материала. Надежная работа соплового блока в двигательной установке известной конструкцией обеспечивается при высоких секундных расходах продуктов горения заряда твердого ракетного топлива (>5 кг/с) и относительно малом времени работы (до 3 с). При увеличении времени работы и ступенчатых перепадах давления в камере сгорания даже при уменьшении секундного расхода продуктов горения заряда твердого ракетного топлива конструкция, принятая за аналог, не сможет обеспечить требуемую надежность работы. Это обусловлено тем, что элементы соплового блока работают в условиях неравномерного нестационарного нагрева, приводящего к возникновению в них значительных напряжений, снижению физико-механических характеристик используемых конструкционных материалов. В конструкции аналога при увеличении времени работы возможно растрескивание вкладыша, так как его внутренняя поверхность при длительном нагреве под действием давления деформируется (увеличивается в диаметре), а наружная поверхность, контактирующая с внутренней юбкой обоймы, выполненной из более прочного материала, испытывает сжимающие напряжения. Отвод тепла от вкладыша к наружной юбке осуществляется только через тонкостенный корпус, в результате чего во вкладыше может возникать изгибающий момент, который также может привести к растрескиванию вкладыша. При длительном воздействии продуктов сгорания топлива может происходить интенсивный неравномерный унос материала теплозащитной вставки со стороны камеры сгорания, в результате чего может возникнуть асимметрия потока в сопле, ведущая к возникновению недопустимого эксцентриситета тяги. Наличие нескольких зон контакта материалов с различными физико-механическими характеристиками при длительном времени работы двигательной установки может привести к образованию на внутренней поверхности сопла ступенек из-за неравномерного уноса материалов. Это приведет к росту потерь тяги двигательной установки и увеличению боковых сил, действующих на различные участки сопла, что может привести к его частичному или полному разрушению.
Известна двигательная установка (ДУ), принятая авторами за прототип, содержащая камеру с сопловыми бобышками, в отверстия которых вставлены вкладыши с соплами, пластмассовый экран, пороховой заряд и воспламенитель. (ПТУРС 9М113. Техническое описание и инструкция по эксплуатации. - Военное издательство Министерства обороны СССР, Москва - 1978, 96 с., стр. 19-21).
Сопловые бобышки вварены в сферическое днище камеры двигательной установки. Внутренняя поверхность днища камеры двигательной установки и место стыка бобышек с днищем защищены от нагрева пластмассовым экраном. В бобышках по их оси выполнены ступенчатые сквозные отверстия для установки вкладыша с соплом. В экране напротив отверстий бобышек выполнены отверстия для установки вкладышей. Вкладыши выполнены из эрозионностойкого жаропрочного металла, способного сохранять геометрические размеры в условиях длительного воздействия высокотемпературного газового потока.
Конструкция обеспечивает надежную работу ДУ в течение относительно длительного времени (~ 10-15 с) и работоспособна при ступенчатом изменении давления в камере. За счет высокой теплопроводности материалов вкладыша и бобышки обеспечивается отвод тепла в стальную бобышку и далее, через ее поверхность, в обтекающий ракету воздушный поток без снижения прочности конструкционных материалов в зоне контакта вкладыша с бобышкой. Также конструкция прототипа позволяет за счет установки бобышек под углом относительно оси снаряда обеспечить его вращение по углу крена.
Однако, при увеличении времени работы двигательной установки применение конструкции, реализованной в прототипе, приведет к недопустимому увеличению массы конструкции, так как при большом времени работы радиальный перепад температуры во вкладыше будет уменьшаться, а осевые тепловые потоки во вкладыше вырастут, и для обеспечения допустимой температуры в зоне контакта вкладыша с бобышкой необходимо будет увеличивать их толщину, что также не всегда возможно по компоновочным ограничениям.
Кроме того, в конструкции прототипа при большом времени работы с определенного момента времени будет происходить интенсивный унос материала экрана, что может привести к недопустимому уменьшению его толщины в месте контакта с бобышками и потере прочности элементами конструкции камеры двигательной установки и их прогару или разрушению под действием давления.
Задачей предполагаемого изобретения является обеспечение надежности двигательной установки с относительно большим временем работы при сохранении минимальной массы ее конструкции.
Решение поставленной задачи достигается двигательной установкой, содержащей камеру с сопловыми бобышками, в отверстиях которых вставлены вкладыши с соплами, экран, пороховой заряд и воспламенитель, в которой вкладыши выполнены составными - в виде обоймы и помещенной по оси каждого вкладыша втулки с соплом, длина которой меньше длины обоймы, при этом на втулке со стороны камеры выполнен фланец, втулка установлена с осевым и радиальным зазорами относительно обоймы и скреплена с ней теплозащитным материалом, причем теплозащитный материал нанесен на внутреннюю поверхность обоймы по всей ее длине, а закритическая часть сопла вкладыша выполнена частично во втулке, а частично в теплозащитном материале, вкладыши установлены в камеру сгорания с упором в ее внутреннюю поверхность и зафиксированы с помощью экрана из теплозащитного материала, скрепленного со стенками камеры и наружной поверхностью вкладышей, а на внутренней поверхности обоймы за местом контакта с камерой выполнено обнижение.
Образующие поверхности фланца и цилиндрические образующие внутренней и наружной поверхностей втулки сопряжены радиусами, большими радиусов соответствующих цилиндрических поверхностей втулки.
Обнижение на внутренней поверхности обоймы выполнено трапециевидным, сужающимся в направлении оси вкладыша.
В стенке обоймы выполнены радиальные отверстия с конической образующей поверхностью, заполненные теплозащитным материалом.
Наружная поверхность обоймы выполнена ступенчатой, с уменьшающимся в сторону закритической части диаметром.
На наружной поверхности втулки выполнены канавки прямоугольного сечения.
На наружной поверхности обоймы и теплозащитного материала в месте их скрепления выполнена кольцевая канавка.
Закритическая часть сопла в теплозащитном материале выполнена асимметричной.
В предложенной конструкции втулка с фланцем, выполненным со стороны камеры, изготовленная из эрозионностойкого жаропрочного металла с высокой теплопроводностью, обеспечивает постоянство геометрических размеров газоходного тракта сопла в течение длительного времени работы.
Теплозащитный материал, помещенный в зазоры между обоймой и втулкой, обеспечивает скрепление между собой втулки и обоймы, а также отвод тепла с наружной поверхности втулки к обойме, обеспечивая в зоне контакта с обоймой температуру, меньшую температуры, при которой начинается падение прочности конструкционного материала обоймы. Так как плотность теплозащитного материала в несколько раз меньше плотности металлов, используемых для изготовления втулки и обоймы, обеспечивается уменьшение массы конструкции.
Обойма из металла обеспечивает отвод тепла через свою поверхность в дно камеры, обтекающий ракету воздушный поток и частично - в контактирующие с ней элементы конструкции снаряда.
Фланец, выполненный на втулке со стороны камеры, предохраняет теплозащитный материал, помещенный в зазоры между обоймой и втулкой, от прямого контакта с продуктами сгорания порохового заряда. В результате интенсивный контактный теплообмен материала втулки с теплозащитным материалом начинается после завершения разгонного режима работы двигательной установки, когда уровень давления в ДУ снижается в 2-3 раза и соответственно снижается интенсивность конвективного теплообмена между газовым потоком и втулкой. В результате теплозащитный материал, не подверженный непосредственному воздействию скоростного газового потока дольше сохраняет свои физико-механические характеристики.
Выполнение закритической части сопла частично во втулке, а частично в теплозащитном материале, позволяет уменьшить массу конструкции, так как тепловой поток и давление на стенки сопла значительно снижаются по направлению от минимального сечения сопла к его выходной части.
Установка вкладышей с соплами непосредственно в камеру сгорания с упором в ее внутреннюю поверхность и фиксация их с помощью экрана из теплозащитного материала, скрепленного со стенками камеры и поверхностью вкладышей обеспечивает снижение массы конструкции за счет отказа от бобышек и дополнительных крепежных узлов. Фиксация вкладышей теплозащитным материалом уменьшает тепловой поток во вкладыши (во фланец втулки), что также позволяет уменьшить массу конструкции и повысить надежность ее работы.
Выполнение на внутренней поверхности обоймы за местом контакта с камерой обнижения позволяет уменьшить осевой тепловой поток в закритическую часть сопла, выполненную из теплозащитного материала, и направить его в обойму и далее в обтекающий ракету воздушный поток.
Выполнение сопряжения образующих поверхностей фланца и внутренней и наружной цилиндрических образующих поверхностей втулки радиусами, большими радиусов цилиндрических поверхностей, обеспечивает:
- снижение интенсивности конвективного теплообмена за счет безотрывного течения продуктов сгорания порохового заряда по соплу;
- отсутствие отслоений теплозащитного материала от втулки при заполнении зазора теплозащитным материалом в процессе изготовления.
Выполнение обнижения на внутренней поверхности обоймы трапециевидным, сужающимся в направлении оси вкладыша, позволяет ускорить отвод тепла в радиальном направлении от теплозащитного материала, помещенного в зазор между втулкой и обоймой.
Радиальные отверстия с конической образующей поверхностью, выполненные в стенке обоймы, заполненные теплозащитным материалом, обеспечивают снижение массы и повышают надежность скрепления обоймы с теплозащитным материалом.
Выполнение наружной поверхности обоймы ступенчатой, с уменьшающимся в сторону закритической части диаметром, позволяет уменьшить массу конструкции.
Выполненные на наружной поверхности втулки канавки прямоугольного сечения увеличивают за счет контактной поверхности прочность соединения втулки и теплозащитного материала и обеспечивают лучший отвод тепла от втулки.
Выполнение на наружной поверхности обоймы и теплозащитного материала в месте их скрепления кольцевой канавки повышает надежность скрепления вкладышей с соплами с камерой за счет затекания в нее теплозащитного материала экрана при его изготовлении.
Выполнение закритической части сопла в теплозащитном материале асимметричной позволяет формировать направление потока на выходе из сопла необходимым образом, например для уменьшения воздействия на расположенные за ДУ отсеки, что также в ряде случаев позволяет снизить массу конструкции снаряда за счет уменьшения толщины теплоизоляции или отказа от нее.
В графических материалах представлена конструкция двигательной установки (фиг. 1 - общий вид ДУ, фиг. 2 и 3 - конструкция сопловых вкладышей в увеличенном масштабе).
ДУ содержит камеру 1, вкладыши с соплами 2, экран 3, пороховой заряд 4 и воспламенитель 5. Вкладыши 2 выполнены составными - в виде обоймы 6 и помещенного по оси вкладыша втулки 7 с соплом 8. На втулке 7 со стороны камеры выполнен фланец 9. Втулка 7 установлена относительно обоймы 6 с осевым 10 и радиальным 11 зазорами. В зазоры 10, 11 между обоймой и втулкой помещен теплозащитный материал 12. Закритическая часть 13 сопла 8 выполнена частично во втулке 7, частично в теплозащитном материале 12. Вкладыши с соплами 2 установлены непосредственно в камеру 1 с упором в ее внутреннюю поверхность 14 и зафиксированы с помощью экрана 3 из теплозащитного материала, скрепленного со стенками камеры 1 и поверхностью вкладышей 2. На внутренней поверхности обоймы 6 за местом контакта с камерой выполнено обнижение 15.
Образующие поверхности фланца 9 и цилиндрические образующие внутренней и наружной поверхностей втулки 7 сопряжены радиусами, большими радиусов соответствующих цилиндрических поверхностей.
Обнижение 15 на внутренней поверхности обоймы 6 выполнено трапециевидным.
В стенке обоймы 6 за диаметральным обнижением 15 выполнены радиальные отверстия 16 с конической образующей поверхностью, заполненные теплозащитным материалом 12.
Наружная поверхность обоймы 6 выполнена ступенчатой, с уменьшающимся в сторону закритической части 13 диаметром.
На наружной поверхности втулки 7 выполнены канавки 17 прямоугольного сечения.
На наружной поверхности обоймы 6 и теплозащитного материала 12 в месте их скрепления выполнена кольцевая канавка 18.
Закритическая часть 13 сопла 8 в теплозащитном материале 12 выполнена асимметричной.
Двигательная установка работает следующим образом. При срабатывании воспламенителя 5 происходит зажжение заряда 4, продукты сгорания которого заполняют свободный объем камеры 1 и истекают через сопла 8, создавая реактивную силу. Под температурным воздействием продуктов сгорания заряда 4 в соплах 8 возникают осевые и радиальные тепловые потоки.
Интенсивность осевого теплового потока уменьшает экран 3, с помощью которого зафиксированы вкладыши 2, предотвращая перегрев фланца 9, который в свою очередь предохраняет теплозащитный материал 12, заполняющий осевой 10 и радиальный 11 зазоры между втулкой 7 и обоймой 6 вкладыша 2 от прямого контакта с продуктами сгорания заряда 4. Далее с помощью обнижения 15 тепловой поток частично перенаправляется в обойму 6 и в обтекающий ракету воздушный поток, предотвращая перегрев закритической части сопла, выполненный из теплозащитного материала.
В радиальном направлении тепловой поток от продуктов сгорания через жаростойкий материал втулки 7 передается в теплозащитный материал 12, и отводится через обойму 6 в дно камеры 1 и далее в обтекающий ракету воздушный поток. Втулка 7 обеспечивает постоянство геометрических размеров газоходного тракта сопла 8, а выполненные на ее наружной поверхности канавки прямоугольного сечения 17 обеспечивают лучший отвод тепла от нее, что повышает ее стойкость.
Благодаря тому, что вкладыши 2 установлены непосредственно в камеру 1 с упором в ее внутреннюю поверхность и зафиксированы с помощью экрана 3 через кольцевые канавки 18, обеспечивается их надежная фиксация без применения дополнительных крепежных элементов, что позволило уменьшить массу конструкции двигателя. Кроме того уменьшить массу конструкции позволяет выполнение закритической части 13 сопла 8 в теплозащитном материале и выполнение наружной поверхности обоймы 6 ступенчатой, с уменьшающимся в сторону закритической части 13 диаметром.
Оптимальное соотношение радиусов сопряжения поверхностей втулки 7 и фланца 9 снижает интенсивность конвективного теплообмена за счет безотрывного течения продуктов сгорания порохового заряда 4 по соплу 8 и обеспечивает лучший отвод тепла от втулки 7 и фланца 9 за счет отсутствия отслоений теплозащитного материала 12 от них.
Поток продуктов сгорания истекая из закритической части 13 сопла 8, благодаря ее асимметрии формируется в требуемом направлении и в меньшей степени воздействует на расположенные за РМДУ отсеки.
Реализация предполагаемого изобретения позволяет обеспечить в элементах конструкции разгонно-маршевой двигательной установки с относительно большим временем работы температурный режим, при котором к моменту окончания работы РМДУ температура конструкционных и теплозащитных материалов не достигает предельно допустимых значений. В результате обеспечивается требуемая надежность при минимальной массе конструкции.