Поворотное сопло ракетного двигателя

Полезная модель относится к ракетной технике и может быть использована при создании ракетных двигателей.
В настоящее время в авиационной и ракетной технике все более широкое применение находят высокопрочные углепластики. Это вызвано тем, что их прочность в направлении волокон превосходит прочность конструкционных алюминиевых, титановых и стальных сплавов, а плотность ниже соответственно в два, три и пять раз. Например, в журнале «Авиационные материалы и технологии» №1 за 2014 г. была размещена реклама углепрепрега ВКУ-27 разработки ВИАМ с пределом прочности при растяжении 2100 МПа и модулем упругости 130 ГПа.
Известен фланец поворотного управляющего сопла (более употребительное название - неподвижный корпус сопла) РДТТ (патент РФ №2434160), выполненный из композиционного материала. Данный неподвижный корпус сопла широким торцем крепится к фланцу корпуса РДТТ, а к его узкому торцу крепится неподвижное опорное кольцо эластичного шарнира. К подвижному опорному кольцу шарнира крепится поворотный корпус сопла с вклеенным в него критическим вкладышем и с жестко прикрепленным к нему раструбом сверхзвуковой части газового тракта сопла. Неподвижный корпус сопла со стороны объема камеры сгорания покрыт герметичной оболочкой (герметизирующим слоем), которая, в свою очередь, покрыта теплозащитой из того же материала, что и теплозащита раструба. Данная конструкция принята за прототип.
Недостатком данной конструкции является то, что не используются в полной мере теплозащитные свойства несущих деталей сопла (поворотного и неподвижного корпусов), так как на их внутренней поверхности размещены герметизирующий слой и теплозащитное покрытие. Технология изготовления поворотного сопла трудоемка и сложна, так как необходимо соединять три различных материала: композиционный материал несущих деталей сопла, резину герметизирующего слоя и композиционный материал теплозащиты, при этом снижается надежность конструкции поворотного сопла.
Задачей полезной модели является повышение надежности конструкции поворотного сопла и улучшения технологии его изготовления за счет выполнения поворотного сопла ракетного двигателя из композиционного материала, обеспечивающей возможность использования теплозащитных свойств композиционного материала, применяемого для несущих деталей конструкции сопла.
Технический результат заключается в том, что функцию теплозащиты выполняет граничащий с продуктами сгорания слой материала несущих деталей сопла. При этом повышается технологичность и надежность конструкции сопла за счет уменьшения общего количества деталей в сборке и устранения клеевых соединений и, во многих случаях, снижается масса сопла за счет использования в качестве теплозащиты на участке снижения давления, который обычно имеет место во второй половине времени работы РДТТ, слоев материала несущих деталей сопла, со временем не требующихся для обеспечения несущей способности конструкции сопла.
Технический результат достигается тем, что в поворотном сопле ракетного двигателя, содержащем выполненные из композиционного материала неподвижный и поворотный корпуса, герметизирующий слой, на граничащие с окружающей средой поверхности неподвижного и поворотного корпусов нанесен герметизирующий слой, не имеющий выполненной специально для него теплозащиты, причем функцию последней выполняет граничащий с продуктами сгорания слой композиционного материала неподвижного и поворотного корпусов сопла.
Размещение герметизирующего слоя на поверхностях неподвижного и поворотного корпусов сопла, граничащих с окружающей средой, исключает необходимость специальной теплозащиты для него, так как исключает прямое воздействие на него продуктов сгорания, и позволяет использовать теплозащитные свойства материала несущих деталей сопла (неподвижного и поворотного корпусов), с обеспечением надежности конструкции и гарантированно предотвращает диффузию продуктов сгорания сквозь неподвижный и поворотный корпусы сопла. В качестве композиционного материала неподвижного и поворотного корпусов сопла можно применить углепластик.
В настоящее время углепластики с невысокой прочностью используются в качестве теплозащиты сверхзвуковой части газового тракта сопла, в узкой части которой условия теплового и эрозионного воздействия существенно, за счет высокой скорости газа, жестче, чем внутри корпуса двигателя. При передаче теплозащитной функции граничащему с продуктами сгорания слою несущих деталей сопла (конструкционному углепластику), в каждый момент работы двигателя в каждом сечении конструкции должно выполняться условие
НС
0
ПР
h≥h-h,
НС
где h - несущая (неповрежденная прогревом.) толщина сечения, обеспечивающая прочность сопла;
0
h - исходная толщина сечения;
ПР
h - прогретая (с деструктированным связующим) толщина сечения.
0
В связи с этим необходимо отметить, что кривые давления в РДТТ, как правило, имеют значительные участки снижения к концу работы двигателя, что ведет к снижению необходимой для прочности толщины пне, а следовательно, и исходной толщины h, т.е. к дополнительному снижению массы конструкции сопла.
Аналогично осуществляется защита поворотного корпуса сопла из композиционного материала от тепловых потоков со стороны критического вкладыша. Традиционно для этого между вкладышем и поворотным корпусом сопла устанавливается дополнительная теплозащитная деталь из углепластика с невысокой прочностью, что делает конструкцию менее технологичной и менее надежной. В предлагаемой конструкции функцию этой детали выполняет граничащий с вкладышем слой композиционного материала поворотного корпуса сопла.
На фигуре показана схема поворотного сопла ракетного двигателя из композиционного материала. Оно состоит из неподвижного корпуса сопла 1, эластичного шарнира 2, поворотного корпуса сопла 3, герметизирующего слоя 4, критического вкладыша 5. К поворотному корпусу сопла 3 жестко крепится раструб сверхзвуковой части газового тракта сопла 6. Неподвижный корпус сопла 1 жестко прикреплен к фланцу корпуса двигателя 7. В качестве материала герметизирующего слоя может использоваться смесь резиновая 51-2186 ТУ 38.105.1720-96, используемая как для податливых слоев эластичных шарниров, так и для защитных мембран последних, устанавливаемых на поверхность, обращенную внутрь камеры сгорания. Эластичный шарнир может быть выполнен с пластиковыми тарелями в соответствии с патентом РФ № 2540356.
Такое техническое решение позволяет использовать теплозащитные свойства композиционных материалов, из которых изготавливаются несущие детали сопла, повысить их технологичность и надежность за счет сокращения в сборке количества деталей и клеевых соединений, снизить их массу.