ЖИДКОСТНЫЙ РАКЕТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ С ДЕФЛЕКТОРОМ ВНУТРИ СОПЛА
LIQUID-PROPELLANT ROCKET ENGINE WITH DEFLECTOR INSIDE NOZZLE

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 России №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, 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 проушены для закрепления к рулевым агрегатам (патент России №2579294 F02K 9/80, 2015).
Известен ЖРД (принятый за прототип), содержащий 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 изобретению на охлаждаемой части сопла и неохлаждаемом насадке выполнены бурты округлой формы 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 с торцевой поверхностью дефлектора, являющейся продолжением профилированной поверхности сопла при их нахождении в исходном положении (патент России №2657400).
Недостатком данной конструкции является:
- низкая надежность дефлектора. При погружении дефлектора в поток существенно изменяются условия работы. Повышается температура на поверхности руля, кроме того усиливается обтекание газового потока возле его рабочей поверхности. Все это приводит к значительному уносу материала с поверхности дефлектора;
- наличие уноса материала с поверхности дефлектора приводит к сокращению срока работы дефлектора.
Предлагаемое изобретение устраняет указанные недостатки прототипа и решает техническую задачу повышения надежности конструкции дефлектора и увеличению срока работы дефлектора.
Поставленная техническая задача решается тем, что жидкостный ракетный двигатель, содержащий магистраль горючего, камеру с охлаждаемой сверхзвуковой частью сопла, неохлаждаемый насадок из углерод-углеродного композиционного материала, соединенных между собой с помощью разъемного соединения, рулевые агрегаты и раму, на охлаждаемой части и неохлаждаемом насадке бурты округлой формы имеющие эквидистантные поверхности с графитовым покрытием, между которыми установлены четыре дефлектора округлой формы из углерод-углеродного композиционного материала, внутренние и наружные поверхности которых идентичны по форме поверхностям буртов, с осью вращения, расположенной перпендикулярно к оси охлаждаемой части сопла, и с торцевой поверхностью дефлектора, являющейся продолжением профилированной поверхности сопла при их нахождении в исходном положении, согласно изложению, в районе стыка охлаждаемой сверхзвуковой части сопла с частями дефлектора на охлаждаемой части выполнено четыре коллектора, полость которых с помощью ряда отверстий, направленных на части дефлектора, соединена с газовой полостью камеры, а входные патрубки коллекторов соединены с двигательной магистралью горючего.
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. Горючее в коллектора расположенные в районе стыка охлаждаемой части сопла с частями дефлектора не поступает.
- При погружении части дефлектора в сверхзвуковой газовый поток в коллектор примыкающий к этой части дефлектора начинает поступать горючее, которое через ряд отверстий, направленных на дефлектор, натекает на дефлектор, организуя завесное охлаждение, которое защищает рабочую поверхность от высокотемпературного газового потока. По мере погружения части дефлектора в поток происходит увеличение расхода горючего натекающего на рабочую часть дефлектора.
Сущность предлагаемого изобретения поясняется схемами, показанными на фиг. 1 и 2.
ЖРД с дефлектором внутри сопла (фиг. 1) содержит камеру сгорания с охлаждаемой частью сопла 1, округлый бурт на сопле 2, округлый бурт 3 на насадке 4, дефлектор 5 расположенный между эквидистантными поверхностями с графитовым покрытием данных поверхностей, коллектор 6 расположенный на охлаждаемой части сопла 1 с входным патрубком 7 и отверстиями, направленными на дефлектор, 8, кронштейн 9, рулевые агрегаты 10, раму двигателя 11.
На фиг. 2 показано расположение четырех дефлекторов 5 в двух взаимно перпендикулярно расположенных плоскостях, причем один дефлектор (верхний) показан в рабочем положении, а остальные в исходном положении. Напротив дефлекторов расположены отверстия 8, соединенные с полостью коллекторов 6, направленные на дефлектор.
ЖРД с дефлектором внутри сопла работает следующим образом.
При необходимости получения бокового управляющего усилия в какой-либо плоскости по команде от системы управления ракеты-носителя подается сигнал на соответствующий рулевой агрегат 10, который через кронштейн 9 поворачивает дефлектор 5 вокруг оси расположенной на охлаждаемой части сопла камеры 1. Дефлектор 5 погружается в струю газа, истекающую из сопла камеры 1, создавая в этой плоскости боковое управляющее усилие.
В соответствии с циклограммой работы двигателя одновременно с погружением соответствующего дефлектора в газовый поток из двигательной системы горючего через входной патрубок 7 и соответствующий коллектор 6 и отверстия 8, направленные на дефлектор, горючее натекает на рабочую поверхность дефлектора 5. В результате погружения дефлектора 5 в газовую струю на поверхности дефлектора повышается статическое давление, которое участвует в создании бокового управляющего усилия. Горючее вытекающее из отверстия 8 натекает на рабочую поверхность дефлектора 5 в результате чего образуется завесное охлаждение дефлектора, что существенно снижает температуру на дефлекторе.
После завершения работы управляющего усилия дефлектор возвращается в исходное положение и прекращается подача горючего на поверхность дефлектора. При необходимости получения управляющего усилия в другой плоскости вступает в работу соответствующий дефлектор 5 и коллектор 6 с подачей горючего на его поверхность.
Таким образом, использование коллектора с отверстиями расположенными напротив дефлектора позволяет существенно снизить температурный режим работы дефлектора, что существенно уменьшит унос материала с рабочей поверхности дефлектора, повышает его надежность и увеличивает срок эксплуатации.