ДВУХРЕЖИМНЫЙ РАКЕТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА
DOUBLE-DUTY SOLID PROPELLANT ROCKET ENGINE

Изобретение относится к ракетной технике и может быть использовано при создании имеющих большую тяговооруженность ракетных двигателей твердого топлива (РДТТ) с отсечкой тяги.
Известен [Управляемые энергетические установки на твердом ракетном топливе. / В.И.Петренко, М.И.Соколовский, Г.А.Зыков, С.В.Лянгузов и др. Под общ. ред. М.И.Соколовского и В.И.Петренко. - М.: Машиностроение, 2003, 464 с., ил., страница 167, рис.3.4] РДТТ, отсечка тяги которого производится посредством вскрытия сопел противотяги. Реализация такого устройства возможна при умеренной тяге двигателя (т.е. при умеренных размерах сопла и его критического сечения), когда сопла противотяги свободно компонуются на переднем (или заднем) днище двигателя. В случае когда требуется большая тяга (большой расход), поперечные размеры маршевого сопла приближаются к размерам днищ двигателя. На фиг.4 показано, как в таком двигателе компонуются (точнее - не компонуются) сопла противотяги, задача которых - создавать тягу, превышающую тягу от маршевого сопла.
В указанной ситуации в процессе отсечки тяги (или, в общем случае, переходе на новый режим тяги) целесообразно полностью (или частично) перекрывать (перенаправлять в другую сторону) газовый поток маршевого сопла, изначально направленный на создание маршевой тяги. Такую задачу выполняет сбрасываемое устройство дросселирования тяги (УДТ) [там же, страница 169, рис.3.5]. УДТ представляет собой зафиксированную пирозамком на раструбе маршевого сопла заглушку, в которой под углом к оси двигателя выполнены расходные отверстия (патент США № 3224681). Данное устройство применимо, если значение потребного суммарного импульса тяги на момент запуска двигателя уже известно. В случае когда логика полета основана на том, что необходимость перехода на пониженный режим (или отсечку) тяги формируется только в процессе работы двигателя, описываемое устройство неприменимо. Вместо того чтобы сбрасывать УДТ, его наоборот необходимо установить на маршевое сопло, ранее работавшее на обычном режиме (без дросселирования тяги).
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому положительному эффекту к предлагаемому изобретению является РДТТ с двухпозиционным соплом [Абугов Д.И., Бобылев В.М. Теория и расчет ракетных двигателей твердого топлива: Учебник для машиностроительных вузов. - М.: Машиностроение, 1987 - 272 с: ил., страницы 169-170, рис.10.8], критическое сечение которого изменяется ступенчатым образом при снижении давления в камере после выгорания стартовой части топливного заряда. В данной конструкции сопло первого режима перекрывается по команде (хотя и частично). Недостатком такого РДТТ является то, что перекрытие сопла первого режима может происходить не в любой момент времени, а привязано к моменту выгорания стартовой части топливного заряда. Если двигатель снарядить зарядом, имеющим нейтральную зависимость поверхности горения от свода, и пренебречь существенным повышением внутрикамерного давления при частичном перекрытии сопла, то перекрыть сопло можно в любой момент работы двигателя. Однако это вызовет противоположный эффект. Тяга двигателя не понизится, а наоборот, повысится. Данное устройство решает техническую задачу только в случае, если поток газа через сопло второго режима будет направлен в стороны от оси двигателя, а не соосно соплу первого режима. Реализовать такой разворот газового потока в данном устройстве проблематично.
Технической задачей настоящего изобретения является уменьшение габаритов двухрежимного РДТТ и его массы.
Сущность изобретения заключается в том, что в известном двухрежимном РДТТ, содержащем корпус, центральное сопло маршевого режима, соосный ему сопловой блок второго режима, установленный с возможностью осевого перемещения внутри корпуса и зафиксированный стопорным устройством, сопловой блок второго режима выполнен в виде цилиндрического газовода, наружный диаметр которого равен диаметру критического сечения сопла маршевого режима, на торце газовода установлено днище, снабженное штангой, проходящей через критическое сечение сопла маршевого режима, а на днище и газоводе в несколько рядов выполнены радиальные и (или) наклонные отверстия. Сопловой блок второго режима установлен на переднем днище корпуса посредством направляющего устройства. Площадь поперечного сечения штанги равна площади поперечного сечения стенки газовода. Суммарная проходная площадь радиальных и наклонных отверстий соплового блока второго режима равна площади критического сечения сопла маршевого режима. Днище соплового блока второго режима имеет вытянутую коническую или ступенчато-цилиндрическую форму, наружный и соответственно внутренний диаметры днища выполнены переменными по длине так, что площадь внутреннего проходного сечения данного участка днища равна суммарной площади радиальных и наклонных отверстий рядов, расположенных далее по потоку. Направляющее устройство выполнено в виде телескопически расположенных цилиндров. Один или несколько цилиндров направляющего устройства образуют гидротормоз, соответственно полость над ними заполнена жидкостью, а в цилиндрах выполнены сливные каналы. Сопловой блок второго режима снабжен ограничительным уступом, расположенным на наружной цилиндрической поверхности газовода у его входной части.
Технический результат достигается тем, что устройство уменьшения тяги не противостоит большой тяге маршевого сопла, а перенаправляет весь газовый поток через радиальные и наклонные отверстия соплового блока второго режима. Сопловой блок второго режима при этом получается компактным за счет того, что его суммарное критическое сечение не превышает (но и не меньше) критического сечения маршевого сопла, его отверстиям не требуется раструбов, т.к. требований по тяге к отверстиям не предъявляется. Проходящая через критическое сечение маршевого режима штанга обеспечивает постоянство критического сечения двигателя как до, так и после ввода в сопло газовода, частично перекрывающего проходную площадь сопла маршевого режима. Постоянство критического сечения обеспечивает отсутствие забросов внутрикамерного давления, т.е. не вызывает необходимости увеличения массы двигателя. На наружный торец штанги, находящейся в раструбе сопла маршевого режима, действует низкое давление. Таким образом, на сопловой блок второго режима постоянно действует сила, равная произведению внутрикамерного давления на площадь поперечного сечения штанги. Эта сила используется для начала выдвижения соплового блока второго режима при отсечке тяги.
Данное техническое решение не известно из патентной и технической литературы.
Изобретение поясняется следующими чертежами:
на фиг.1 показан двухрежимный РДТТ в исходном состоянии (и в состоянии работы на режиме маршевой тяги);
на фиг.2 показан двухрежимный РДТТ в момент отсечки тяги (перехода на новый режим работы);
на фиг.3 показана выноска А фиг.1;
на фиг.4 показана схема, иллюстрирующая проблематичность использования обычных сопел противотяги в РДТТ, имеющем большую тяговооруженность.
Двухрежимный РДТТ содержит корпус 1 и центральное сопло 2 маршевого режима. Внутри корпуса 1 соосно соплу 2 маршевого режима установлен с возможностью осевого перемещения сопловой блок 3 второго режима. Сопловой блок 3 второго режима установлен на переднем днище корпуса 1 посредством направляющего устройства 4 и зафиксирован относительно корпуса 1 стопорным устройством 5. Сопловой блок 3 второго режима выполнен в виде цилиндрического газовода 6, наружный диаметр которого равен диаметру критического сечения (диаметру горловины) сопла 2 маршевого режима. На торце газовода 6 установлено днище 7, снабженное штангой 8, проходящей через критическое сечение сопла 2 маршевого режима. Площадь поперечного сечения штанги 8 равна площади поперечного сечения стенок газовода 6. На днище 7 и газоводе 6 в несколько рядов выполнены радиальные 9 и (или) наклонные 10 отверстия. Суммарная проходная площадь радиальных 9 и наклонных 10 отверстий равна площади критического сечения сопла 2 маршевого режима. Под площадью критического сечения понимается проходная площадь горловины сопла 2 с учетом вычета площади поперечного сечения находящейся в ней штанги 8. Направление (вперед или назад) и величина наклона отверстий 10 зависит от необходимого характера второго режима работы РДТТ. Если второй режим работы соответствует отсечке (реверсу) тяги, то отверстия 10 наклонены вперед по полету (как показано на фиг.1 и фиг.2). Если на втором режиме работы требуется просто понизить тягу, то РДТТ изготавливается с наклоном отверстий 10 назад. Ряд отверстий, расположенный первым по потоку, состоит из радиально расположенных отверстий 9, т.к. первоначальное проходное сечение газовода 6 должно быть максимальным, т.е. иметь самую тонкую стенку. Потребная толщина стенки для наклонного отверстия 10 выше, чем для радиального 9. Днище 7 соплового блока 3 второго режима имеет вытянутую коническую или ступенчато-цилиндрическую форму. Наружный и соответственно внутренний диаметры днища 7 выполнены переменными по длине так, что площадь внутреннего проходного сечения данного участка днища 7 равна суммарной площади радиальных 9 и наклонных 10 отверстий рядов, расположенных далее по потоку. Такая форма днища 7 выбрана исходя из того, чтобы в любом промежуточном положении соплового блока 3 второго режима не происходило бы уменьшение площади критического сечения РДТТ в целом (или дополнительное перекрытие было минимальным) - см. описание работы устройства. Направляющее устройство 4 выполнено в виде телескопически раздвигаемых цилиндров 11 (см. фиг.3). На переднем днище корпуса 1 жестко закреплен цилиндр 11А. На него надет с возможностью осевого перемещения цилиндр 11Б, на который также надет цилиндр 11В. На цилиндр 11В надет с возможностью осевого перемещения сопловой блок 3 второго режима. Цилиндры 11 снабжены упорными буртиками 12. Сопловой блок 3 второго режима также снабжен упорным буртиком 13. Один или несколько цилиндров 11 направляющего устройства 4 образуют гидротормоз. Полости между этими цилиндрами 11 заполнены жидкостью 14, а в цилиндрах 11 выполнены сливные каналы 15. Сливные каналы 15 в исходном положении закрыты пробками. Сопловой блок 3 второго режима снабжен ограничительным уступом 16, расположенным на наружной цилиндрической поверхности газовода 6 у его входной части 17. Входная часть 17 образована радиальными окнами, выполненными в газоводе 6. Кроме того, на цилиндре 11А в непосредственной близости от переднего днища корпуса 1 выполнены окна 18, а напротив них, на газоводе 6 выполнены окна 19. Окна 18,19 обеспечивают удобство прохода газов от воспламенителя 20 к заряду при запуске РДТТ, исключают перепады давления на сопловой блок 3 второго режима и направляющее устройство 4 во время работы РДТТ на маршевом режиме, а окна 18 совместно с окнами 17 формируют более благоприятный вход газа в сопловой блок 3 второго режима во время отсечки тяги. РДТТ снаряжен зарядом 21.
Устройство работает следующим образом. При запуске двухрежимного РДТТ продукты сгорания от воспламенителя 20 через окна 18, 19 попадают на заряд 21, и РДТТ выходит на режим маршевой тяги. Внутри корпуса 1 и соплового блока 3 второго режима устанавливается внутрикамерное давление. Это давление действует на торец штанги 8, сопряженный с днищем 7 соплового блока 3 второго режима. На второй торец штанги 8, находящейся в раструбе сопла 2 маршевого режима, действует низкое давление. Таким образом, на сопловой блок 3 второго режима постоянно действует сила, равная произведению внутрикамерного давления на площадь поперечного сечения штанги 8. Эта сила используется для начала выдвижения соплового блока второго режима при отсечке тяги. При работе РДТТ на маршевом режиме сопловой блок 3 второго режима (на который действует указанная сила) удерживается на переднем днище корпуса 1 посредством стопорного устройства 5. По подаваемой на стопорное устройство 5 команде на отсечку тяги (переход РДТТ на второй режим тяги) происходит снятие жесткой связи между корпусом 1 и сопловым блоком 3 второго режима. Сопловой блок 3 второго режима под действием ранее указанной силы начинает движение по цилиндру 11B (см. фиг.3) в сторону сопла 2 маршевого режима. Вхождение днища 7 соплового блока 3 второго режима в критическое сечение сопла 2 маршевого режима не вызывает значительного изменения суммарной площади критического сечения двигателя в целом (соответственно, расхода продуктов сгорания и внутрикамерного давления). В момент когда через критическое сечение сопла 2 маршевого режима при движении соплового блока 3 второго режима прошел первый ряд радиальных отверстий 10, проходная площадь горловины сопла 2 маршевого режима уменьшилась за счет ее частичного перекрытия первой ступенькой днища 7. Однако к расходу продуктов сгорания РДТТ, протекающих через уменьшившуюся горловину сопла 2 маршевого режима, прибавляется расход через первый ряд наклонных отверстий 10 соплового блока 3 второго режима. Благодаря тому что суммарная проходная площадь первого ряда наклонных отверстий 10 равна разнице площадей проходных сечений первой ступеньки днища 7 и штанги 8, расход продуктов сгорания РДТТ остается неизменным. После прохождения горловины сопла 2 маршевого режима следующей ступеньки днища 7 (и следующего ряда наклонных отверстий 10) аналогичным образом происходит перераспределение следующей части расхода от сопла 2 маршевого режима к сопловому блоку 3 второго режима. Таким образом, в любом промежуточном положении соплового блока 3 второго режима не происходит уменьшение площади критического сечения РДТТ в целом (или дополнительное перекрытие является минимальным). На первой стадии движения соплового блока 3 второго режима (когда он еще не перекрыл сопло 2 маршевого режима), внутрикамерное давление действует только на нескомпенсированную площадь поперечного сечения штанги 8, поэтому особого торможения движению не требуется. При дальнейшем выдвижении нескомпенсированная площадь существенно возрастает (до площади горловины сопла 2 маршевого режима) и соответственно требуется торможение соплового блока 3 второго режима. В этот момент упорный буртик 13 соплового блока 3 второго режима касается упорного буртика 12 цилиндра 11B и тащит его за собой. При этом жидкость 14 вытекает через сливные каналы 15. За счет дросселирования перетекания жидкости 14 через сливные каналы 15, дальнейшее выдвижение соплового блока 3 второго режима происходит со значительным торможением. Торможение необходимо для минимизации ударных процессов в конечный момент выдвижения соплового блока 3 второго режима. В зависимости от конструктивного исполнения РДТТ окончание выдвижения происходит либо при контакте упорных буртиков 12 цилиндров 11Б и 11А (ограничительный уступ 16 соплового блока 3 второго режима при этом до сопла 2 не доходит), либо при контакте ограничительного уступа 16 и соплового блока 3 второго режима сопла 2 (контакт упорных буртиков 12 цилиндров 11Б и 11А при этом не происходит). Окончательно выдвинутый сопловой блок 3 второго режима (см. фиг.2) перенаправляет весь газовый поток через свои радиальные 10 и наклонные 9 отверстия. РДТТ далее работает на режиме пониженной тяги (или ее реверса).
Технико-экономическая эффективность предлагаемого изобретения, по сравнению с прототипом, в качестве которого выбран РДТТ с двухпозиционным соплом [Абугов Д.И., Бобылев В.М. Теория и расчет ракетных двигателей твердого топлива: Учебник для машиностроительных вузов. - М.: Машиностроение, 1987-272 с.: ил., страницы 169-170, рис.10.8], заключается в уменьшении габаритов двухрежимного РДТТ и его массы.