РАКЕТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА
SOLID PROPELLANT ROCKET ENGINE

Изобретение относится к области ракетной техники, а именно к ракетным двигателям твердого топлива (РДТТ) и к зарядам твердого ракетного топлива различного назначения, и может быть использовано при разработке РДТТ с зарядами, скрепленными с корпусом двигателя.
Одной из основных задач при создании конструкций РДТТ является повышение их энергетических характеристик за счет максимального объемного заполнения твердым ракетным топливом камеры двигателя. Для эффективного использования энергетических возможностей двигателя характер диаграммы тяги должен быть нейтральным, а дегрессивно-догорающие остатки топлива минимальными.
В некоторых случаях дополнительно к изложенным выше требованиям необходимо иметь повышенный уровень тяги на начальном участке работы двигателя, в других - увеличить время выхода двигателя на рабочий режим.
Классические канально-щелевые конструкции зарядов (см. книги Абугова Д.И., Бобылева В.М. Теория и расчет ракетных двигателей твердого топлива. - М.: Машиностроение, 1987, с 84, 85; Фахрутдинов И.Х., Котельников А.В. Конструкция и проектирование ракетных двигателей твердого топлива. - М.: Машиностроение, 1987, с.53) со щелями прямоугольного или близкого к нему профиля позволяют обеспечить нейтральный характер диаграммы тяги при минимальном значении дегрессивно-догорающих остатков топлива и высоком уровне объемного заполнения топливом камеры двигателя.
Недостатками таких конструкций являются:
- невозможность получить нейтральный характер диаграммы тяги при малом удлинении заряда (отношение длины L к наружному диаметру Д заряда);
- невозможность получить повышенный уровень тяги на начальном участке при нейтральном характере основного участка диаграммы.
Известен заряд ракетного твердого топлива по патенту RU №2221158, заявл. 03.02.2003, опубл. 10.01.2004, содержащий корпус, прочно скрепленный с ним топливный блок с каналом круглой формы и щелевой частью, в котором канал выполнен с соотношением диаметров в щелевой и круглой части 1,10…1,13, вершины щелей расположены на конической поверхности с полууглом раскрытия 5…8°, одновременно являющейся переходной от одного участка канала к другому, а угол раскрытия щелей равен 10…12°.
Данная конструкция заряда не является оптимальной как с точки зрения объемного заполнения камеры двигателя топливом, так и с точки зрения напряженно-деформированного состояния (НДС) заряда:
- канал заряда по всей длине щелевой части выполнен с увеличенным на 10…13% диаметром, то есть свод заряда в щелевой части меньше, чем на остальном участке заряда;
- щель выполнена треугольного профиля с углом наклона 10…12°. Известно, что с точки зрения НДС оптимальным углом наклона является 30…60°.
Наиболее близким по технической сути и достигаемому техническому результату к заявляемому изобретению является ракетный двигатель по патенту RU №2298110, F02K 9/18, заявл. 2005113460106, опубл. 20.11.2006, принятый за прототип. Он содержит корпус, переднее и сопловое днища, заряд твердого топлива, имеющий щели со стороны переднего днища, свод заряда увеличивается по направлению к сопловому днищу двигателя за счет перехода цилиндрического канала в сужающийся в сторону соплового днища конус, а щели расположены симметричными парами.
Задачей прототипа является повышение объемного заполнения камеры сгорания и использование топлива для тепловой защиты корпуса двигателя при обеспечении нейтральной диаграммы тяги двигателя.
Однако такая конструкция может быть применена лишь в двигателях, в которых достаточно сильно проявляется эффект эрозионного горения топлива, кроме того, для возникновения эрозионного горения нужна достаточно высокая скорость газового потока в камере, что сокращает время пребывания продуктов сгорания в камере, приводит к возникновению неполноты сгорания топлива и, как следствие, увеличению потерь удельного импульса тяги, то есть к неоптимальному использованию энергии топлива.
Задачей предлагаемого технического решения является увеличение объемного заполнения камеры сгорания двигателей, в которых эффект эрозионного горения топлива практически не проявляется, а также получение диаграммы тяги, имеющей повышенное значение на начальном участке работы и нейтральный характер на основном при минимальной массе дегрессивно-догорающих остатков топлива.
о
о
о
о
о
о
Поставленная задача достигается тем, что заряд выполнен из трех участков. На первом участке толщина горящего свода топлива увеличивается от (0,9…0,99)е до требуемого значения е которое определяется временем работы двигателя, на втором участке толщина горящего свода увеличивается от значения едо (1,1…1,3)е, а третий участок выполнен с постоянной толщиной горящего свода (1,1…1,3)е. На канале первого участка заряда может быть нанесено покрытие из полимерного материала с постоянной или уменьшающейся в сторону соплового днища толщиной. На втором и третьем участках заряда выполнены щели треугольного и прямоугольного профиля, объединенные в две симметрично расположенные группы с равномерным расположением щелей в каждой из групп. Угол между соседними щелями прямоугольного профиля меньше, чем между щелями треугольного профиля, соотношение углов составляет 0,2…0,5. Высота щелей прямоугольного профиля меньше высоты щелей треугольного профиля и равна (0,1…0,3)е, а щели треугольного профиля выполнены с углом наклона вершины к оси двигателя 30…60°. Между щелями треугольного профиля могут быть выполнены щели прямоугольного профиля.
Совокупность конструктивных элементов, их взаимное расположение и соотношения их геометрических размеров позволяют:
- увеличить объемное заполнение камеры двигателя топливом, так как канал заряда выполнен последовательно расположенными сужающимся в сторону соплового днища конусом и цилиндром, соединенными сужающимся к сопловому днищу конусом;
- обеспечить работу двигателя с повышенным уровнем тяги на начальном участке за счет того, что щели выполнены двух различных конфигураций и высоты и объединены в две симметрично расположенные группы, в которых угол между соседними щелями прямоугольного профиля меньше, чем между щелями треугольного профиля;
- свести к минимуму дегрессивно-догорающие остатки топлива за счет выполнения щелей прямоугольного профиля между щелями треугольного профиля в сочетании с выбором угла наклона образующей канала на первом участке заряда;
- снизить градиент нарастания тяги при выходе двигателя на режим за счет нанесения на канал первого участка заряда покрытия из полимерного материала с постоянной или уменьшающейся в сторону соплового днища толщиной.
Сущность изобретения поясняется чертежами.
Фиг.1 - общий вид ракетного двигателя твердого топлива, где
о
1 - корпус; 2 - переднее днище; 3 - сопловое днище; 4 - заряд твердого топлива; 5 - щели треугольного профиля; 6 - покрытие из полимерного материала; α - угол наклона вершины щели 5 к оси двигателя; е - требуемая толщина горящего свода топлива, определяется временем работы двигателя.
Фиг.2 - поперечное сечение двигателя в месте расположения щелей, где 5 - щели треугольного профиля; 7 - щели прямоугольного профиля; β - угол между соседними щелями треугольного профиля; γ - угол между соседними щелями прямоугольного профиля, объединенными в группы.
о
Фиг.3 - вид щели прямоугольного профиля, где е - требуемая толщина горящего свода топлива, определяется временем работы двигателя; 7 - щель прямоугольного профиля; а - высота щели прямоугольного профиля.
Работа двигателя, выполненного в соответствии с предлагаемым изобретением, осуществляется следующим образом. В момент включения двигателя происходит загорание поверхности щелей 5,7 и канала между щелями, температура в камере двигателя повышается до температуры продуктов сгорания топлива, в результате чего начинается постепенный прогрев поверхности полимерного покрытия 6. Этот прогрев происходит неравномерно по длине канала, так как непосредственно у соплового днища 3, где происходит горение топлива, температура продуктов сгорания выше, чем у переднего днища 2. В результате этого происходит постепенное вскрытие и загорание поверхности канала, а следовательно, и постепенное увеличение тяги до тех пор, пока не воспламенится вся покрытая поверхность канала. Увеличивая или уменьшая толщину покрытия, а также делая ее переменной по длине, регулируется градиент изменения тяги на начальном участке работы. Так как заряд 4 имеет две разновидности щелей, сгруппированных определенным образом, то это дает следующий эффект. Щели прямоугольного профиля 7, имеющие высоту а, быстро вырождаются, что приводит к уменьшению поверхности горения и переходу двигателя на основной пониженный уровень тяги, нейтральный характер которого достигается за счет того, что вершины щелей 5 треугольного профиля постепенно достигают корпуса 1 двигателя, в результате чего поверхность щелей уменьшается постепенно и компенсирует прогрессивный характер изменения поверхности канала, величина прогрессивности поверхности канала также регулируется в конце работы двигателя углом конусности участка канала первой части заряда. Часть щелей прямоугольного профиля 7, расположенных между щелями треугольного профиля 5, сводит к минимуму дегрессивно-догорающие остатки топлива. Высота и длина щелей, угол α наклона вершины щелей 5, соотношение толщин свода топлива на всех трех участках заряда, толщина покрытия 6 определяются расчетным путем в каждом конкретном случае в зависимости от требований, предъявляемых к двигателю, и могут уточняться в процессе экспериментальной отработки.
Работоспособность двигателя, выполненного в соответствии с предлагаемым изобретением, подтверждена огневыми стендовыми испытаниями в опытных условиях ФГУП «НИИПМ».