ЖИДКОСТНЫЙ РАКЕТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ
LIQUID-PROPELLANT ENGINE

Изобретение относится к области энергетических установок, а именно - к ракетным двигателям, и может быть использовано при оптимизации массово-энергетических характеристик жидкостных ракетных двигателей (ЖРД), а именно - при разработке и создании камер ЖРД с неохлаждаемой удаляемой сопловой вставкой.
Сопло ЖРД оптимизировано для определенных условий и не может одинаково эффективно работать в широком диапазоне высот и давлений - от старта до выхода на орбиту.
Высотные ЖРД, работающие по всей траектории полета, на первом участке, в плотных слоях атмосферы, работают на нерасчетном режиме, т.к давление истекающих продуктов сгорания оказывается ниже давления окружающей атмосферы, что приводит к потерям среднетраекторного удельного импульса тяги.
Для снижения потерь среднетраекторного удельного импульса тяги, в сопле ЖРД устанавливают и удерживают в течение заданного времени неохлаждаемую удаляемую вставку, представляющую собой профилированную оболочку, длина, выходной диаметр и степень расширения которой ниже, чем степень расширения основного сопла. По истечении определенного времени полета и набора заданной высоты вставку удаляют при помощи специальных механизмов. В этом случае в сопле обеспечивается два режима работы с различными параметрами на срезе сопла. На первом участке полета, расширение продуктов сгорания происходит во вставке, с более низкой степенью расширения и давлением на срезе вставки, близким к давлению окружающей среды. На втором участке полета, после удаления вставки, расширение продуктов сгорания происходит в сопле, с расчетным давлением на срезе сопла, близким к давлению окружающей среды.
Одной из основных тенденций в современном двигателестроении является замена металлических деталей и узлов на детали и узлы, выполненные из композиционных материалов (КМ), в частности из углерод-углеродных и углерод-керамических композиционных материалов (УУКМ и УККМ соответственно).
3
УУКМ и УККМ обладают рядом уникальных свойств. Они сохраняют высокие физико-механические характеристики до очень высоких температур (более 2000 К), обладают хорошей эрозионной стойкостью, имеют плотность на уровне 1300…2000 кг/м.
Одна из основных областей применения этих материалов в ЖРД - это неохлаждаемые сопловые удаляемые вставки. Проведенные в России экспериментальные исследования показывают, что вставки из УУКМ можно устанавливать, начиная с температуры стенки 1400…1500К, а НСН из УККМ - с температуры стенки 1600…1800К.
Однако широкое распространение камер ЖРД с удаляемой вставкой из КМ до настоящего времени ограничивается сложностью создания механизма крепления и удаления неохлаждаемой вставки из регенеративно охлаждаемого сопла ЖРД, т.к. при этом необходимо обеспечить надежную работу вставки и удержание ее в высокоскоростном потоке продуктов сгорания в течение заданного периода времени, а также учесть значительную разницу в коэффициентах температурных расширений металлических и неметаллических элементов узла стыка.
Известен механизм крепления неохлаждаемой вставки в сопле жидкостного ракетного двигателя, содержащий профилированную вставку с опорной поверхностью, регенеративно охлаждаемое сопло с ответными опорными местами для крепления механизмов удаления вставки из сопла, механизмы крепления вставки в сопле и удаления ее из сопла, взаимодействующие с опорной поверхностью вставки и с ответными опорными местами на сопле (Синярев Г.Б., Добровольский М.В. Жидкостные ракетные двигатели, Теория и проектирование, М.: Государственное издательство оборонной промышленности, 1955 г., 498 с. Стр.122, рис.54 - прототип).
Основными недостатками данного механизма являются значительные габариты и вес, сложность удержания вставки в сопле и удаления вставки из сопла.
Задачей изобретения является устранение указанных недостатков и создание механизма крепления и удаления вставки в сопле ЖРД, конструкция которого позволит требуемую надежность работы.
Решение указанной задачи достигается тем, что в предложенном жидкостном ракетном двигателе, содержащем камеру с сопловой вставкой, механизм удержания и удаления вставки, размещенный в сопле камеры и взаимодействующий с ответными местами сопла и вставки, турбонасосный агрегат, агрегаты управления, согласно изобретению, механизм удержания и удаления вставки выполнен в виде трапецеидальных сегментов, установленных между вставкой и соплом и взаимодействующих с ответными местами сопла и вставки, причем меньшее основание трапецеидальных сегментов обращено к минимальному сечению камеры, а большее - к срезу сопла и при помощи разрывных тяг связано с ответными местами для крепления вставки на коллекторе сопла, при этом ответные места на вставке выполнены в виде чередующихся равнорасположенных выступов, наружная сторона которых выполнена конической профилированной, с уменьшением диаметра к срезу сопла, и повторяющей профиль ответной части трапецеидального сегмента.
Для улучшения массово-габаритных характеристик камеры ЖРД с неохлаждаемой сопловой вставкой, опорное место на сопле для крепления механизмов удаления вставки выполнено в виде разъемных кронштейнов, соединенных между собой при помощи пироболтов и установленных на коллекторе сопла
Сопоставительный анализ заявляемого изобретения с прототипом и другими известными решениями в данной области техники показал, что изложенная совокупность признаков неизвестна из существующего уровня техники, на основании чего можно сделать вывод о соответствии технического решения критерию изобретения «новизна».
При анализе других известных технических решений в данной области техники признаки, отличающие заявленное изобретение от прототипа, не были выявлены, а изложенная совокупность признаков не следует явным образом для специалиста из существующего уровня техники, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию изобретения «изобретательский уровень»
Соответствие предлагаемого технического решения критерию изобретения «промышленная применимость» следует из приведенного ниже примера конкретного выполнения механизма крепления неохлаждаемой вставки в сопле жидкостного ракетного двигателя.
Сущность изобретения иллюстрируется чертежами, где на фиг.1 показан осевой разрез сопла камеры ЖРД с установленной внутри него удаляемой сопловой вставкой, на фиг.2 - вид сопла со вставкой со стороны среза, на фиг.3 - кронштейны узла крепления.
Жидкостный ракетный двигатель 1 содержит камеру 2 с сопловой вставкой 3. В сопле 4 камеры установлен механизм удержания и удаления вставки 3, который выполнен в виде трапецеидальных сегментов 5, установленных между вставкой 3 и соплом 4 и взаимодействующих с ответными местами 6, 7 сопла 4 и вставки 3 соответственно. Меньшее основание трапецеидальных сегментов 5 обращено к минимальному сечению камеры, а большее - к срезу сопла 4 и при помощи разрывных тяг 8 связано с ответными местами 9 для крепления вставки 3 на коллекторе 10 сопла 4. В разрывных тягах 8 установлены специальные механизмы 11, 12 для компенсации термических и вибрационных нагрузок, возникающих при работе двигателя. Разрывные тяги закреплены на коллекторе 10 сопла 4 при помощи пироболтов 13. Ответные места для крепления на вставке 3 выполнены в виде чередующихся равнорасположенных выступов 14, наружная сторона которых выполнена конической профилированной, с уменьшением диаметра к срезу сопла, и повторяющей профиль ответной части трапецеидального сегмента 5.
Предложенный двигатель работает следующим образом.
При работе двигателя 1 в плотных слоях атмосферы расширение продуктов сгорания, истекающих из камеры сгорания камеры 2, происходит по профилю вставки и степень расширения определяется выходным сечением вставки. Продукты сгорания, истекающие из камеры сгорания, стремятся вытолкнуть вставку из сопла за счет сил трения и осевой выталкивающей силы, действующей на входную часть вставки. Действие этих сил, а также термические и вибрационные нагрузки, возникающие при работе двигателя со вставкой, компенсируются действием механизмов 11, 12, установленных в разрывных тягах 8. Механизмы 1, 12 перемещают трапецеидальные сегменты 5 по направлению к критическому сечению камеры. Трапецеидальные сегменты 5, установленные между вставкой 3 и соплом 4 и взаимодействующие с ответными местами 6, 7 сопла 4 и вставки 3, соответственно, при перемещении их к критическому сечению, расклинивают вставку 3 в местах равнорасположенных выступов 14 и препятствуют ее самопроизвольному удалению из сопла.
На расчетной высоте полета, по команде, происходит удаление вставки 3 из сопла 4. В этом случае подается команда на исполнительные механизмы 11, 12, которые перемещают трапецеидальные сегменты 5 по направлению к срезу сопла 4. Трапецеидальные сегменты 5, взаимодействующие с ответными местами 6, 7 сопла 4 и вставки 3 соответственно, при перемещении их к срезу сопла, выходят из зацепления с соответствующими ответными местами и страгивают вставку с места. Через некоторое время подается команда на срабатывание пироболтов 13, при помощи которых разрывные тяги установлены на коллекторе 10 сопла 4. Болты 13 разрываются, и разрывные тяги 8 вместе со вставкой 3 продуктами сгорания удаляются из сопла 4. После удаления вставки степень расширения сопла увеличивается и определяется площадью выходного сечения среза сопла.
Использование предложенного технического решения позволит создать механизм крепления и удаления вставки в сопле ЖРД, конструкция которого позволит обеспечить требуемую надежность работы и упростить конструкцию ЖРД со вставкой.