РАМА ЧЕТЫРЕХКАМЕРНОГО ЖИДКОСТНОГО РАКЕТНОГО ДВИГАТЕЛЯ
LIQUID-PROPELLANT FOUR-CHAMBER ROCKET ENGINE FRAME

Изобретение относится к ракетно-космической технике и может быть использовано в жидкостных ракетных двигателях для монтажа 4 камер, ТНА, других агрегатов в единую двигательную установку и передачи создаваемой ею тяги на корпус ракеты.
Известен жидкостный ракетный двигатель (патент, Россия, №2158838, МПК F02K 9/95, опубл. 20.11.2000 г.), в котором рама выполнена разборной и содержит две зеркально симметричные секции, состоящие из стержней, соединенных сваркой, скрепленных между собой через плоское стержневое сочленение, имеющее форму крестовины, а в качестве стержней используют трубчатые стержни, при этом узел крепления включает две цапфы, вставленные в подшипниковые узлы опор для восприятия усилий от двигателя, а опора выполнена на раме в виде траверсы.
Данная конструкция рамы обладает рядом недостатков. Наиболее существенным из них является отсутствие замкнутых шпангоутов: привалочного и нижнего, что значительно снижает ее прочностные и жесткостные характеристики на двигателе, не состыкованным с изделием. Конструкция рамы также не позволяет соединить в общую двигательную установку четыре камеры. На раме отсутствует устройство для фиксации камер в нулевом положении, а также элементы, необходимые для установки такелажного технологического оборудования.
Известна рама четырехкамерного жидкостного ракетного двигателя (Рабочие чертежи 8Д715-25Д, техническое описание 11Д55-00. ТО двигателя 11Д55 разработки ОАО КБХА, г.Воронеж, см. фиг.1, прототип. На фиг.2 приведена компоновка двигателя 11Д55 с рамой 8Д715-25Д), содержащая привалочный шпангоут 1, нижний шпангоут 2 и стойки 3. Рама выполнена в виде пространственной фермы. Привалочный шпангоут 2 служит для установки и крепления двигателя на изделии и для передачи силы тяги на привалочную плоскость «П» изделия. Шпангоут имеет три бобышки 4 с установочными отверстиями для фиксации положения двигателя на изделии и 24 бобышки 5 для крепления двигателя. В местах приварки стоек 3 к привалочному шпангоуту 1 имеются опорные бобышки 6, предназначенные для передачи усилий от стоек на привалочную плоскость изделия. Узлы крепления стоек к привалочному шпангоуту усилены косынками 7 коробчатого сечения.
Нижний шпангоут 2 - плоская ферма, объединяющая четыре кольцевые опоры 8 камер двигателя (не показаны). Все узлы нижнего шпангоута усилены косынками 9 коробчатого сечения. К косынкам 9 привариваются: бобышки 10 крепления рамы ТНА, бобышки 11 крепления растяжек рулевых сопел и ушки 12 крепления растяжек ТНА в плоскостях стабилизации.
Стойки 3 передают усилия от силы тяги двигателя на привалочный шпангоут 1.
Наиболее нагруженные стойки изготовлены из труб ⌀30×1, остальные - из труб ⌀024×1. Материал рамы - сталь 12Х2НВФА (ЭИ 712).
Конструкция рамы обеспечила ее небольшую массу, прочность и жесткость. Силовым элементом двигателя, воспринимающим все статические и динамические нагрузки, является рама 13.
К кольцевым опорам 14 со специальными бобышками 15 крепятся за кронштейны 16 четыре камеры 17. Камеры 17 к раме 13 крепятся болтами (на фиг.2 не показаны).
Двигатель крепится к изделию верхним привалочным шпангоутом 18 рамы и фиксируется относительно изделия тремя установочными штифтами (на фиг.2 не показаны), контактирующими с классными отверстиями 19 в раме.
К недостаткам известного технического устройства следует отнести невысокую жесткость пространственной фермы, т.к. стойки между привалочным и нижним шпангоутами расположены под различными углами и не образуют треугольники, которые придают высокую жесткость ферме, а составляют трапеции, прямоугольники, т.е. фигуры, не обеспечивающие максимальную жесткость конструкции рамы.
Кроме того, конструкция рамы снабжена узлами крепления камер в неподвижном состоянии и не позволяет качать камеры вокруг оси поворота с фиксацией их в нулевом положении.
Недостатком известной рамы является невысокая технологичность ее сборки, монтажа камер, кантования и сборки двигателя.
Установка рамы в изделие осуществлена автономными опорными бобышками по трем фиксаторам, в связи с чем количество бобышек на привалочном шпангоуте увеличено по сравнению с необходимым количеством.
Для устранения шумов во внутренних полостях стоек рамы от частиц, образующихся при сварке, во внутренние полости устанавливаются технологические пыжи и заливается лак.
Однако вследствие периодически возникающей негерметичности по сварным швам стоек со шпангоутами происходит утечка лака через микротрещины в этих швах.
Задачей предлагаемого изобретения является повышение жесткости конструкции рамы, расширение ее функциональных возможностей, а именно обеспечение качания камер в одной плоскости и фиксации их в нулевом положении, улучшение технологичности ее сборки, монтажа камер, кантования и сборки двигателя, оптимизации установки рамы в изделие, а также повышение надежности устранения шумов внутри стоек от частиц, повышение точности установки геометрических осей камер, снижение массы конструкции рамы.
Поставленная задача достигается тем, что рама четырехкамерного жидкостного ракетного двигателя содержит привалочный и нижний шпангоуты, стойки, опоры, бобышки с установочными отверстиями, бобышки для крепления двигателя к изделию, косынки коробчатого сечения, при этом она выполнена в виде цельносварной пространственной фермы, геометрические оси стоек которой, соединяющих привалочный и нижний шпангоуты, пересекаются в одной точке с опорными бобышками и опорами, образуя треугольники, а соединения стоек с опорными бобышками и опорами произведено при помощи пластин и ребер, на опорах нижнего шпангоута при помощи болтов и гаек закреплены траверсы с подшипниками для установки камер, опора со стороны малой траверсы снабжена приваренной к ней пластиной с платиками под установку пиротехнического и технологического фиксаторов, а на периферии рамы установлены устройства крепления рулевых приводов, кроме того, в опорах рамы просверлены сквозные отверстия для установки стапельного оборудования, на нижнем шпангоуте в месте установки большой траверсы выполнены две опоры с пространственным промежутком, со стороны малой траверсы в косынках коробчатого сечения между стойками и привалочным шпангоутом, а также в опоре под малую траверсу выполнены отверстия для установки технологического такелажного оборудования, при этом установочные отверстия в опорных бобышках выполнены с классными поверхностями под установку шпилек, на торцах опорных бобышек, контактирующих с гайками крепления рамы к изделию, имеются несквозные отверстия для лапы стопорной шайбы, а в юбках опор просверлены сквозные контровочные отверстия, кроме того, в стенках с нижней стороны стоек просверлены отверстия, через которые часть внутренней полости стоек заполнена пеной, опорные бобышки привалочного шпангоута и опоры нижнего шпангоута рамы механически обработаны с обеспечением их параллельности.
На фиг.3 представлена рама четырехкамерного жидкостного ракетного двигателя (ЖРД), основными элементами которой являются:
1 - привалочный шпангоут;
2 - нижний шпангоут;
3 - стойки;
4, 5 - бобышки;
6, 8 - опоры;
7 - установочные отверстия;
10 - косынки;
11 - пластины;
12 - ребра;
14 - большая траверса;
15 - малая траверса;
35 - привалочная плоскость;
36 - промежуток между опорами;
40 - плоскость опор нижнего шпангоута.
На фиг.4 показан четырехкамерный ЖРД с рамой, на которой смонтированы его агрегаты, где:
9 - двигатель;
17 - камера.
На фиг.5 приведен разрез А-А по малой траверсе и платикам под установку фиксаторов, где:
16 - подшипники;
18 - пластина с платиками;
19, 20 - платики.
На фиг.6 дан разрез Б-Б по месту крепления большой траверсы к опорам 8, где:
13 - болты.
На фиг.7 показано сечение по месту установки пиротехнического фиксатора и технологического фиксатора, где:
21 - пиротехнический фиксатор;
22 - технологический фиксатор.
На фиг.8 схематично приведена установка рулевого привода в раме:
23 - устройство крепления рулевого привода;
24 - рулевой привод.
На фиг.9 представлен вид на фиксирующие отверстия для стапеля сборки рамы, где:
25 - несквозные отверстия для стапельного оборудования.
На фиг.10 представлен вид на отверстия для установки такелажного оборудования:
26 - отверстия для такелажного оборудования.
На фиг.11 представлены разрезы по бобышкам 4 с установочными отверстиями 7 и бобышкам 5 в месте крепления рамы к изделию:
27, 27а - шпильки изделия;
28 - гайки;
29 - несквозные отверстия в опорах;
30 - лапа стопорной шайбы;
31 - стопорная шайба;
32 - юбка опоры;
33 - контровочные отверстия;
37 - классные поверхности установочных отверстий;
38 - торец опорной бобышки;
39 - классные поверхности установочных шпилек.
На фиг.12 показана стойка рамы с отверстием в стенке и пеной в ее внутренней полости, где:
34 - стенка стойки.
Рама четырехкамерного жидкостного ракетного двигателя (см. фиг.3) содержит привалочный шпангоут 1, нижний шпангоут 2, стойки 3, опоры 6, 8, бобышки 4 с установочными отверстиями 7, бобышки 5, косынки 10 коробочного сечения, пластины 11, ребра 12, болты 13 (фиг.6), большую траверсу 14, малую траверсу 15, подшипники 16 для установки камер 17 (фиг.4, 5).
Со стороны малой траверсы 15 опора 6 снабжена приваренной к ней пластиной 18 с платиками 19, 20 под установку пиротехнического фиксатора 21 и технологического фиксатора 22 (фиг.7). На периферии рамы установлены устройства 23 (фиг.3) крепления рулевых приводов 24 (фиг.8). В опорах 6, 8 рамы просверлены несквозные отверстия 25 для установки стапельного оборудования (не показано) (фиг.9). На нижнем шпангоуте 2 установлены две опоры 8 с пространственным промежутком 36 для монтажа камеры 17 в раму (фиг.3). Со стороны малой траверсы 15 в косынках 10 коробчатого сечения между стойками 3 и привалочным шпангоутом 1, а также в опоре 6 выполнены отверстия 26 для установки технологического такелажного оборудования (фиг.10). Установочные отверстия 7 в опорных бобышках 4 просверлены с классными поверхностями 37 под установку шпилек 27, имеющих классные центрирующие поверхности 39 (фиг.11). На торцах 38 опорных бобышек 4, 5, контактирующих с гайками 28 крепления рамы к изделию, имеются несквозные отверстия 29 для лапы 30 стопорной шайбы 31, а в юбках 32 опор просверлены сквозные контровочные отверстия. В стенках 34 (фиг.12) с нижней стороны стоек 3 просверлены отверстия, через которые часть внутренней полости стоек заполнена пеной.
Основными функциональными назначениями рамы являются следующие:
1. Объединение агрегатов, блоков, узлов трубопроводов, теплозащиты в единую связку.
2. Передача усилия тяги двигателя на фланец бака ракеты.
3. Обеспечение качания камер в одной плоскости для управления вектором тяги.
4. Повышение технологичности сборки двигателя за счет улучшения условий доступа к агрегатам путем кантования двигателя на 360° вокруг оси такелажного оборудования.
5. Фиксация подвижных частей двигателя (блоков камер) при транспортировании от завода-изготовителя до монтажно-испытательного комплекса (МИК) при помощи технологического фиксатора и от МИКа до стартовой площадки при помощи пирофиксатора.
Рама четырехкамерного жидкостного ракетного двигателя работает следующим образом.
Усилие от тяги работающего двигателя 9 (фиг.4) передается через цапфы камер на подшипники 16, траверсы 14, 15, опоры 6, 8 нижнего шпангоута 2, стойки 3, привалочный шпангоут 1 на фланец бака изделия (не показаны). При помощи рулевых приводов 24, закрепленных в устройствах 23, расположенных на периферии рамы, для управления векторами тяги производится поворот (качание) камер двигателя в одной плоскости в цапфах, установленных в подшипниках 16, запрессованных в траверсы 14, 15 рамы.
Поворачиваясь в осях такелажного оборудования (кантователя), рама вместе с агрегатами двигателя обеспечивает доступный подход для проведения сборочных и сварочных работ, транспортировку и монтаж двигателя в изделие.
Обеспечивая фиксацию камер двигателя в «нулевом» положении, рама предотвращает их повреждения при транспортировании и монтажных работах.
Устанавливаясь своими тремя установочными отверстиями бобышек по классным поверхностям шпилек фланца бака, рама обеспечивает точную центровку двигателя относительно ракеты и надежную контровку крепежных гаек.
Исключая шум внутри полостей стоек, заполненных пеной, рама облегчает проверку двигателя на отсутствие шумов во внутренних его полостях.
Таким образом, предложенное техническое решение позволит повысить прочность и жесткость рамы, расширить ее функциональные возможности (качание и фиксацию камер, крепление рулевых приводов), повысить технологичность ее сборки, монтажа камер, кантования и сборки двигателя, оптимизировать установку ее в изделие, повысить надежность устранения шумов во внутренних полостях стоек от частиц, образующихся при сварочных работах.
Кроме перечисленных положительных эффектов, конструктивное исполнение рамы позволяет снизить ее массу за счет уменьшения вдвое опорных бобышек (12 вместо 24 у прототипа), стоек, косынок, исключение кронштейнов и т.д., выполнение траверс из легкого алюминиевого сплава, а также приварки стоек к опорным бобышкам через пластины и ребра вместо откосов коробчатого сечения (у прототипа).
После сборки и сварки входящих деталей рама механически обработана (отфрезерована) по опорным бобышкам привалочного (плоскость 35) и опорам (плоскость 40) нижнего шпангоутов с выполнением их параллельности с высокой точностью, что является одним из составляющих обстоятельств обеспечения точности выставления геометрических осей камер перпендикулярно привалочной плоскости двигателя.