Сопло ракетного двигателя с механизмом раздвижки
ROCKET ENGINE NOZZLE WITH EXTENSION MECHANISM

Изобретение относится к ракетной технике и может быть использовано при создании ракетного двигателя с раздвижным соплом.
Известно, что увеличение удельного импульса тяги за счет высокой степени расширения сопла при ограниченных габаритах ракетного двигателя реализуется применением сопла с раздвижными насадками (телескопическими), снабженными механизмом их раздвижки [Фахрутдинов И.Х., Котельников А.В. Конструкция и проектирование ракетных двигателей твердого топлива: Учебник для машиностроительных вузов. - М.: Машиностроение, 1987. - 328 с.: ил., страница 142, рис. 6.14]. Данная конструкция применяется при наличии свободного объема между срезом раструба сопла и днищем ракетного двигателя. В указанном свободном объеме размещены раздвижные телескопические насадки и механизм их раздвижки. Рассматриваемая конструкция не применима в случае отсутствия (дефицита) свободного объема перед срезом раструба сопла. В зависимости от конфигурации имеющегося свободного объема в некоторых случаях может быть использовано лепестковое сопло и механизм его раздвижки [Фахрутдинов И.Х., Котельников А.В. Конструкция и проектирование ракетных двигателей твердого топлива: Учебник для машиностроительных вузов. - М.: Машиностроение, 1987. - 328 с.: ил., страница 145, рис. 6.20]. Сопло ракетного двигателя содержит раструб и складной насадок, образованный лепестками, кинематически связанными с раструбом механизмом раздвижки, обеспечивающим перевод лепестков из сложенного положения в рабочее.
Недостатками рассматриваемой конструкции являются:
- большие габариты сопла в сложенном положении, вследствие чего требуется наличие свободного объема перед срезом раструба сопла при складывании лепестков поворотом вперед (почти на 180°), или требуется свободный объем в радиальном направлении (увеличение поперечного габарита ракеты) при складывании лепестков поворотом в вертикальное (радиальное) положение (на 90°);
- сложность механизма раздвижки, содержащего систему синхронизации поворота лепестков. Сложность механизма раздвижки обуславливает его низкую надежность.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому положительному эффекту к предлагаемому изобретению является сопло ракетного двигателя с механизмом раздвижки [Патент РФ №2602462]. Сопло ракетного двигателя с механизмом раздвижки, обеспечивающим перевод сопла из сложенного положения в рабочее, содержит раструб и складной насадок, образованный лепестками с элементами кинематической связи лепестков с раструбом. Образующая лепестка в сложенном положении, проведенная через плоскость его симметрии, параллельна образующей раструба, проведенной через эту же плоскость. Элементы кинематической связи лепестков с раструбом содержат пантографы, связывающие соседние лепестки друг с другом, а каждый пантограф содержит шарнирно закрепленные планки, установленные с возможностью поворота на штифтах, связанных с лепестком. Каждый лепесток связан с раструбом направляющими элементами, выполненными в виде пластины, установленной с возможностью поворота в двух шарнирах, один из которых жестко связан с раструбом, а второй - с лепестком. Достоинством представленного технического решения является упрощение конструкции сопла со складным насадком, образованным лепестками.
Недостатком рассматриваемой конструкции является повышенная масса конструкции, что обусловлено большой массой лепестков и узлов их крепления. Лепестки вынужденно выполняются из толстого (что приводит к большой массе) углепластика. Большая толщина углепластика требуется для:
- обеспечения требуемой жесткости для работоспособности пластин-лепестков на механические нагрузки от давления в газовом тракте сопла и на динамические нагрузки при раздвижке;
- обеспечения снижения температуры наружной поверхности лепестка при его прогреве по толщине. Снижение температуры требуется до значения, достаточного для надежного крепления лепестка к силовым нетеплостойким элементам конструкции.
Технической задачей настоящего изобретения является уменьшение массы конструкции при обеспечении простоты и технологичности изготовления сопла.
Сущность изобретения заключается в том, что в сопле ракетного двигателя с механизмом раздвижки, обеспечивающим перевод сопла из сложенного положения в рабочее, содержащем раструб и складной насадок, образованный лепестками с элементами кинематической связи лепестков с раструбом, причем образующая лепестка в сложенном положении, проведенная через плоскость его симметрии, параллельна образующей раструба, проведенной через эту же плоскость, при этом элементы кинематической связи лепестков с раструбом содержат пантографы, связывающие соседние лепестки друг с другом, а каждый пантограф содержит шарнирно закрепленные планки, установленные с возможностью поворота на штифтах, связанных с лепестком, кроме того, каждый лепесток связан с раструбом направляющими элементами, выполненными в виде пластины, установленной с возможностью поворота в двух шарнирах, один из которых жестко связан с раструбом, а второй - с лепестком, в рабочем положении складной насадок охватывает корзина, состоящая из секторов, расположенных напротив лепестков. Каждый лепесток выполнен из криволинейной пластины из углерод-углеродного композиционного материала (УУКМ), скрепленной с сектором корзины в районе сопряжения лепестка с раструбом. Между корзиной и криволинейной пластиной из УУКМ установлены сухари. Сектора корзины могут содержать продольные стрингеры, имеющие сечение в виде уголка, образованного радиальной и тангенциальной полками, при этом, в штифтах пантографов выполнен крепежный паз, сопрягаемый с радиальной полкой стрингера. В радиальной полке стрингера может быть выполнено отверстие, сквозь которое проходит центрирующая лепестки штанга. Связанные с лепестком шарниры направляющего элемента могут быть выполнены на секторе корзины. Корзина может быть выполнена металлической. На поверхность корзины, обращенной к криволинейным пластинам из УУКМ, и на элементы пантографов может быть нанесено теплозащитное покрытие. В сложенном положении радиус обметания корзины может не превышать радиус обметания криволинейных пластин из УУКМ. В рабочем положении расстояние между стрингерами смежных секторов корзины может определяться шириной пантографа, а в районе крепления сектора корзины к криволинейной пластине из УУКМ ширина сектора корзины может быть равна ширине лепестка.
Технический результат достигается тем, что предлагаемая схема позволяет выполнить лепестки из тонкого углерод-углеродного композиционного материала при обеспечении работоспособности (т.е. необходимой жесткости) конструкции. Жесткость конструкции достигается тем, что лепесток является частью пространственно-замкнутой структуры, что позволяет в качестве подкрепляющих друг друга элементов указанной структуры использовать элементы с минимальной толщиной и, соответственно, массой. Такими элементами являются тонкая криволинейная пластина из УУКМ и тонкий сектор корзины, имеющий облегчающие выборки (промежутки между продольными стрингерами). Криволинейная пластина из УУКМ снабжена хвостовиком, а переход криволинейной пластины из УУКМ в хвостовик образует ребро, придающее дополнительную жесткость пластине из УУКМ. Часть сектора корзины, скрепленная с хвостовиком криволинейной пластины из УУКМ, является основанием сектора корзины. Основание, скрепленное с хвостовиком, образует (с указанным хвостовиком) жесткий пакет. Сухари, установленные между корзиной и криволинейной пластиной из УУКМ, замыкают в продольном сечении контур пространственно-замкнутой структуры. Т.е. продольное сечение (по стрингеру) пространственно-замкнутой структуры представляет собой жесткую фигуру - треугольник, образованный лепестком, сектором корзины (стрингером) и сухарем. По нормали (в плане) пространственно-замкнутая структура также имеет вид жесткой фигуры - трапеции, построенной между двумя сухарями и основанием сектора корзины. При этом основание связано с местами установки сухарей продольными стрингерами, имеющими сечение в виде уголка (жесткой балки).
Жесткость конструкции обеспечивает сохранение формы и размеров лепестка при динамических нагрузках. Динамические нагрузки возникают в процессе перемещения лепестка из сложенного положения в рабочее. Также динамические нагрузки возникают в процессе установки лепестков в рабочее положение (взаимный удар лепестков друг по другу и по раструбу). В процессе раздвижки сопла характер плоско-параллельного движения лепестков обеспечивает минимизацию динамических нагрузок. В рабочем положении складной насадок (криволинейные пластины из УУКМ, т.е. лепестки) охватывает корзина, состоящая из секторов. Сектора корзины стянуты пантографами в единую кольцевую конструкцию. Указанная единая кольцевая конструкция имеет еще большую (по сравнению с отдельным сектором) жесткость. При работе сопла на лепестки действуют статические газодинамические нагрузки. Таким образом, предложенное пространственное расположение элементов крепления лепестка (в пространственно-замкнутой структуре) обеспечивает возможность (по критерию жесткости конструкции) применения для лепестков тонких криволинейных пластин из УУКМ, снижая массу лепестков и конструкции в целом.
Схема, позволяющая использовать криволинейные пластины из УУКМ и крепить эти криволинейные пластины к силовым элементам конструкции, отличается от традиционного крепления толстого углепластика, являющегося теплозащитным элементом. Тонкая криволинейная пластина из УУКМ (в отличие от толстого углепластика) при работе прогревается на всю свою толщину. Прямой контакт прогретого УУКМ к силовым элементам конструкции не допускается. В предлагаемой схеме лепестка криволинейная пластина УУКМ крепится к сектору корзины посредством своего хвостовика. В районе сопряжения лепестка с раструбом контакт криволинейной пластины из УУКМ с сектором корзины (основанием) реализуется по поверхностям хвостовика, удаленным от прогреваемой рабочей поверхности лепестка. При переносе тепла вдоль теплопроводной криволинейной пластины из УУКМ (вдоль хвостовика), ее температура снижается по мере удаления от рабочей поверхности лепестка. Указанное крепление УУКМ известно и хорошо отработано, является простым и технологичным. Другими местами крепления криволинейной пластины УУКМ к сектору корзины являются места установки сухарей. На сухари действует только сжимающая нагрузка, что позволяет выполнить их в виде компактных кубиков минимальной массы. Сухари выполнены из материала, имеющего теплофизические характеристики, аналогичные углепластику (т.е. имеют низкую температуру своей контактной поверхности с сектором корзины). Наружная поверхность криволинейной пластины из УУКМ, не используемая для крепления, является открытой и излучает тепло в окружающую среду. Для защиты от излучаемого со стороны УУКМ тепла на поверхность корзины и элементов пантографов, обращенной к криволинейным пластинам УУКМ, нанесено теплозащитное покрытие. Толщина и масса указанного теплозащитного покрытия существенно меньше, чем в случае, если бы теплозащитой лепестков был бы углепластик.
Связанные с лепестком шарниры направляющего элемента выполнены на секторе корзины (основании сектора корзины), как наиболее жестком, прочном и наименее прогреваемом элементе конструкции. В штифтах пантографов выполнен крепежный паз, сопрягаемый с радиальной полкой стрингера. Предлагаемое сочленение штифта (и пантографа в целом) обеспечивает технологичность сборки сопла и технологичность изготовления деталей, составляющих сопло. Предлагаемая схема не требует крепежных кронштейнов, накладок и т.д., тем самым обеспечивает уменьшение массы конструкции. В радиальной полке стрингера выполнено отверстие, сквозь которое проходит центрирующая лепестки штанга. Таким образом, радиальная полка стрингера кроме основной своей функции (обеспечение жесткости сектора корзины) является направляющим элементом для штанги, центрирующей лепестки. Тем самым повышается технологичность и снижается масса конструкции.
Корзина, как силовой элемент конструкции, имеющий сложную форму, выполнена из прочного изотропного материала, т.е. из металла. В сложенном положении радиус обметания корзины не превышает радиус обметания криволинейных пластин из УУКМ. Таким образом, габариты сопла с предлагаемой корзиной не превышают габаритов сопла-прототипа (определяемые габаритами лепестков).
В рабочем положении расстояние между стрингерами смежных секторов корзины определятся шириной пантографа. Т.е. пантографы (как в рабочем, так и сложенном положениях) размещены между секторами корзины. А в районе крепления сектора корзины к криволинейной пластине из УУКМ ширина сектора корзины равна ширине лепестка. Т.е. указанные части секторов корзины в рабочем положении аналогично лепесткам смыкаются друг с другом.
Данное техническое решение не известно из патентной и технической литературы.
Изобретение поясняется следующими чертежами:
на фиг. 1 показан вид сбоку сопла в сложенном положении;
на фиг. 2 показана выноска А фиг. 1 в виде продольного разреза сопла в сложенном положении;
на фиг. 3 показан вид спереди сопла (на его входную часть) в сложенном положении;
на фиг. 4 показано сопло в сложенном положении в плоскости расположения направляющего элемента (нижняя половина - без вырезов, верхняя половина - продольный разрез сопла Б-Б фиг. 3);
на фиг. 5 показано сопло в сложенном положении в изометрии (вид «спереди-сбоку»);
на фиг. 6 показано сопло в сложенном положении в изометрии (вид «сзади-сбоку»);
на фиг. 7 показан вид сбоку сопла в рабочем положении;
на фиг. 8 показана выноска В фиг. 7 в виде продольного разреза сопла в рабочем положении;
на фиг. 9 показано сопло в рабочем положении в плоскости расположения направляющего элемента (нижняя половина - без вырезов, верхняя половина - продольный разрез сопла Б-Б фиг. 3 (с учетом рабочего положения));
на фиг. 10 показано сопло в рабочем положении в изометрии (вид «спереди-сбоку»);
на фиг. 11 показано сопло в рабочем положении в изометрии (вид «сзади-сбоку»).
Сопло ракетного двигателя с механизмом раздвижки содержит раструб 1 и складной насадок, образованный лепестками 2 (фиг. 1). В рабочем положении складной насадок охватывает корзина, состоящая из секторов 3, расположенных напротив лепестков 2. Каждый лепесток 2 выполнен в виде криволинейной пластины 4 из УУКМ, скрепленной с сектором 3 корзины в районе сопряжения (в рабочем положении) лепестка 2 с раструбом 1. Криволинейная пластина 4 из УУКМ крепится к сектору 3 корзины посредством хвостовика 5, крепящегося к основанию 6 (фиг. 2). Сектор 3 корзины состоит из основания 6 и дуги 7, соединенных двумя продольными стрингерами 8 (фиг. 3, 5). Продольные стрингеры 8 имеют сечение в виде уголка, образованного радиальной (9) и тангенциальной полками. В сложенном положении радиус обметания корзины (секторов 3 корзины) не превышает радиус обметания криволинейных пластин 4 из УУКМ. Соответственно, на фиг. 3 наружные контуры дуги 7 секторов 3 корзины и контуры криволинейных пластин 4 из УУКМ накладываются друг на друга (их радиусы обметания равны между собой). Между корзиной (секторами 3) и криволинейной пластиной 4 из УУКМ установлены сухари 10. Соединенные между собой сектор 3 корзины, криволинейная пластина 4 из УУКМ и сухари 10 образуют единый короб, обеспечивающий жесткость рассматриваемых элементов. Лепестки 2 кинематически связаны с раструбом 1 механизмом раздвижки, обеспечивающим перевод лепестков 2 из сложенного положения L в рабочее положение N. На фиг. 2 рабочее положение N лепестков 2 показано штриховой линией. Образующая Y лепестка 2 (фиг. 4) в сложенном положении L, проведенная через плоскость Z его симметрии (фиг. 3), параллельна образующей F раструба 1 (фиг. 4), проведенной через эту же плоскость Z (фиг. 3). Рабочее положение N лепестков 2 образовано плоско-параллельным перемещением в радиально-осевом направлении каждого лепестка 2 относительно его сложенного положения L. Лепестки 2 содержат продольные кромки 11. Продольные кромки 11 лепестка 2 в любом его положении (сложенном, промежуточном, рабочем) параллельны друг другу. Элементы кинематической связи лепестков 2 с раструбом 1 образуют пантографы 12, связывающие соседние лепестки 2 друг с другом. Каждый пантограф 12 содержит продольный стакан 13 и шток 14, установленный с возможностью продольного перемещения в стакане 13. Продольный стакан 13 связан с каждым из двух соседних лепестков 2 (секторов 3 корзины) двумя шарнирно закрепленными планками 15 и 16 (планки 16 расположены со стороны штока 14). Планки 15 и 16 установлены с возможностью поворота на штифтах 17, связанных с лепестком 2 (сектором 3 корзины). В штифтах 17 выполнен крепежный паз 18, сопрягаемый с радиальной полкой 9 стрингера 8. На штоке 14 шарнирно закреплены поворотные тяги 19, шарнирно связанные с планками 16, расположенными со стороны штока 14. Указанная конструктивная схема пантографов 12 обеспечивает то, что в любом своем положении лепестки 2 располагаются параллельно друг другу, т.е. определяет плоско -параллельный характер возможного перемещения лепестков 2, вызывающее изменение их радиального положения. Осевое положение каждого лепестка 2 при изменении его радиального положения регламентируется направляющими элементами 20, связывающими каждый лепесток 2 (сектор 3 корзины) с раструбом 1. Направляющие элементы 20 расположены в плоскости симметрии Z лепестков 2 (фиг. 4). Каждый направляющий элемент 20 выполнен в виде пластины, установленной с возможностью поворота в шарнирах 21 и 22, один из которых (шарнир 21) жестко связан с раструбом 1. Жесткая связь шарнира 21 с раструбом 1 реализуется тем, что шарнир 21 выполнен на самом раструбе 1 или на элементе, жестко с ним скрепленном (кронштейне, корпусе утопленной части сопла (как показано на фиг. 2, 4) и т.д.). Шарнир 22 жестко связан с лепестком 2. Связанные с лепестком 2 шарниры 22 направляющего элемента 20 выполнены на секторе 3 корзины. В радиальной полке 9 стрингера 8 выполнено отверстие, сквозь которое проходит центрирующая лепестки 2 штанга 23. Штанга 23 обеспечивает центрирование соседних секторов 3 корзины (и, соответственно, лепестков 2) друг относительно друга в любом положении. Шток 14 образует со стаканом 13 подпоршневую полость 24 (фиг. 2), с которой сообщен пиропатрон 25. На поверхность 26 корзины и элементов пантографов 12, обращенной к криволинейным пластинам 4 из УУКМ, нанесено теплозащитное покрытие.
Устройство работает следующим образом.
В сложенном положении L лепестков 2 кольцо, образованное лепестками 2 и пантографами 12 с зафиксированным радиальным положением лепестков 2 посредством пантографов 12, удерживается и центрируется относительно раструба 1 направляющими элементами 20. После отделения предыдущей ступени (исчезновения габаритных ограничений) перевод лепестков 2 в рабочее положение N производится подачей электрического импульса на пиропатроны 25. В подпоршневой полости 24 возникает давление, воздействующее на шток 14 и стакан 13, расталкивая их. Перемещение штока 14 относительно стакана 13 сопровождается поворотом поворотных тяг 19, а также шарнирно с ними связанных планок 16. Соответственно, поворот планок 16 вызывает синхронный поворот планок 15. При синхронном повороте планок 15 и 16 происходит безударное движение механизма раздвижки - взаимное сближение лепестков 2. Взаимное сближение лепестков 2 приводит к сжатию (уменьшению радиуса) кольца, образованного лепестками 2 и пантографами 12, т.е. к центростремительному радиальному перемещению лепестков 2. В центростремительном радиальном перемещении участвуют шарниры 22. В процессе центростремительного радиального перемещения лепестков 2 и шарниров 22 пластины направляющих элементов 20 поворачиваются относительно шарниров 21, жестко связанных с раструбом 1. Тем самым регламентируется осевое положение каждого лепестка 2 при изменении его радиального положения в процессе центростремительного радиального перемещения лепестков 2. При этом штанга 23 обеспечивает центрирование соседних секторов 3 корзины (и, соответственно, лепестков 2) друг относительно друга в процессе их перемещения. В результате радиально-  осевого перемещения лепестков 2 их продольные кромки 11 смыкаются между собой. После того как лепестки 2 занимают рабочее положение N (фиг. 2, 8), они фиксируются (и удерживаются) друг относительно друга известными механизмами, например, цанговыми защелками. Далее производится запуск ракетного двигателя. На криволинейные пластины 4 из УУКМ лепестков 2 от истекающих из сопла продуктов сгорания действуют газодинамические силы. Указанные газодинамические силы передаются с криволинейной пластины 4 из УУКМ на сектор 3 корзины (в т.ч. через сухари 10). Т.к. лепестки 2 удерживаются друг относительно друга вышеупомянутыми механизмами, например, цанговыми защелками, сопло работает как единое целое.
Технико-экономическая эффективность предлагаемого изобретения, по сравнению с прототипом, в качестве которого выбрано сопло ракетного двигателя с механизмом раздвижки [Патент РФ №2602462], заключается в уменьшении массы конструкции при обеспечении простоты и технологичности изготовления сопла.