КОРПУС РАКЕТНОГО ДВИГАТЕЛЯ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА ИЗ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
BODY OF SOLID FUEL ROCKET MOTOR FROM COMPOSITE MATERIALS

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано в конструкциях корпусов ракетного двигателя твердого топлива (РДТТ) из композиционных материалов, а также в любых баллонах давления из композиционных материалов, содержащих внутреннее покрытие на основе резиноподобных материалов.
В корпусах РДТТ из композиционных материалов расположенное на внутренней поверхности теплозащитное покрытие (ТЗП) предназначено защищать силовые элементы силовой оболочки от высоких тепловых воздействий, что относится и к месту стыковки фланцев с ответными узлами - передней крышкой и фланцем соплового блока. Это обеспечивается плотным прилеганием торцевых поверхностей ТЗП на фланцах с посадочными поверхностями на стыкуемых узлах. При отсутствии плотного прилегания и образовании кольцевой щели, даже частичной, происходят прогар и аварийное разрушение силовых узлов корпуса.
Отсутствие плотного прилегания может возникнуть из-за нескольких причин: незначительного «перетекания» сырой резины и усадки при вулканизации; задира и отрыва кромок ТЗП от фланца при технологических и конечной сборках; отхода внутренних кромок под действием радиальных усилий, вызванных радиальным смещением силовой оболочки относительно фланца под действием внутреннего давления ввиду значительно большей деформативности композиционного материала по сравнению с металлом.
Известен корпус РДТТ из композиционных материалов, содержащий силовую оболочку с фланцами, установленными по полюсным отверстиям днищ, облицованную изнутри теплозащитным покрытием из резиноподобного материала (RU 2108476 С1 МПК 6 F02K 9/34, опубл. 10.04.1998), в котором торцевая часть ТЗП выходит на стыкуемую поверхность отверстия и обладает всеми указанными выше потенциально опасными недостатками.
Известен корпус РДТТ из композиционных материалов, содержащий силовую оболочку с фланцами, установленными по полюсным отверстиям днищ, облицованную изнутри теплозащитным покрытием из резиноподобного материала с кольцами в торцевых частях ТЗП у центральных отверстий фланцев (Конструкции ракетных двигателей на твердом топливе./Под общ. ред. чл.-корр. Российской академии наук, д-ра техн. наук, проф. Л.Н. Лаврова. - М., Машиностроение, 1993. - 215 с,, ил.; стр.62, рис.2.19).
В известной конструкции торцевая часть ТЗП оформлена в виде отдельного неметаллического кольца (заднее днище, рис.2,19), скрепленного с основными слоем ТЗП практически встык и соединенное с фланцем посредством клеевого соединения.
Недостатком такой конструкции является возможность разрушения соединения «кольцо-слой ТЗП» при действии указанных радиальных усилий, возможность отслоения системы «кольцо-ТЗП» от фланца при сборках и действии радиальных усилий.
Известная конструкция корпуса РДТТ по второму варианту является наиболее близкой к заявляемой по технической сущности и достигаемому результату и выбрана в качестве ближайшего аналога (прототипа).
Технической задачей, на решение которой направлено изобретение, является разработка простого по конструкции и технологичного в изготовлении корпуса РДТТ при повышенной надежности при изготовлении и эксплуатации.
Технический результат, который может быть получен при использовании изобретения, заключается в повышении надежности конструкции за счет жесткого заневоливания торца ТЗП у центрального отверстия, исключающее его смещение в осевом и радиальном направлениях.
Техническая задача решается, а технический результат достигается тем, что в корпусе РДТТ из композиционных материалов, содержащем силовую оболочку с фланцами, расположенными в полюсных отверстиях днищ, облицованную изнутри теплозащитным покрытием из резиноподобного материала с кольцами в своих торцевых частях у центральных отверстий фланцев, согласно изобретению со стороны внутренней поверхности, по меньшей мере, в одном фланце выполнены расположенные по соосной фланцу окружности ряд глухих резьбовых отверстий, а в кольце, соосные с отверстиями фланца, сквозные отверстия с зенковочными поверхностями с внутренней стороны, в которых расположены винты, ввернутые во фланец без выступания за поверхность кольца и закрытые материалом теплозащитного покрытия, причем отверстия в кольце выполнены диаметром, позволяющим смещаться винтам относительно оси отверстия при различных тепловых деформациях фланца и кольца, при этом кольцо выполнено из слоистого композиционного материала и расположено в массе материала теплозащитного покрытия с выходом на центральное отверстие фланца, образуя с последним единую поверхность центрального отверстия, причем в частных случаях выполнения изобретения винты выполнены из композиционного материала, кольцо выполнено, по меньшей мере, с одним участком линейнопеременной по радиусу толщины, композиционный материал кольца выполнен в виде слоев на основе тканого материала из искусственных нитей, например стеклонитей, или органических, или их комбинации, композиционный материал кольца выполнен в виде кольцевых слоев на основе однонаправленных жгутов или нитей, например стеклонитей или органических, кольцо выполнено в виде отдельных сегментов, кольцо выполнено с кольцевыми выступами и/или уступами, кольцо выполнено, по меньшей мере, с одной кольцевой канавкой, например прямоугольного или трапецеидального сечения, заполненной материалом теплозащитного покрытия, составляющим с последним единое целое.
Отличительными от прототипа признаками заявленного корпуса РДТТ являются следующие:
а) признаки, обеспечивающие получение технического результата во всех случаях, на которые распространяется испрашиваемый объем правовой охраны:
- со стороны внутренней поверхности, по меньшей мере, в одном фланце выполнены, расположенные по соосной фланцу окружности, ряд глухих резьбовых отверстий;
- а в кольце, соосные с отверстиями фланца, сквозные отверстия с зенковочными поверхностями с внутренней стороны;
- в которых расположены винты, ввернутые во фланец без выступания за поверхность кольца и закрытые материалом теплозащитного покрытия;
- причем отверстия в кольце выполнены диаметром, позволяюием смещаться винтам относительно оси отверстия при различных тепловых деформациях фланца и кольца;
- при этом кольцо выполнено из слоистого композиционного материала;
- и расположено в массе материала теплозащитного покрытия с выходом на центральное отверстие фланца, образуя с последним единую поверхность центрального отверстия;
б) признаки, характеризующие изобретение в частных случаях:
- винты выполнены из композиционного материала;
- кольцо выполнено, по меньшей мере, с одним участком линейнопеременной по радиусу толщины;
- композиционный материал кольца выполнен в виде слоев на основе тканого материала из искусственных нитей, например стеклонитей, или органических, или их комбинации;
- композиционный материал кольца выполнен в виде кольцевых слоев на основе однонаправленных жгутов или нитей, например стеклонитей или органических;
- кольцо выполнено в виде отдельных сегментов;
- кольцо выполнено с кольцевыми выступами и/или уступами;
- кольцо выполнено, по меньшей мере, с одной кольцевой канавкой, например прямоугольного или трапецеидального сечения, заполненной материалом теплозащитного покрытия, составляющим с последним единое целое.
Указанные отличительные признаки, каждый в отдельности и все вместе, направлены на достижение заявленного результата и являются существенными. В предшествующем уровне техники представленная в формуле изобретения совокупность известных и отличительных признаков неизвестна и, следовательно, изобретение соответствует критерию «новизна».
Корпус РДТТ, в отличие от корпуса по прототипу, более надежен за счет использования жесткого кольца из композиционных материалов, прочно скрепленного винтовым соединением с фланцем, а расположение кольца в массе ТЗП обеспечивает их повышенную прочность соединения между собой и препятствует смещениям торцевой части ТЗП в процессе изготовления и эксплуатации. Использование композиционного материала в качестве материала кольца практически не сказывается на теплофизических характеристиках защитного покрытия в торцевых зонах.
Возможность улучшения эксплуатационных характеристик заявляемого корпуса дополняется частными случаями исполнения: выступы или уступы позволяют организовать надежную фиксацию относительно фланца, а также обеспечить более плавное перераспределение нагрузок в соединении «ТЗП-кольцо», этому же способствует использование переменных по толщине участков; использование канавок с заполнением их материалом ТЗП способствует увеличению прочности соединения ТЗП с кольцом; использование слоистого композиционного материала на основе тканого материала или однонаправленного жгута и использование различных составляющих их нитей позволяет расширить область применимости за счет использования различных технологических процессов и оборудования для обеспечения конкретных требуемых характеристик; использование винтов из композиционных материалов способствует более равномерному распределению тепловых нагрузок, а использование кольца в виде сегментов позволяет расширить область применимости при имеющемся технологическом оборудовании.
Изобретение поясняется описанием конкретного, но не ограничивающего его, примера реализации и прилагаемыми чертежами.
На фиг.1 представлен заявленный корпус РДТТ из композиционных материалов, на фиг.2 - вид сечения торцевой части ТЗП с фланцем, на фиг.3, 4 - варианты исполнения.
Корпус РДТТ из композиционных материалов 1 содержит силовую оболочку 2 с фланцами 3 и 4, расположенными в полюсных отверстиях днищ 5 и 6, облицованную изнутри теплозащитным покрытием 7 из резиноподобного материала, и колец 8 в торцевых частях теплозащитного покрытия 7 у центральных отверстий фланцев. С внутренней поверхности во фланце выполнены расположенные по соосной фланцу 4 окружности ряд глухих резьбовых отверстий 9, а в кольце 8, соосные с отверстиями фланцев, сквозные отверстия 10 с зенковочными поверхностями с внутренней стороны, в которых расположены винты 11, ввернутые во фланец 4 без выступания за поверхность кольца 8 и закрытые материалом теплозащитного покрытия 7.
В виде вариантов исполнения кольцо 8 может содержать уступы 12 и 13 или выступ 14, может содержать кольцевую канавку 15, участок линейнопеременной по радиусу толщины 16.
Экспериментальная проверка подтвердила высокую прочность и надежность предложенной конструкции.