Способ управления по каналу крена в ракетном двигателе твёрдого топлива с регулятором вращательного типа и ракетный двигатель твёрдого топлива для управления по каналу крена
CONTROL METHOD VIA ROLL CHANNEL IN ROCKET ENGINE OF SOLID FUEL WITH ROTARY-TYPE REGULATOR AND ROCKET ENGINE OF SOLID FUEL FOR CONTROL ALONG ROLL CHANNEL

Изобретение относится к ракетной технике, а именно к ракетным двигателям твердого топлива для управления ракетой и способам управления по каналу крена.
Для компенсации возмущений по каналу крена при полете ракеты зачастую используются двигатели крена на твердом топливе.
Известен способ создания силы с помощью блока крена, совмещенный в едином источнике питания с созданием рабочего тела для гидравлического привода управления ДУ как по каналу крена, так и по каналам тангажа и рысканья (см. Мухамедов B.C. Твердотопливные двигатели специального назначения, Санкт-Петербург, 2018 г., стр. 105).
Единый источник питания состоит из газогенератора с зарядом торцевого горения, бака для хранения жидкости, блока крена с двусторонним игольчатым запорным устройством, регулятора давления, рулевой машинки для управления блоком крена и вкладыша с критическим сечением в патрубке, соединяющем газогенератор с блоком крена. Такой газогенератор обеспечивает постоянный газоприход за счет применения заряда торцевого горения и постоянный расход через блок крена за счет вкладыша с критическим сечением. Создание силы осуществляется блоком крена. В нейтральном положении запорного устройства блока крена продукты сгорания истекают из сопел блока крена, создавая противоположно направленные равные силы, результирующая которых равна нулю. При переключении запорного устройства в одно из крайних положений одно сопло закрывается, а другое остается открытым, и при истечении продуктов сгорания через него создается тяга, обеспечивающая креновый момент.
Недостатком данного способа и устройства является необходимость применения низкотемпературного топлива для обеспечения надежной работы бака вытеснения жидкости в привод и игольчатого запорного устройства.
R
При использовании более энергетических топлив необходимо повысить работоспособность блока крена при высоких температурах до Т=2300 К, что позволяет использование регуляторов вращательного типа (см. Соломонов Ю.С. и др. Поворотные управляющие сопла РДТТ, Москва, Физматлит, 2019 г., стр. 21). Данные способ и устройство приняты за прототип.
Ракетный двигатель твердого топлива для управления по каналу крена содержит камеру сгорания с зарядом твердого топлива и управляющий блок вращательного типа. В исходном положении регулирующий элемент блока установлен таким образом, чтобы половина проходного сечения каждого из двух противоположно направленных сопел была перекрыта. При этом обеспечивается одинаковый расход через сопла и величина управляющего усилия равна нулю. При повороте регулирующего элемента проходная площадь одного сопла увеличивается, а площадь другого сопла уменьшается на такую же величину. Создается усилие и, соответственно, момент по каналу крена. Такой способ обеспечивает постоянство суммарной площади проходных сечений противоположно направленных сопел и расхода при изменении угла поворота регулирующего элемента.
Недостатком такого способа и устройства являются непроизводительные затраты продуктов сгорания топлива при нулевой или неполной загрузке двигателя крена по созданию тяги из-за постоянства расхода в течение всего времени работы.
Задачей предлагаемого изобретения является снижение непроизводительных затрат топлива при нулевой или неполной загрузке двигателя крена по созданию тяги.
Поставленная задача решается за счет того, что в известном способе управления по каналу крена с помощью ракетного двигателя твердого топлива, заключающемся в подаче продуктов сгорания твердого топлива в управляющий блок вращательного типа и перекрытии по команде системы управления одного из сопел, дополнительно при минимальных потребных значениях управляющей силы по каналу крена двигатель переводят на пониженный режим по давлению, понижая при этом скорость горения и газоприход от заряда твердого топлива путем максимального увеличения суммарной площади проходных сечений сопел управляющего блока.
Для этого в известном двигателе твердого топлива, содержащем камеру сгорания с зарядом твердого топлива и управляющий блок вращательного типа, включающий в себя регулирующий элемент ротор и седла сопел, дополнительно регулирующие кромки ротора управляющего блока при нулевом угле отклонения его вала от вертикальной оси блока сопряжены с кромками седел сопел.
Принципиальная схема ракетного двигателя твердого топлива для управления по каналу крена, реализующего способ согласно изобретению, а также поясняющие его работу диаграммы, представлены на фиг. 1…3:
фиг 1 - продольный разрез изделия
фиг 2 - поперечный разрез изделия
фиг. 3 - сравнительный анализ расходных характеристик для прототипа и предлагаемого устройства.
Устройство состоит из камеры сгорания 1, заряда твердого топлива 2 и управляющего блока вращательного типа 3. Управляющий блок вращательного типа включает в себя регулирующий элемент ротор 4 и седла сопел 5. Регулирующие кромки 6 ротора 4 сопряжены с кромками 7 седел сопел 5. При нулевом угле отклонения вала α ротора 4 от вертикальной оси блока (оси подводящего газохода) он не перекрывает проходных сечений седел сопел 5.
Для осуществления способа управления по каналу крена в ракетном двигателе твердого топлива с регулятором вращательного типа, из камеры сгорания 1 продукты сгорания твердого топлива заряда 2 подают в управляющий блок вращательного типа 3. Для снижения непроизводительных затрат топлива при неполной загрузке двигателя крена по созданию тяги давление в камере сгорания 1 и газоприход от заряда твердого топлива 2 уменьшают путем увеличения суммарной площади проходных сечений сопел по сравнению со случаем полной загрузки при создании максимальной управляющей силы. С этой целью ротор выполнен таким образом, что при нулевом угле отклонения вала α ротора 4 от вертикальной оси блока (оси подводящего газохода), он не перекрывает проходных сечений седел сопел 5. Это обеспечивается тем, что регулирующие кромки 6 ротора 4 сопряжены с кромками 7 седел сопел 5.
В процессе работы двигателя продукты сгорания топлива из подводящего газохода поступают в управляющий блок и при нулевом угле отклонения вала α ротора 4 от вертикальной оси блока 8 истекают через оба открытых сопла, проходные сечения которых и расходы продуктов сгорания через них равны, а управляющая сила равна нулю. При этом расход продуктов сгорания через два сопла будет существенно меньше, чем при одном перекрытом сопле.
В случае необходимости создания управляющей силы система управления подает команду на рулевую машинку, кинематически связанную с валом ротора 4, и одна из регулирующих кромок 6 перекрывает проходное сечение соответствующего седла 5, отклоняясь от его кромки 7. При этом давление в камере сгорания и расход продуктов сгорания топлива поднимаются в соответствии с соотношениями:
1
2
2
1
1
2
2
1
1÷(1-v)
v÷(1-v)
p=p×(σ÷σ); m=m×(σ÷σ);
1
1
2
2
1
2
(здесь p, m - давление в камере сгорания и расход при перекрытии одного из сопел, р, m - давление и расход при полностью открытых двух соплах, σ, σ - площади одного и двух сопел соответственно, v - показатель степени в законе скорости горения топлива).
На фиг 3а, 3б представлены предельная потребная зависимость управляющей силы от времени и соответствующая ей зависимость поверхности горения от свода в предположении необходимости создания управляющей силы в течение всего времени работы.
Вместе с тем, известно, что в действительности необходимость создания предельной управляющей силы по каналу крена требуется в течение менее 15% времени работы (см. фиг 3в - зависимость угла поворота вала α ротора от времени на натурной работе). В этой связи в течение ~ 85% времени необходимость создания предельной потребной управляющей силы отсутствует, что позволяет в это время уменьшить производимый расход. Это обеспечивается увеличением в это время суммарной площади проходных сечений сопел и снижением давления в камере сгорания.
Σ
2
1
2
2
1
1
В конструкции по предлагаемому изобретению суммарная площадь проходных сечений сопел σ с ростом угла поворота вала α ротора линейно уменьшается от величины σ до величины σ (см. фиг 3г), а давление и суммарный расход с уменьшением суммарной площади проходных сечений сопел увеличиваются практически линейно от величин p, m до величин р, m соответственно (см. фиг 3д); управляющая сила при этом возрастает от нуля до предельной потребной величины.
Основываясь на циклограмме фактической загрузки двигателя крена по результатам натурных испытаний (см. фиг 3в), применение предлагаемых способа и устройства позволяет уменьшить запас топлива (свод заряда) на ~ 20%.