Заглушка воздухозаборного устройства ракетно-прямоточного двигателя

Полезная модель относится к ракетостроению, а именно к внутренним заглушкам входа воздухозаборного устройства (ВЗУ) в камеру дожигания (КД) ракетно-прямоточного двигателя (РПД).
Известен ракетный двигатель с заглушкой корпуса воздушного канала, в котором заглушка ВЗУ выполнена из композиционного материала заподлицо с изолирующей футеровкой обшивки корпуса двигателя. Пиротехнические зарядные устройства скреплены с композитным материалом и поджигаются для образования отверстия в крышке для потока воздуха во время работы ВЗУ (Патент USA №5784877, МПК F02K 7/18, опубликовано 28.07.1998).
Недостатком известного решения является низкая надежность работы двигателя, обусловленная неконтролируемым и нестабильным процессом прожигания отверстия в заглушке ВЗУ.
Известна расходная заглушка воздушного канала интегрального РПД, изготовленная из слоистого материала из Pd и А1, которая сгорает в короткий период между окончанием режима стартового и начала маршевого режима двигателя, чтобы обеспечить попадание набегающего потока воздуха для ракетного двигателя (Патент USA №6631610 МПК F02K 7/18, опубликовано 14.10.2003).
Данное устройство взято за прототип.
Недостатками прототипа являются применение дорогого металла Pd и сложность ее изготовления, требующая набора нескольких слоев материалов в определенной их последовательности и толщины, а также недостаточная надежность работы заглушки, обусловленная неравномерностью сгорания по ее поверхности.
Проблемой решаемой, созданной полезной моделью является устранение недостатков прототипа, а именно, упрощение конструкции, повышение надежности работы заглушки, а также увеличение тяговой мощности РПД.
Выше указанная проблема решается с помощью признаков, указанных в 1-м пункте формулы полезной модели, общих с прототипом, таких как заглушка воздухозаборного устройства ракетно-прямоточного двигателя, расположенная в окне входа воздухозаборного устройства в камеру дожигания и предназначенная для защиты элементов регулирования и распределения маршевого топлива на стартовом режиме, и отличительных существенных признаков таких как для герметизации камеры дожигания прямоточного двигателя заглушка выполнена из сверхвысокомолекулярного полиэтилена.
Согласно п. 2 формулы полезной модели окно входа воздухозаборного устройства выполнено решетчатого типа, например из термообработанной стали КВК-26, с внутренними наклонными ребрами жесткости - перемычками, под размещение и крепление выпуклых элементов заглушки в отверстиях окна.
Вышеперечисленная совокупность существенных признаков позволяет получить следующий технический результат:
1. При хранении двигателя в составе летательного аппарата, внутренняя заглушка обеспечивает надежную герметизацию КД от воздействия внешней среды (осадков, коррозии и т.п.).
2. Внутренняя заглушка надежно служит для герметизации КД РПД в момент работы стартово - разгонной ступени и выдерживает нагрузки при давлении в КД до 150 атм.
3. Внутренняя заглушка изготовлена из доступного и относительно дешевого сверхвысокомолекулярного полиэтилена, выполнена сбрасываемой и расходной, а на маршевом режиме работы РПД за счет сгорания сверхвысокомолекулярного полиэтилена применяется в качестве дополнительного источника энергии (дополнительного топливного элемента) в потоке продуктов сгорания твердого топлива РПД, повышая до 5% тяговые характеристики РПД.
Сверхвысокомолекулярный полиэтилен (СВМПЭ) - материал для экстремальных условий. В отличие от традиционного полиэтилена, который применяется в основном в упаковочной отрасли, СВМПЭ применяется для формованных деталей. Прочностные характеристики СВМПЭ находятся на уровне алюминия. СВМПЭ может выступать в качестве заменителя других, более дорогостоящих материалов, таких как сталь, бронза, полиамиды, фторопласты, а может являться технически необходимым, т.е. единственно пригодным, для данной цели материалом [С.С. Галибеев, Р.З. Хайруллин, В.П. Архиреев Сверхвысокомолекулярный полиэтилен. Тенденции и перспективы. // Вестник Казанского технологического университета. - 2008. - Т. 2. - С. 50-55.]. В частности, СВМПЭ обладает повышенной жесткостью и исключительно высокой ударной прочностью, высокой стойкостью в агрессивных средах (коррозионной стойкостью), высокой морозостойкостью.
Одновременно в стартово - разгонной ступени РПД при воздействии на заглушку из СВМПЭ эксплуатационной температуры 2500 К и более СВМПЭ является легковоспламеняемым и легкосгораемым материалом (горючий, легкосгораемый материал с высокой скоростью горения). В полезной модели материал заглушки ВЗУ при ее сбрасывании в процессе работы камеры дожигания РПД становится составной частью продуктов сгорания твердого топлива.
Полезная модель иллюстрируется следующими чертежами: на Фиг. 1 приведена схема размещения внутренней заглушки ВЗУ входа в КД РПД, где позициями обозначены: 1 - газогенератор, 2 - корпус ВЗУ, 3 - регулятор, 4 - окно решетчатого типа КД с заглушкой, 5 - камера дожигания;
на Фиг. 2 - окно решетчатого типа с заглушкой, где позициями обозначены: 4 - окно, 6 - заглушка.
на Фиг. 3 - процесс сброса заглушки из окна решетчатого типа, где позициями обозначены: 4 - окно решетчатого типа, 6 - заглушка.
Внутренняя заглушка (поз. 6 Фиг. 2, 3) окна решетчатого типа на входе в КД представляет собой конструкцию, выполненную из СВМПЭ методами прессования, литья, спекания, гель-формования, рэм-экструзии, состоящей из 8-ми выпуклых наклонных элементов, расположенных на едином основании, выполненном в виде цилиндрической поверхности, беззазорно входящих в отверстия окна. Также крепление выпуклых элементов заглушки к отверстиям окна может обеспечиваться с помощью клеевых соединений или герметика с хорошей адгезией к СВМПЭ.
Окно решетчатого типа (поз. 4 Фиг. 2, 3) представляет собой сварную конструкцию из термообработанной стали КВК-26 с внутренними наклонными ребрами жесткости (перемычками), выполненные фрезерованием, лазерной резкой или другими технологическими методами под размещение и крепление выпуклых элементов заглушки в отверстиях окна. Окно соединяется с цилиндрическим корпусом камеры дожигания РПД с помощью сварки.
Внутренняя заглушка 6 (Фиг. 2, 3) под действием давления торможения в канале ВЗУ 2 фиг. 1 срезается с окна и попадает с воздушным потоком, поступающим через ВЗУ, целиком в объем КД 5, где в процессе горения маршевого заряда твердого топлива под воздействием температуры продуктов сгорания топлива 2500 К и более материал заглушки воспламеняется, сгорает и переходит в газообразное состояние, выступая в качестве дополнительного источника энергии (дополнительного топливного элемента) и обеспечивая повышение до 5% тяговых характеристик РПД.
Устройство работает следующим образом:
При хранении двигателя в составе летательного аппарата заглушка 6 фиг. 2, 3 обеспечивает надежную герметизацию камеры сгорания 5 фиг. 1 от внешней среды.
В момент работы стартово-разгонной ступени РПД заглушка 6 фиг. 2, 3 надежно служит для герметизации КД 5 фиг. 1 до перехода на маршевый режим работы РПД.
В момент перехода на маршевый режим механизм вскрытия сброса внутренней заглушки приводится в действие после выгорания заряда стартового топлива. В заключительный момент выгорания заряда топлива в стартово-разгонной ступени РПД значение расчетного максимального внутреннего давления в камере, составляющего 130 атм, падает до атмосферного в зависимости от высоты полета летательного аппарата. Под действием давления торможения в канале ВЗУ 2 фиг. 1 внутренняя заглушка 6 фиг. 2, 3 срезается с окна и попадает с воздушным потоком, поступающим через ВЗУ, целиком в объем КД 5, где в процессе горения маршевого заряда твердого топлива под воздействием температуры продуктов сгорания топлива материал заглушки воспламеняется, сгорает и переходит в газообразное состояние, выступая в качестве дополнительного источника энергии (дополнительного топливного элемента) и обеспечивая повышение до 5% тяговых характеристик РПД.
Из описания и практического применения настоящей полезной модели специалистам будут очевидны и другие частные формы ее выполнения. Данное описание и чертежи рассматриваются как материал, иллюстрирующий полезную модель, сущность которой и объем патентных притязаний определены в нижеследующей формуле полезной модели, совокупностью существенных признаков и их эквивалентами.