РАСТРУБ СОПЛА РАКЕТНОГО ДВИГАТЕЛЯ С ТЕПЛОВОЙ ИЗОЛЯЦИЕЙ
TRUMPET OF NOZZLE OF ROCKET ENGINE WITH HEAT-FLOW BARRIER

Предлагаемое изобретение относится к области ракетной техники, а именно к конструкции раструба сверхзвуковой части сопла ракетного двигателя, преимущественно жидкостного.
Известны конструкции камер жидкостных ракетных двигателей (ЖРД) с насадками радиационного охлаждения из углерод-керамических композиционных материалов (патенты РФ №2266424, РФ №2196917, РФ №2251015).
Недостаток этих конструкций в том, что тонкостенный сопловой насадок в процессе работы нагревается до высоких температур и излучение его внешней поверхности может негативно воздействовать на агрегатный отсек двигателя.
Патентом РФ №2421627 защищена конструкция раструба сопла ракетного двигателя из углепластика с теплозащитным материалом. Недостаток этой конструкции заключается в том, что раструб сопла, изготовленный из углепластика, имеет меньший ресурс работы в составе жидкостного ракетного двигателя по сравнению с раструбом из углерод-керамического композиционного материала, который имеет защиту от окисляющих компонентов продуктов сгорания. Изготовление же данной конструкции из углерод-керамического композиционного материала потребует внесения существенных изменений в конструкцию раструба сопла, что значительно увеличит трудоемкость его изготовления.
Техническим результатом, достигаемым изобретением, является обеспечение защиты агрегатного отсека двигателя и приборов, расположенных вблизи сопла, от перегрева при минимальном увеличении веса и изменении конструкции самого раструба. Раструб сопла ракетного двигателя выполнен из композиционного материала, который представляет собой армированную углеродными волокнами керамическую матрицу. Тепловая изоляция раструба сопла выполнена в виде кожуха из пакета пластин углеродного войлока, зашитого в армирующую оболочку из стеклоткани и прошитого армирующими нитями. При этом кожух закреплен на внешней поверхности сопла. Кожух может быть прикреплен к фланцевому соединительному кольцу у стыка раструба и камеры сгорания и к бандажному кольцу с отверстиями у среза раструба посредством армирующей нити.
Кожух может быть закреплен на внешней поверхности сопла высокотемпературным клеем. Армирующая нить может быть выполнена из стекловолокна или углеродного волокна.
3
В качестве основного теплоизоляционного материала используется низкоплотный (≈100-130 кг/м) углеродный войлок. Но ввиду того, что сам углеродный войлок не обладает приемлемой механической прочностью, была разработана конструкция и ее крепление на раструб.
Суть предлагаемого изобретения поясняется фигурами 1 и 2, на которых показаны сечения раструба сопла с тепловой изоляцией и различные способы крепления теплозащитного кожуха на раструбе сопла.
Защищаемое устройство представляет собой раструб сопла 1 ракетного двигателя из углерод-керамического композиционного материала, поверх которого закреплен теплозащитный кожух, который выполнен из пластин 4 углеродного войлока, зашитого в армирующую оболочку 3 из стеклоткани и прошит армирующими нитями. На фигуре 1 показан способ крепления теплозащитного кожуха с помощью высокотемпературного клея 2.
В случае, если ракетный двигатель предназначен для работы в условиях нижних слоев атмосферы или при наземных испытаниях, пакет пластин 4 углеродного войлока, зашитого в армирующую оболочку 3, может быть прикреплен армирующей нитью 7 к фланцевому соединительному кольцу 5, с помощью которого раструб сопла прикрепляется к камере ЖРД, и к бандажному кольцу 6 с отверстиями у среза раструба, которое в таком случае должно быть дополнительно предусмотрено в конструкции раструба сопла 1.
При включении сопла в работу продукты сгорания поступают в раструб сопла под воздействием давления и температуры, при этом раструб прогревается до температуры ~1500-2000°С, в том числе на внешней поверхности. В зависимости от требований конкретного двигателя требуется обеспечить на внешней поверхности раструба температуру на уровне 50-350°С. Толщина теплозащитного пакета может меняться в зависимости от требований конструкции двигателя.
3
3
Выполнение раструба из углерод-керамического композиционного материала с теплозащитным пакетом в соответствии с предложенным изобретением позволяет сделать сопло более легким (удельный вес теплоизоляционного материала ≈100-130 кг/м, удельный вес материала сопла и армирующих материалов ≈1400-1750 кг/м), обеспечить защиту агрегатного отсека двигателя и приборов, расположенных вблизи сопла от негативного воздействия высоких температур, а также обеспечить механическую стойкость теплоизоляционного пакета, в том числе при работе в наземных условиях.
Работоспособность такой конструкции, ее надежность и эксплуатационные характеристики подтверждены циклом стендовой отработки с положительными результатами. Проведено 6 запусков суммарной длительностью 600 секунд на стендовом кислород-керосиновом ЖРД с раструбом, снабженным тепловой изоляцией. В процессе испытаний с помощью термопар измерялась температура поверхности самого раструба и внешней поверхности теплоизоляционного пакета. Между испытаниями проводился визуальный осмотр конструкции на наличие дефектов. Все испытания проводились без переборки конструкции. По итогам испытаний предлагаемая конструкция сохранила свою целостность и работоспособность.