ВЫСОТНОЕ СОПЛО ЛАВАЛЯ

Предлагаемая полезная модель относится к области ракетостроения и может найти применение, в частности, в многокамерных жидкостных ракетных двигателях первых ступеней ракет, работающих со старта на Земле.
Известно высотное круглое сопло с изломом контура, состоящее из круглого сопла и высотного круглого насадка (см. патент Германии №3820322 С2, МПК F02К 9/97, 1987). Площади минимального (критического) сечения и выходного (среза сопла) остаются неизменными по сравнению с обычным осесимметричным соплом. Обычный контур сопла состоит из двух частей - контура земного сопла и контура насадка. В сечении сопряжения контуров сопла и насадка имеет место изгиб контура. В процессе работы сопла происходит принудительный отрыв потока газа в сечении излома на определенной высоте полета, при котором давление газа в этом сечении будет равно атмосферному. При этом поток газа, оторвавшись от стенки сопла, не будет взаимодействовать с контуром насадка, расположенным ближе к выходному сечению, способствуя снятию перерасширения газа. Больший угол раскрытия в выходном сечении насадка, чем на срезе сопла способствует проникновению атмосферного давления к сечению отрыва и улучшению характеристик отрыва. После дальнейшего снижения атмосферного давления скачок уплотнения переходит на срез насадка, при этом весь контур начинает участвовать в создании тяги.
Недостатком известного сопла является ухудшение тяговых характеристик из-за неоптимального контура насадка.
Задачей настоящей полезной модели является улучшение тяговых характеристик сопла с изломом контура за счет оптимального профилирования насадка.
кр
Поставленная задача решается за счет того, что в высотном сопле Лаваля, содержащем круглое сопло двигателя 1-ой ступени с радиусом критического сечения y и соосно с ним установленный высотный круглый насадок, которые соединены друг с другом с образованием излома контура, согласно полезной модели профиль высотного круглого насадка выполнен в виде параболы, координаты которой определяются по формуле
a
a
a
a
3
2
y(x)=(x-x)+b(x-x)+c(x-x)+d, где
,
a
a
a
b
b
, где c=tgα, d=y, x, y - координаты начальной точки профиля, а α - угол наклона касательной в начальной точке профиля на входе насадка, x, y - координаты последней точки профиля, а β - угол наклона касательной в последней точке профиля на срезе насадка.
b
кр
b
кр
При этом при этом отношение радиусов y/y на срезе насадка выбирают в пределах y/y=8÷18, угол наклона касательной на входе насадка α=15°÷70°, а на срезе насадка β=4°÷20°.
На фиг.1 изображено продольное сечение заявляемого высотного сопла Лаваля с изломом контура.
На фиг.2 высотная характеристика заявляемого высотного сопла Лаваля с изломом контура.
Заявляемое высотное сопло Лаваля с изломом контура (фиг.1) содержит неподвижное «земное» сопло 1 двигателя 1-ой ступени и, соосно с ним установленный круглый высотный насадок 2, соединенные между собой неподвижно. При этом в месте стыковки насадка с неподвижным «земным» соплом образован излом контура. Кроме того, угол на входе в насадок (за изломом контура) составляет α=15°÷70°, а угол на его срезе составляет β=4°÷20°.
Заявляемое высотное сопло Лаваля с изломом контура работает следующим образом. При старте ракеты с Земли и полете ее в плотных слоях атмосферы из-за излома контура происходит принудительный отрыв газового потока, благодаря чему в высотном насадке не наступает перерасширение потока газа, и насадок как бы отключается. В результате этого короткое «земное» сопло работает на штатном оптимальном режиме, близком к расчетному.
Круглое сопло Лаваля развивает максимальную тягу только тогда, когда давление газа на его срезе равно атмосферному. Известно также, что «земное» сопло двигателя 1-ой ступени имеет фиксированную геометрическую степень расширения, то есть рассчитано на одно конкретно заданное давление, а атмосферное давление является переменным по высоте полета ракеты. Для того чтобы ракетный двигатель развивал максимальную удельную тягу по всей высоте полета, высотное составное сопло Лаваля не должно иметь гладкий контур, т.к. при гладком контуре возникают большие потери тяги из-за перерасширения газа и отрыва потока внутри него. Таким образом, при работе в плотных слоях атмосферы такое сопло должно иметь профиль «земного» сопла двигателя 1-ой ступени, а на высоте (в разреженной атмосфере) - земное сопло должен содержать высотный насадок.
Благодаря оптимальному профилированию контура высотного насадка путем использования предлагаемой формулы, снизятся потери тяги, возникающие из-за неоптимальности контура. Кроме того, повышение среднего по траектории полета удельного импульса двигателя при полете ракеты в верхних слоях атмосферы и снижении внешнего давления происходит за счет того, что скачок уплотнения, препятствующий перерасширению потока газа внутри высотного насадка 2 (фиг.1), перескакивает на срез насадка. В результате этого поток полностью заполняет насадок, он вступает в работу, создавая дополнительную тягу, и высотное сопло Лаваля с изломом контура работает вновь на режиме близком к расчетному.
Благодаря последовательному включению в работу сначала «земного» сопла 1, а затем высотного насадка 2, высотная характеристика сопла Лаваля с изломом контура близка к характеристике сопла с непрерывно регулируемой высотностью (фиг 2).
Выбранный диапазон значения угла на входе в высотный насадок объясняется тем, что при угле α<15° длина насадка увеличится, в результате чего произойдет утяжеление конструкции двигателя из-за слишком большого увеличения габаритов сопла, а при α>70° произойдет увеличение потерь тяги из-за повышения донного давления за изломом контура.
При угле на срезе высотного насадка - β<4° длина насадка увеличится, в результате чего произойдет утяжеление конструкции двигателя из-за слишком большого увеличения габаритов сопла, а при β>20° произойдет повышение потерь тяги на рассеяние.
b
кр
b
кр
b
кр
Выбранный диапазон отношения радиусов y/y=8÷18 на срезе насадка объясняется тем, что при отношении радиусов y/y<8 насадок не создаст максимальную тягу, т.к. газовый поток выйдет из него недорасширенным (не хватает стенки), а при отношении радиусов y/y>18 насадок также не создаст максимальную тягу, т.к. газовый поток будет работать с перерасширением, что создаст отрицательную тягу. Кроме того, в этом случае произойдет утяжеление конструкции двигателя из-за увеличения габаритов насадка.
Таким образом, высотное сопло Лаваля с изломом контура, состоящее из неподвижного «земного» сопла и высотного насадка, одинаково хорошо работает как вблизи Земли, так и на высоте (в разреженной атмосфере).
Предлагаемое изобретение обеспечивает возможность увеличения полезного груза, выводимого летательным аппаратом на орбиту, или увеличение дальности полета за счет оптимального профилирования насадка, в результате чего повышается средний по траектории полета удельный импульс двигателя, что обеспечивает экономический эффект от использования заявляемой полезной модели.