МАРШЕВАЯ МНОГОКАМЕРНАЯ ДВИГАТЕЛЬНАЯ УСТАНОВКА С СОПЛОВЫМ НАСАДКОМ
MULTI-CHAMBER SUSTAINER WITH JET NOZZLE

Изобретение относится к ракетной технике и может быть использовано при создании и модернизации маршевых многокамерных двигательных установок (ММДУ).
Известны ММДУ, применяемые в ракетах-носителях «Протон» и «Союз» [каталог «Оружие России», том VI, ЗАО «Военный парад», Россия, Москва, 1996-1997, стр.542-544, 607, 611].
Известны два варианта конструкций двухпозиционного соплового насадка для ММДУ (патент RU 2267026). В первом варианте сопловой насадок имеет форму стакана, донная часть которого снабжена отверстиями для сопел. Сопловой насадок охватывает сопла и установлен на силовом элементе, позволяющем перемещать этот насадок в продольном направлении из транспортной позиции в рабочую, при которой срез насадка выступает за срез сопел. Во втором варианте сопловой насадок имеет форму стакана с выдвижной боковой поверхностью, например, в виде телескопических секций. Насадок установлен на силовом элементе, позволяющем перемещать выдвижную концевую часть насадка в продольном направлении из транспортной позиции, при которой срез насадка расположен выше или на уровне среза сопел, в рабочую позицию, при которой срез насадка выступает за срез сопел. В обоих вариантах форма соплового насадка цилиндрическая. Повышение тяги, создаваемой ММДУ, по сравнению с ММДУ с обычно используемым донным экраном без боковой поверхности (т.е. без донного насадка) достигается за счет некоторого увеличения давления на этом экране в результате замыкания донной области ММДУ боковой поверхностью, простирающейся от донного экрана до места прихода на нее выхлопных струй двигателя, что возможно только в условиях внешнего давления, меньшего, чем это донное давление, например в условиях внешнего вакуума. Однако использование таких сопловых насадков в форме цилиндрического стакана имеет следующие недостатки:
- из-за цилиндрической формы боковой стенки соплового насадка зоны повышенного давления на этой стенке, образующиеся при взаимодействии с ней истекающих из сопел ММДУ струй продуктов сгорания, не создают вклада в тягу ММДУ,
- из-за цилиндрической формы соплового насадка и прямого среза насадка (т.е. выходная кромка насадка лежит в плоскости, перпендикулярной оси ММДУ) зоны повышенного давления, образующиеся при взаимодействии истекающих из сопел ММДУ струй продуктов сгорания с боковой стенкой насадка, при повороте камер ММДУ при управлении вектором тяги будут действовать в сторону, противоположную боковой силе, создаваемой поворотом камер, т.е. будут препятствовать управлению вектором тяги качанием камер, вплоть до нейтрализации управляющего усилия.
Технической задачей предлагаемого изобретения является более значительное, чем при использовании описанного в патенте RU 2267026 соплового насадка, повышение эффективного, т.е. учитывающего массу этого насадка и устройства его выдвижения через баллистический массовый эквивалент удельного импульса тяги, удельного импульса тяги ММДУ в условиях внешнего вакуума или внешнего давления, меньшего, чем донное давление продуктов сгорания, а также обеспечение управления вектором тяги при заданных углах качания камер.
Технический результат достигается тем, что в маршевой многокамерной двигательной установке (ММДУ) с сопловым насадком, выполненным в форме стакана, и устройством выдвижения сопловой насадок выполнен составным и образован из стационарного донного экрана с отверстиями для сопел и донного насадка, причем донный насадок или его концевая часть, если донный насадок составной, соединены с устройством выдвижения с возможностью перемещения донного насадка или его концевой части из транспортного положения, при котором срез донного насадка не выступает за срез сопел, в рабочее положение, при котором срез донного насадка расположен за срезом сопел. Внутренняя поверхность донного насадка расширяется от донного экрана к срезу донного насадка в пределах поперечного габарита межступенчатого отсека.
Кроме этого, внутренняя поверхность донного насадка может быть не осесимметричной, а в сечениях, перпендикулярных оси ММДУ, иметь форму, составленную из дуг окружностей, огибающих сопла, и плавно сопряженных с ними овалов или эллипсов между соплами. Срез донного насадка может быть не прямым, а может иметь волнообразный профиль с максимальной длиной образующей донного насадка в местах наибольшего удаления наружных поверхностей сопел от оси ММДУ и минимальной длиной образующей между соплами.
В центре донного экрана может быть сужающийся к концу выступ, осесимметричный или имеющий в сечениях, перпендикулярных оси двигателя, форму гипоциклоиды или гипотрохоиды, с возможностью выдвижения выступа или его части, если выступ составной, из транспортной позиции в рабочую.
Использование составного соплового насадка, образованного из стационарного донного экрана с отверстиями для сопел и донного насадка, позволяет увеличить давление на донном экране и, соответственно, тягу ММДУ. Расширяющаяся внутренняя поверхность донного насадка от донного экрана к срезу донного насадка в пределах поперечного габарита межступенчатого отсека позволяет получить добавку к тяге, соответственно к удельному импульсу тяги ММДУ, от зон повышенного давления на этой поверхности, образующихся при взаимодействии с этой поверхностью истекающих из сопел ММДУ струй продуктов сгорания, величина которой сопоставима с величиной добавки к тяге, соответственно к удельному импульсу тяги ММДУ, от давления продуктов сгорания на донном экране ММДУ. Донный экран стационарный, а донный насадок или только его концевая часть выдвигаются устройством выдвижения из транспортного положения, в котором срез донного насадка не выступает за срез сопел ММДУ, в рабочее, в котором срез донного насадка располагается на максимальном удалении от среза сопел.
Не осесимметричная, а составленная в сечениях, перпендикулярных оси ДУ, из дуг окружностей, огибающих сопла, и плавно сопряженных с ними овалов или эллипсов форма внутренней поверхности донного насадка позволяет увеличить области повышенного давления, образующиеся на этой поверхности при натекании на нее струй продуктов сгорания из сопел ММДУ, что, соответственно, позволяет увеличить прирост удельного импульса тяги ММДУ за счет применения донного насадка.
Волнообразный в окружном направлении, а не прямой, профиль среза донного насадка с максимальной длиной образующей насадка в местах наибольшего удаления наружных поверхностей сопел от оси ДУ и минимальной длиной образующей между соплами позволяет устранить или уменьшить негативное влияние на управление вектором тяги с помощью качающихся камер ММДУ перемещения зон повышенного давления на стенке донного насадка, образующихся при взаимодействии с этой стенкой струй камер ММДУ, т.к. при повороте камер ММДУ эти зоны будут выходить за пределы донного насадка.
Выступ на донном экране, сужающийся к концу, осесимметричный или имеющий в сечениях, перпендикулярных оси двигателя, форму гипоциклоиды или гипотрохоиды, с возможностью выдвижения выступа или его части, если выступ составной, обтекаемый потоком продуктов сгорания из сопел ММДУ и (или) от места взаимодействия между собой струй камер ММДУ, позволяет увеличить давление на этой части донного экрана, соответственно увеличить прирост удельного импульса тяги ММДУ.
При применении вышеописанных форм внутренней поверхности донного насадка, выступа донного экрана и среза донного насадка для конкретной ММДУ и, соответственно, ступени ракеты-носителя необходимо их оптимизировать с помощью метода прямой оптимизации, т.е. оптимизировать параметры аналитических способов задания этих форм, с целью максимизации эффективного удельного импульса суммарной тяги ММДУ с сопловым насадком с учетом массы донного экрана, донного насадка и устройства его (или их) выдвижения через баллистический массовый эквивалент удельного импульса тяги, а также минимизировать негативное влияние донного насадка на управление вектором тяги ММДУ качающимися камерами.
Изобретение поясняется чертежами.
На Фиг.1 представлен вид по оси ММДУ со стороны срезов сопел на четырехкамерную ММДУ с сопловым насадком. На Фиг.2 представлен указанный на Фиг.1 вид по линии сечения А-А для соплового насадка с выдвижным донным насадком, а на Фиг.3 вид по линии сечения А-А с выдвижной частью донного насадка, если донный насадок составной. На Фиг.4 и Фиг.5 показаны виды по линии сечения Б-Б (Фиг.1) соответственно с выдвижным донным насадком и с выдвижной частью донного насадка.
На Фиг.1-5 позиции 1 - сопло ММДУ, 2 - вырез в донном экране для сопла, 3 - неосесимметричный расширяющийся донный насадок, 4 - срез донного насадка, 5 - донный экран, 6 - граница донного экрана, 7 - выступ донного экрана гипоциклоидной формы у основания и круглый на конце, 8 - направления качания камер для управления вектором тяги, 9 - выдвижной донный насадок [Фиг.2, 4] и составной донный насадок с выдвижной концевой частью [Фиг.3, 5]. Транспортное положение донного насадка показано на Фиг.2-5 пунктирными линиями, при этом срез донного насадка не выступает за срез сопел, а рабочее положение донного насадка показано сплошной линией, при этом срез донного насадка расположен за срезом сопел. Донный насадок или его концевая часть, если донный насадок составной, а также выступ донного экрана или его концевая часть, если выступ составной, соединены с устройством выдвижения (на чертежах это устройство не показано).
Из этих чертежей видно, что показанный на них неосесиммеричный, огибающий сопла, донный насадок расширяется от донного экрана к своему срезу и имеет криволинейный срез с уменьшением длины донного насадка в направлении качания камер (сопел) для устранения или уменьшения негативной реакции донного насадка на управление вектором тяги при качании камер, при этом донный экран между соплами имеет прямолинейные границы 6, вырезы 2 под сопла 1 и неосесимметричный выступ 7 в центре, имеющий форму гипоциклоиды у основания и круглый срез. Зоны максимального давления продуктов сгорания на внутренней поверхности этого соплового насадка формируются на выступе центрального тела, обтекаемом потоком продуктов сгорания из сопел сгорания ММДУ и (или) направленным от места взаимодействия четырех струй камер ММДУ между собой к донному экрану, и на участках донного насадка, выступающих за срезы сопел и обтекаемых приходящими на них сопловыми струями. Более низкие давления на остальных участках донного экрана и на донном насадке до места прихода на него сопловых струй создаются продуктами сгорания, попадающими к ним в основном от места взаимодействия четырех струй камер ММДУ между собой. При наклоне камер в направлениях, указанных стрелками 8, зона максимального давления продуктов сгорания на внутренней поверхности донного насадка смещается в сторону уменьшения длины донного насадка, соответственно уменьшается площадь этой зоны и, соответственно, уменьшается создаваемая этой зоной боковая сила, действующая в противоположном создаваемой повернутой камерой боковой силе направлении.
В рабочее положение донный насадок и выступ донного экрана (если в рабочем положении его срез выступает за срез сопел) выдвигаются устройствами их выдвижения перед началом работы ММДУ или сразу после начала работы ММДУ, если внешнее давление ниже донного давления на донном экране с убранными в транспортное положение донным насадком и выступом донного экрана, или, если ММДУ начинает работать при более высоком, чем это донное давление, внешнем давлении (например, при работе ММДУ второй ступени ракеты-носителя с места старта), то после понижения внешнего давления до величины более низкой, чем донное давление на донном экране.
Выполненные расчетные и экспериментальные исследования показали, что применение расширяющегося донного насадка вместо цилиндрического позволяет получить прибавку к тяге ДУ в 2…3 раза более высокую, чем с предлагаемыми в патенте RU 2267026 цилиндрическим донными насадками той же длины.