КОРПУС РАКЕТНОГО ДВИГАТЕЛЯ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА (ВАРИАНТЫ) И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ (ВАРИАНТЫ)
SOLID-PROPELLANT ROCKET ENGINE BODY (VERSIONS) AND ITS FABRICATION (VERSIONS)

Группа изобретений относится к области машиностроения, а именно к корпусам ракетных двигателей твердого топлива (РДТТ) из полимерных композиционных материалов.
Силовая оболочка из полимерных композиционных материалов такого корпуса имеет внутреннее теплозащитное покрытие (ТЗП) из резиноподобных материалов, к которому на днищах прикреплены эластичные раскрепляющие манжеты, предназначенные для защиты торцевой части твердого топлива от преждевременного воспламенения при перемещении (деформировании) дна при действии внутреннего давления. Манжета представляет собой тонкостенную кольцеобразную конструкцию, которая изготавливается из резиноподобного материала, соединяется с ТЗП по внешнему своему диаметру и прилегает к ТЗП дна, в основном, по всей поверхности. Соединение манжеты с ТЗП должно обеспечивать работоспособность конструкции при больших перемещениях дна - при отходе манжеты и ТЗП друг от друга.
Известен корпус РДТТ из полимерных композиционных материалов с внутренним ТЗП и скрепленными с ним манжетами, выполненными на основе резиноподобных материалов [1, с.61-64]
Известен корпус РДТТ из полимерных композиционных материалов, содержащий скрепленные с ТЗП манжеты по патенту [2].
Общими недостатками подобных известных конструкций является низкая прочность соединения манжеты с ТЗП, так как при малом радиусе перехода их сопрягаемых поверхностей, определяемым толщиной разделительного слоя ткани или пленки, здесь, как у концентратора напряжений, возникает резкое увеличение напряжений, при действии внутреннего давления и отходе манжеты и ТЗП друг от друга.
Корпус РДТТ по [1] является наиболее близким к заявляемому по технической сущности и достигаемому результату и выбран в качестве ближайшего аналога (прототипа).
Известен способ изготовления корпуса РДТТ из полимерных композиционных материалов [3, стр.434-438, рис.6.11.], по которому на форме из листового резиноподобного материала выкладывается ТЗП с манжетами, вулканизуется, устанавливается на оправку и заматывается полимерным композиционным материалом с последующей термообработкой (полимеризацией).
Известный способ изготовления корпуса РДТТ не устраняет недостатка, отмеченного в конструкции корпуса.
Способ изготовления корпуса РДТТ по [3] является наиболее близким к заявляемому по технической сущности и достигаемому результату и выбран в качестве ближайшего аналога (прототипа).
Технической задачей, на решение которой направлена группа изобретений, является разработка сравнительно простой и технологичной в изготовлении конструкции соединения манжеты с ТЗП, позволяющей обеспечить более равномерное распределение напряжений в соединения.
Техническим результатом от использования группы изобретений, связанных настолько, что образуют единый изобретательский замысел, является повышение прочности соединения манжеты с внутренним ТЗП, повышение эксплуатационной и экономической эффективности конструкции корпуса РДТТ из полимерных композиционных материалов и повышении надежности двигателя в целом.
Техническая задача решается, а технический результат достигается тем, что:
- в корпусе РДТТ, содержащем силовую оболочку из полимерных композиционных материалов с фланцами в полюсных отверстиях, облицованную по внутренней поверхности теплозащитным покрытием с раскрепляющими эластичными манжетами из резиноподобных материалов, согласно изобретению соединение манжеты и теплозащитного покрытия содержит кольцевую полость, образованную разнесенными эквидистантно, кольцевыми поясками их противолежащих поверхностей, сопряженными по дуге со стороны своих внешних кромок и снабженными взаимосходящимися коническими участками со стороны внутренних, в которой расположены скрепленные между собой слои упругоэластичного тканого материала, каждый из которых эквидистантно повторяет противолежащую часть поверхности полости, причем слои выполнены переменной, нарастающей от внутреннего к наружному, поперечной длины, в основном с конгруэнтным расположением обращенных друг к другу поверхностей соседних слоев или частей одного слоя, расположение кромок каждого слоя и всех вместе разнесено между собой, а наружный слой по всей своей наружной поверхности скреплен, за счет внедрения в его структуру резиноподобного материала, с манжетой и теплозащитным покрытием (вариант I);
- в корпусе РДТТ, содержащем силовую оболочку из полимерных композиционных материалов с фланцами в полюсных отверстиях, облицованную по внутренней поверхности теплозащитным покрытием с раскрепляющими эластичными манжетами из резиноподобных материалов, согласно изобретению соединение манжеты и теплозащитного покрытия содержит кольцевую полость, образованную разнесенными эквидистантно, кольцевыми поясками их противолежащих поверхностей, сопряженными по дуге со стороны своих внешних кромок и снабженными взаимосходящимися коническими участками со стороны внутренних, в которой расположены скрепленные между собой слои упругоэластичного тканого материала, каждый из которых эквидистантно повторяет противолежащую часть поверхности полости, причем слои выполнены переменной, нарастающей от внутреннего к наружному, поперечной длины, в основном с конгруэнтным расположением обращенных друг к другу поверхностей соседних слоев или частей одного слоя, расположение кромок каждого слоя и всех вместе разнесено между собой, наружный слой по всей своей наружной поверхности скреплен, за счет внедрения в его структуру резиноподобного материала, с манжетой и теплозащитным покрытием, а в массиве материалов манжеты и теплозащитного покрытия расположен эквидистантно поверхности полости, как минимум, один слой упругоэластичного материала (вариант II);
- способ изготовления корпуса ракетного двигателя (по варианту I), заключающийся в выкладке на форме теплозащитных покрытий днищ с манжетами, из листового резиноподобного материала, их вулканизации, установке на оправке и намотке силовой оболочки из полимерного композитного материала, согласно изобретению на форме выкладывают из листового резиноподобного материала манжету и, вне манжеты, частично, теплозащитное покрытие, собирают продольный пакет из лент упругоэластичного тканого материала разной ширины с последовательно увеличивающейся шириной по толщине, скрепляют между собой, с широкой стороны укладывают ленту из резиноподобного материала, подпрессовывают пакет при повышенной температуре до внедрения резиноподобного материала в структуру, по меньшей мере, одного слоя прилегающей ткани, укладывают на форме по окружности границы манжеты слоем резиноподобного материала форме, сшивают между собой торцевые части слоев пакета, перегибают половину пакета от большего радиуса к меньшему до соприкосновения двух половин между собой, а затем выкладывают оставшиеся части теплозащитного покрытия (вариант I);
- способ изготовления корпуса ракетного двигателя (по варианту II), заключающийся в выкладке на форме теплозащитных покрытий днищ с манжетами, из листового резиноподобного материала, их вулканизации, установке на оправке и намотке силовой оболочки из полимерного композитного материала, согласно изобретению на форме выкладывают из листового резиноподобного материала манжету и, вне манжеты, частично, теплозащитное покрытие, собирают продольный пакет из лент упругоэластичного тканого материала разной ширины с последовательно увеличивающейся шириной по толщине, скрепляют между собой, с широкой стороны укладывают ленту из резиноподобного материала, и как минимум один набор лент из тканого и резиноподобного материалов, последним наружу, подпрессовывают пакет при повышенной температуре до внедрения резиноподобного материала в структуру, по меньшей мере, одного слоя прилегающей ткани, укладывают на форме по окружности границы манжеты слоем резиноподобного материала к форме, сшивают между собой торцевые части слоев пакета, перегибают половину пакета от большего радиуса к меньшему до соприкосновения двух половин между собой, а затем выкладывают оставшиеся части теплозащитного покрытия (вариант II).
Отличительными от прототипа признаками корпуса РДТТ являются следующие:
по варианту I
- соединение манжеты и теплозащитного покрытия содержит кольцевую полость, образованную разнесенными эквидистантно кольцевыми поясками их противолежащих поверхностей, сопряженными по дуге со стороны своих внешних кромок и снабженными взаимосходящимися коническими участками со стороны внутренних,
- в которой расположены скрепленные между собой слои упругоэластичного тканого материала,
- каждый из которых эквидистантно повторяет противолежащую часть поверхности полости,
- причем слои выполнены переменной, нарастающей от внутреннего к наружному, поперечной длины,
- в основном с конгруэнтным расположением обращенных друг к другу поверхностей соседних слоев или частей одного слоя,
- расположение кромок каждого слоя и всех вместе разнесено между собой,
- а наружный слой по всей своей наружной поверхности скреплен, за счет внедрения в его структуру резиноподобного материала, с манжетой и теплозащитным покрытием;
по варианту II
- соединение манжеты и теплозащитного покрытия содержит кольцевую полость, образованную разнесенными эквидистантно кольцевыми поясками их противолежащих поверхностей, сопряженными по дуге со стороны своих внешних кромок и снабженными взаимосходящимися коническими участками со стороны внутренних,
- в которой расположены скрепленные между собой слои упругоэластичного тканого материала,
- каждый из которых эквидистантно повторяет противолежащую часть поверхности полости,
- причем слои выполнены переменной, нарастающей от внутреннего к наружному, поперечной длины,
- в основном с конгруэнтным расположением обращенных друг к другу поверхностей соседних слоев или частей одного слоя,
- расположение кромок каждого слоя и всех вместе разнесено между собой,
- наружный слой по всей своей наружной поверхности скреплен, за счет внедрения в его структуру резиноподобного материала, с манжетой и теплозащитным покрытием,
- а в массиве материалов манжеты и теплозащитного покрытия расположен эквидистантно поверхности полости как минимум один слой упругоэластичного материала.
Отличительными от прототипа признаками способа изготовления корпуса РДТТ являются следующие:
по варианту I
- на форме выкладывают из листового резиноподобного материала манжету и, вне манжеты, частично, теплозащитное покрытие;
- собирают продольный пакет из лент упругоэластичного тканого материала разной ширины с последовательно увеличивающейся шириной по толщине;
- скрепляют между собой;
- с широкой стороны укладывают ленту из резиноподобного материала;
- подпрессовывают пакет при повышенной температуре до внедрения резиноподобного материала в структуру, по меньшей мере, одного слоя прилегающей ткани;
- укладывают на форме по окружности границы манжеты слоем резиноподобного материала к форме;
- сшивают между собой торцевые части слоев пакета;
- перегибают половину пакета от большего радиуса к меньшему до соприкосновения двух половин между собой;
- а затем выкладывают оставшиеся части теплозащитного покрытия;
по варианту II
- на форме выкладывают из листового резиноподобного материала манжету и вне манжеты, частично, теплозащитное покрытие;
- собирают продольный пакет из лент упругоэластичного тканого материала разной ширины с последовательно увеличивающейся шириной по толщине;
- скрепляют между собой;
- с широкой стороны укладывают ленту из резиноподобного материала;
- и как минимум один набор лент из тканого и резиноподобного материалов, последним наружу;
- подпрессовывают пакет при повышенной температуре до внедрения резиноподобного материала в структуру, по меньшей мере, одного слоя прилегающей ткани;
- укладывают на форме по окружности границы манжеты слоем резиноподобного материала к форме;
- сшивают между собой торцевые части слоев пакета;
- перегибают половину пакета от большего радиуса к меньшему до соприкосновения двух половин между собой;
- а затем выкладывают оставшиеся части теплозащитного покрытия.
Указанные отличительные признаки заявляемой группы изобретений являются существенными, т.к. каждый из них в отдельности и совместно направлен на решение поставленной задачи и получение нового технического результата.
Корпус РДТТ, в отличии от корпуса по прототипу, более универсален и эффективен по эксплуатационным характеристикам, так как варьируя геометрией полости, можно обеспечивать работоспособность соединения манжеты с ТЗП в широком диапазоне действующих нагрузок за счет сглаживания больших деформаций и напряжений, возникающих при работе двигателя. Обеспечение и сохранение необходимой геометрии полости в процессе всего цикла изготовления и эксплуатации определяется количеством используемых слоев и их фиксированным расположением. Скрепление наружного упругоэластичного тканого слоя с материалом манжеты и ТЗП обеспечивает надежность расположения тканых слоев в процессе всего цикла изготовления и эксплуатации двигателя, а также уменьшает возможность возникновения поверхностных трещин при работе двигателя, при больших деформациях с нагревом.
По корпусу РДТТ (вариант II), дополнительно к признакам по корпусу (вариант I), расположенный в массиве материала манжеты и ТЗП как минимум один слой упругоэластичного материала тканого материала обеспечивает дополнительное усиление соединения и предотвращает распространения возможных трещин, что все вместе расширяет диапазон возможных воспринимаемых нагрузок.
Отличительные существенные признаки являются новыми, так как их использование в известных технических решениях, аналогах и прототипе не обнаружено, что позволяет характеризовать предложенный корпус РДТТ из композиционных материалов соответствующим критерию ″новизна″.
Единая совокупность новых отличительных существенных признаков с общими известными позволяет решить поставленную задачу и достичь новый технический результат, что характеризует предложенное техническое решение существенными отличиями от известного уровня техники, аналогов и прототипа. Новое техническое решение получено без использования стандартов и рекомендаций общетехнического характера и каких-либо известных проектов, является результатом творческого вклада, проведения исследований и опытно-экспериментальной отработки конструкции корпусов, материалов и технологии, что позволяет характеризовать соответствием его критерию ”изобретательский уровень”.
Изобретение поясняется описанием конкретного, но не ограничивающего его, примера реализации и прилагаемыми чертежами.
На фиг.1 приведено сечение корпуса РДТТ с расположением манжеты и ТЗП, на фиг.2 - место соединения манжеты с ТЗП по варианту I, на фиг. 3 - место соединения манжеты с ТЗП по варианту II.
На фиг.1 показаны: силовая оболочка 1, фланец 2, внутреннее ТЗП 3, манжета 4, кольцевая полость 5 в соединении манжеты с ТЗП.
Для вариантов I и II (фиг.2, 3): кольцевая полость 5 в месте соединения манжеты 4 с ТЗП 3 и образующие ее поверхность кольцевые пояски 6 и 7, дуга сопряжения 8, взаимосходящиеся конические участки 9 и 10, слои упругоэластичного тканого материала 11.
Количество слоев выбирается в зависимости от поперечной ширины полости и толщины используемого упругоэластичного материала.
По варианту II: слой упругоэластичного материала 12 в массиве резиноподобного материала манжеты и ТЗП
Экспериментальная проверка подтвердила высокую прочность и надежность предложенной конструкции.
Таким образом, новое техническое решение воспроизводимо в условиях производства, обеспечивает решение поставленной задачи и достижение нового технического результата, в предложенной совокупности признаков соответствует критерию «промышленная применимость», то есть уровню изобретения.
Литература
1. Конструкции ракетных двигателей на твердом топливе./Под общ. ред. чл.-корр. Российской академии наук, д.т.н., проф. Л.Н. Лаврова. - М.: Машиностроение, 1993. - 215 с., ил.
2. Корпус ракетного двигателя твердого топлива. Патент РФ 2302546 от 10.08.2005.
3. Буланов И.М., Воробей В.В. Технология ракетных и аэрокосмических конструкций из композиционных материалов: Учеб. для вузов. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1998. - 516 с., ил.