РАКЕТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА
SOLID-PROPELLANT ROCKET ENGINE

Изобретение относится к ракетной технике и может быть использовано при создании ракетного двигателя твердого топлива (РДТТ) системы аварийного спасения (САС) космического корабля.
Известен РДТТ, сопловой блок которого выполнен по «тянущей» схеме и образован развернутыми назад несколькими соплами, установленными в ресивере (секции) [Фахрутдинов И.Х., Котельников А.В. Конструкция и проектирование ракетных двигателей твердого топлива: Учебник для машиностроительных вузов. - М.: Машиностроение, 1987, 328 с., ил., страница 28, рис.1.15, схема (м)]. Корпус, содержащий заряд, соединен с ресивером. Корпус и ресивер выполнены цилиндрическими. Цилиндрическая форма указанных элементов обуславливает их большую массу. Коэффициент заполнения указанного РДТТ топливом заряда является низким, т.к. имеющий большой внутренний объем «пустой» ресивер не содержит топливо. Масса узлов сочленения сопел с цилиндрической обечайкой ресивера увеличена из-за необходимости мероприятий по снижению концентрации напряжения в данных узлах и из-за неизбежных технологических утолщений некоторых участков данных узлов. Изготовление ресивера указанного РДТТ осложняется ввиду необходимости сочленения сопел с цилиндрической обечайкой ресивера.
Наиболее близкими по технической сущности и достигаемому положительному эффекту к изобретению является центральный РДТТ ДУ САС космического корабля «Союз-ТМ» [О жизни и деятельности академика Б.П.Жукова. - Тула: Гриф и К, 2008. - 304 с., ил., страницы 79, 80]. Центральный РДТТ (позиция 3 на рисунке и в тексте) ДУ САС содержит корпус, цилиндрический ресивер, в котором выполнены боковые фланцы крепления сопел. Заряд выполнен из нескольких вкладных шашек баллиститного пороха, т.е. имеет малую величину горящего свода, обеспечивающую малое время работы (что необходимо для РДТТ системы аварийного спасения). Приведенная конструкция обладает следующими недостатками.
1. Большая масса корпуса, обусловленная
а) его цилиндрической формой;
б) большой толщиной теплозащитного покрытия, что вызвано отсутствием у вкладного заряда теплозащитных функций;
в) наличия массивных решеток (диафрагм) фиксации вкладного заряда.
2. Большая масса ресивера, обусловленная
а) его цилиндрической формой;
б) его большим диаметром (практически равным диаметру корпуса);
в) необходимостью сочленения сопловых фланцев с цилиндрической стенкой ресивера. Необходимые мероприятия по снижению концентрации напряжения в местах сочленения связаны с увеличением толщины указанных участков конструкции.
3. Большая масса РДТТ в целом (что кроме пунктов 1, 2 объясняется низким коэффициентом заполнения РДТТ топливом заряда), что обусловлено тем, что
а) большой внутренний объем «пустого» ресивера не содержит топливо;
б) вкладной многошашечный заряд сам по себе характеризуется низким коэффициентом заполнения.
4. Надежность ресивера понижена вследствие сложной технологии его изготовления.
5. Точность взаимного расположения сопловых фланцев (сопел) понижена вследствие низкой технологичности ресивера.
Технической задачей настоящего изобретения является уменьшение массы конструкции и габаритов РДТТ, упрощение технологии изготовления и повышение качества изготовления РДТТ.
Сущность изобретения заключается в том, что в ракетном двигателе твердого топлива (РДТТ), содержащем корпус, сопряженный с крепежным корпусным шпангоутом, соединенный с корпусом ресивер, причем ресивер снабжен четырьмя сопловыми фланцами, оси которых перпендикулярны к продольной оси РДТТ и друг к другу, четыре сопла, крепящиеся к сопловым фланцам, заряд, воспламенитель, корпус и ресивер выполнены сферическими, а радиус ресивера меньше радиуса корпуса. Заряд прочно скреплен с корпусом и имеет центральный канал, а величина горящего свода заряда больше или равна разнице между внутренним радиусом корпуса и внутренним радиусом крепежного корпусного шпангоута. На центральном канале заряда могут быть выполнены выступы. В ресивере может быть установлен дополнительный заряд.
Технический результат достигается следующим. Из сопромата известно, что для нагружения внутренним давлением оболочки (при равном радиусе) сферическая форма корпуса и ресивера (по сравнению с цилиндрической) обеспечивает двукратное уменьшение толщины стенки. Сфера имеет максимальный внутренний объем при минимальной поверхности (массе). Радиус ресивера меньше радиуса корпуса, что приводит к уменьшению его массы как вследствие уменьшения габаритов, так и вследствие уменьшения толщины стенки при уменьшении радиуса сферы. Выполнение заряда прочноскрепленным с корпусом и форма заряда, имеющего центральный канал, обеспечивает тепловую защиту зарядом внутренней поверхности корпуса. При этом достигается минимизация массы теплозащитного покрытия корпуса. Возможность замены вкладных шашек заряда прототипа на прочноскрепленный заряд обеспечивается подбором топливного состава с необходимой для малого времени работы высокой (максимально возможной) скоростью горения. При выбранной скорости горения величина горящего свода прочноскрепленного заряда превышает горящий свод вкладных шашек, но тем не менее получается меньшей по сравнению с традиционными прочноскрепленными зарядами (т.к. скорость горения не может быть бесконечно большой). Т.е. относительный радиус центрального канала заряда выполняется достаточно большим, что приводит к сравнительно малому (для прочноскрепленного заряда) коэффициенту заполнения корпуса топливом заряда. Величина горящего свода заряда больше или равна разнице между внутренним радиусом корпуса и внутренним радиусом крепежного корпусного шпангоута. Этим достигается простота оснастки, формирующей канал в процессе изготовления заряда. Вместе с тем, имеется возможность или выполнения на центральном канале заряда выступов, или расположения дополнительного заряда в канале заряда. Наличие выступов или дополнительного заряда обеспечивает увеличение коэффициента заполнения топливом заряда РДТТ в целом, компенсируя сравнительно малый коэффициент заполнения корпуса (при отдельном рассмотрении обособленного от РДТТ корпуса с зарядом, имеющим только центральный канал) топливом заряда. Выполнение ресивера в виде сферы приводит к тому, что ось, проведенная через любой сопловой фланец, проходит через центр сферы (т.е. совпадает с осью сферы). При этом участок сочленения соплового фланца с обечайкой ресивера получается осесимметричным. Осесимметричная форма участка сочленения соплового фланца с секцией (обечайкой) ресивера обеспечивает плавность и равномерность (по окружности соплового фланца) сопряжения с минимизацией концентрации напряжений. Это приводит к минимизации массы ресивера с повышением его надежности при восприятии механических нагрузок (например, внутрикамерного давления). Одновременно улучшается технологичность изготовления ресивера.
Данное техническое решение не известно из патентной и технической литературы.
Изобретение поясняется следующими чертежами:
на фиг.1, 2 показан продольный разрез вариантов РДТТ.
Ракетный двигатель твердого топлива (РДТТ), содержит корпус 1, выполненный сферическим (см. фиг.1). Корпус 1 сопряжен с крепежным корпусным шпангоутом 2. На корпусе 1 установлен ресивер 3, выполненный в виде сферы с радиусом, меньшим радиуса корпуса 1. Ресивер 3 установлен на корпусе 1 посредством ответного крепежного шпангоута 4, сопряженного с ресивером 3. Ресивер 3 снабжен четырьмя сопловыми фланцами 5, оси которых перпендикулярны к продольной оси РДТТ и друг к другу. К сопловым фланцам 5 крепятся четыре сопла 6. Заряд 7 прочно скреплен с корпусом 1 и имеет центральный канал 8. Величина горящего свода заряда 8 больше или равна разнице между внутренним радиусом корпуса 1 и внутренним радиусом крепежного корпусного шпангоута 2. На центральном канале 8 заряда 7 могут быть выполнены выступы 9 (см. фиг.2). В ресивере 3 может быть установлен дополнительный заряд 10 (см. фиг.1, 2). В варианте, представленном на фиг.2, дополнительный заряд 10 может отсутствовать, а может иметь укороченную длину. Воспламенитель 11 установлен, например, на корпусе 1 (внутри центрального канала 8 заряда 7). Корпус 1 и ресивер 3 могут содержать узлы 12 соединения РДТТ со смежными отсеками ракеты.
Устройство работает следующим образом. При запуске РДТТ срабатывает воспламенитель 11, воспламеняются (практически одновременно) заряд 9 и дополнительный заряд 10 (если он имеется). При истечении продуктов сгорания через сопла 6 создается тяга. Внутренние полости работающего РДТТ (корпуса 1 и ресивера 3) нагружены высоким давлением продуктов сгорания. Ввиду плавности сопряжения осесимметричных сопловых фланцев 5 со сферой ресивера 3 значительных концентрации напряжений в ресивере 3 и сопловых фланцах 5 при нагружении внутренним давлением не возникает.
Технико-экономическая эффективность предлагаемого изобретения, по сравнению с прототипами, в качестве которых выбраны центральный РДТТ ДУ САС космического корабля «Союз-ТМ» [О жизни и деятельности академика Б.П.Жукова. - Тула: Гриф и К, 2008. - 304 с., илл., страницы 79, 80], заключается в уменьшении массы конструкции и габаритов РДТТ, упрощении технологии изготовления и повышении качества изготовления РДТТ.