Ракетний двигун призначений для управління регульованою по величині і напрямку тягою. Двигун містить нерухому частину і контактує з нею по сферичному паску рухомий шпангоут 3, розтруб 4 з керманичами машинками 10. Раструб розміщений на рухомому шпангоуті з можливістю повороту навколо поздовжньої осі і поздовжнього переміщення. Він пов'язаний з рухомим шпангоутом системою косонаправленном стрижнів 5, утворюють однопорожнинний гіперболоїд обертання, що становить горловину проточної частини соплового блоку. У тороидальной порожнини 6, утвореної рухомим шпангоутом і однополостного гіперболоїдом обертання, розміщений охолоджуючий газогенератор (або сублімується склад) 7. З боку порожнини 6 розширює частина однополостного гіперболоїда обертання закрита манжетою 9. Винахід дозволяє спростити конструкцію, підвищити надійність, а також знизити вагу і розширити функціональні можливості. 2 з.п.ф-ли, 7 мул.
Винахід відноситься до ракетної техніки і може бути використано при створенні РДТТ з регульованою по величині і напрямку тягою.
Відомо [1], що для вирішення таких завдань, як перехоплення, зближення, корекція траєкторії і дальності, маневрування, причалювання або м'яка посадка в умовах космічного польоту потрібне регулювання величиною і напрямком тяги ракетного двигуна. Управління величиною тяги може здійснюватися зміною площі критичного перетину сопла, реалізованим, наприклад, переміщенням під дією гідроциліндра центрального тіла, встановленого в районі критичного перетину [2]. Недоліком такої конструкції є велика вага і габарити, а також необхідність розміщення центрального тіла з гідроциліндром всередині двигуна.
Управління тягою як за величиною, так і за напрямком забезпечується обертовими соплами [5]. Ці сопла включають в себе дозвукові частини з віссю, розташованою під кутом (45 o) до поздовжньої осі двигуна, і надзвукові частини зі своїми осями. Осі дозвуковій частини перетинаються під змінним кутом. Точка перетину осей розташовується до критичного перетину. За допомогою приводів (електромоторів) надзвукові частини можуть обертатися щодо дозвукових навколо точки перетину осей, змінюючи тим самим кут. При цьому поперечні складові тяги сопел взаємно врівноважуються, а поздовжня складова змінюється в широких межах. Недоліком двигуна з керуючими соплами є непродуктивний витрата палива на режимах малої тяги. Необхідність мати многосопловую конструкцію і проблеми конструктивно-компоновочного плану також накладають обмеження на область практичного використання такої схеми.
Найбільш близьким за технічною сутністю і досягається позитивного ефекту є регульоване вихлопне сопло [6], що містить кілька профільованих сегментів, встановлених поряд навколо поздовжньої осі сопла. Радіальна внутрішня поверхня сегментів утворює ділянку сопла із суцільною внутрішньою поверхнею. Є пристрій, що забезпечує переміщення сегментів до осі сопла і назад для зміни поперечної площі критичного перетину. Коли сегменти переміщаються до осі сопла і назад, деякі сегменти рухаються при цьому відносно один одного у напрямку до сусідніх сегментах так, що внутрішня поверхня вказаної ділянки сопла залишається цілісною.
Недоліком цього сопла є складність конструкції і велика вага, а також низька надійність, обумовлена складною кінематикою переміщення сегментів.
Метою даного винаходу є спрощення конструкції, підвищення надійності, зниження ваги і розширення функціональних можливостей.
Суть винаходу полягає в тому, що у відомому керованому ракетному двигуні з сопловим блоком, що містить нерухому частину і контактує з нею по сферичному паску рухливий шпангоут, розтруб з керманичами машинками, розтруб розміщений на рухомому шпангоуті з можливістю повороту навколо поздовжньої осі і поздовжнього переміщення. Раструб пов'язаний з рухомим шпангоутом системою косонаправленном стрижнів (або ниток), що утворюють однопорожнинний гіперболоїд обертання, що становить горловину проточної частини соплового блоку. У тороидальной порожнини, утвореної рухомим шпангоутом і однополостного гіперболоїдом обертання, розміщений охолоджуючий газогенератор (або сублімується склад). З боку тороидальной порожнини розширюється частина однополостного гіперболоїда обертання закрита манжетою.
Зазначена мета досягається відомим [3] властивістю гіперболоїда обертання, що полягає в тому, що його поверхня складається з сімейства прямолінійних створюючих (системи косонаправленном стрижнів), а при фіксованій величині радіусів напрямних кіл R і r (див. Фіг. 1) і довжині L стрижнів параметри гіперболоїда (наприклад, площа горловини) є функцією від кута розвороту навколо поздовжньої осі напрямних кіл один щодо одного (кут дорівнює нулю, коли гіперболоїд вироджується в усічений конус, тобто коли направляю щие не розгорталася). При цьому площа горловини гиперболоида визначається кутом таким чином: де; R - радіус великий направляючої окружності; r - радіус меншою направляючої окружності; - кут розвороту.
Відстань між направляючими колами (висота гіперболоїда) від кута залежить: де l - висота гіперболоїда;
L - довжина твірної.
Графік залежності площі горловини від кута повороту кр = f () представлений на фіг. 2, а графік залежності висоти гиперболоида від кута повороту l = f () представлений на фіг. 3-5.
Використання наведених відомих властивостей гіперболоїда обертання для цілей регулювання критичного перетину сопла ракетного двигуна дозволяє при граничній конструктивної і кінематичної простоті поєднати пристрій регулювання з підвісом сопла для управління в каналах тангажа і рискання, а управління площею критичного перетину і відхилення сопла по тангажу і рискання здійснювати одними і тими ж керманичами машинами. Кінематична простота, скорочення числа рульових машинок і розміщення всіх рульових машинок зовні двигуна призводить до зниження ваги керованого двигуна практично до рівня некерованого (за величиною тяги) двигуна. Розширення функціональних можливостей полягає в поєднанні в одному пристрої завдань регулювання як величиною, так і напрямком тяги. Можлива негерметичність системи косонаправленном стрижнів (або ниток), що утворюють однопорожнинний гіперболоїд обертання, не впливає на працездатність соплового блоку і може викликати лише втрати питомої імпульсу тяги (що знаходяться в прийнятних межах і залежать від ступеня газопроницаемости гіперболоїда). Втрати питомої імпульсу, пов'язані з негерметичність, знижуються установкою з боку тороидальной порожнини на розширюється частина однополостного гіперболоїда обертання манжети, виконаної, наприклад, з вуглетканини, углетрікотажа і т.д. Працездатність системи, що утворює однопорожнинний гіперболоїд обертання, визначається теплоерозіонностойкость косонаправленном стрижнів (або ниток). Для деяких типів низькокалорійних палив забирає вуглець-вуглецевого композиційного матеріалу (ВВКМ) в критичному перетині практично дорівнюють нулю. У разі використання високоефективних палив з великим окислювальним потенціалом забирає ВВКМ, що знаходиться в потоці високотемпературних продуктів згоряння (до 4000 К), складають 0,1 мм / с [4]. Вдувши охолоджуючого газу через щілини між косонаправленном стрижнями (або нитками) зменшує швидкість виносу матеріалу стрижнів на порядок. Це означає, що при часу роботи двигуна 30 - 50 з працездатність системи, що утворює однопорожнинний гіперболоїд обертання, не порушується.
Пропоноване справжнім винаходом технічне рішення не відомо з патентної та технічної літератури.
Винахід пояснюється схемою системи косонаправленном стрижнів (або ниток), що утворюють гіперболоїд обертання (фіг. 1).
На фіг. 2 представлений графік кр = f () залежно площі горловини гіперболоїда (т. Е. Площі критичного перетину сопла) від кута повороту направляючої (тобто розтруба сопла) навколо поздовжньої осі.
На фіг. 3-5 представлений графік l = f () залежно висоти гіперболоїда (т. Е. Поздовжнє переміщення розтруба сопла) від кута повороту направляючої (тобто розтруб сопла) навколо поздовжньої осі.
На фіг. 6 зображений поздовжньої розріз керованого ракетного двигуна.
На фіг. 7 зображено перетин по А-А на фіг. 6.
Керований ракетний двигун містить встановлену на корпусі 1 нерухому частину 2 сопла.
На нерухомій частині 2 сопла встановлений рухливий шпангоут 3, контактує з нерухомою частиною 2 по сферичному паску. Рухомий шпангоут 3 і нерухома частина 2 сопла утворюють будь-якої відомий підвіс ( "гаряча куля", еластичний опорний шарнір, гідрокольцевую опору, гідроплунжерную опору, шаростержневих опору і т.д.), що дозволяє управляти сопловим блоком в каналах тангажа і рискання. Шпангоут 3 має внутрішню циліндричну поверхню, по якій з ним контактує розміщений на рухомому шпангоуті 3 з можливістю повороту навколо поздовжньої осі і поздовжнього переміщення розтруб 4 сопла. Розтруб 4 пов'язаний з рухомим шпангоутом 3 системою косонаправленном стрижнів (або ниток) 5, що утворюють однопорожнинний гіперболоїд обертання. Стрижні (або нитки) 5 можуть бути виконані, наприклад, з вуглець-вуглецевого композиційного матеріалу. Діаметр вставленого в рухливий шпангоут 3 торця розтруба 4 доцільно виконувати великим максимального діаметра розвантаження соплового блоку з метою забезпечення гарантованого натягу стрижнів (або ниток) 5. (Втім, якщо стрижні 5 виконати жорсткими, то умова по діаметру торця розтруба 4 є необов'язковим). Для гарантованого натягу стрижнів (або ниток) 5 тиск в тороидальной порожнини 6, утвореної рухомим шпангоутом 3 і однополостного гіперболоїдом обертання, має бути не нижче камерного. Це може бути забезпечено або охолоджуючим газогенератором 7, одночасно забезпечує як наддув тороидальной порожнини 6, так і захисний вдув, що оберігає стрижні (або нитки) 5, або газосвязью з об'ємом камери згоряння. При цьому, крім щілин між стрижнями (або нитками) 5, в рухомому шпангоуті 3 повинна бути виконана спеціальна газосвязь 8, а охолоджуючий газогенератор 7 доцільно замінити навішуванням сублімує складу, що забезпечує захисний вдув при наскрізному протіканні продуктів згоряння з камери через спеціальну газосвязь 8 і щілини між стрижнями (або нитками) 5. з боку тороидальной порожнини 6 розширюється частина однополостного гіперболоїда обертання закрита манжетою 9. Манжета 9 скріплена з розтрубом 4 сопла і виконана з вуглетканини, углетрі котажа і т.д. На зовнішній поверхні розтруба 4 сопла тангенциально встановлені чотири рульові машинки 10, забезпечені пантографами 11 і взаємодіючі з нерухомою частиною 2 сопла. Рухомий шпангоут 3 від можливого провороту в нерухомої частини 2 сопла (навколо поздовжньої осі) зафіксований системою "штифт-паз". Розтруб 4 сопла забезпечений заглушкою 12. При наземної експлуатації двигуна розтруб 4 сопла жорстко зафіксований щодо нерухомої частини 2 стопорно фіксують пристроями СФУ (на кресленні не показані).
Пристрій працює наступним чином. При запуску двигуна проводиться розфіксацію СФУ, а гарантоване натяг стрижнів (або ниток) 5 в момент виходу двигуна на режим забезпечується заглушкою 12. До моменту вильоту заглушки 12 натяг стрижнів (або ниток) 5 реалізується завдяки наявності тиску в тороидальной порожнини 6. Тиск в тороидальной порожнини 6 створюється або роботою охолоджуючого газогенератора 7, або за допомогою газосвязі 8. у разі виконання в рухомому шпангоуті спеціальної газосвязі 8 вдув, що захищає стрижні (або нитки) 5, здійснюється наступним образо . Гарячі продукти згоряння, потрапляючи з камери двигуна через газосвязь 8 в тороидальную порожнину 6, викликають сублімацію сублімує складу 7. В результаті в тороидальной порожнини 6 знаходиться порівняно холодний газ з низьким окислювальним потенціалом. З огляду на те, що статичний тиск в газовому тракті сопла нижче тиску в тороидальной порожнини 6 (рівного камерному), через щілини між стрижнями (або нитками) 5 здійснюється захисний вдув холодного газу з низьким окислювальним потенціалом. Інтенсивному протіканню газу через щілини між стрижнями (або нитками) 5 з тороидальной порожнини 6 в надзвукову (розширюється) частина газового тракту, що викликає втрати питомої імпульсу тяги, перешкоджає манжета 9. Регулювання величиною тяги двигуна (тобто площа критичного перетину сопла) проводиться синхронним рухом штоків всіх чотирьох рульових машинок 10. При цьому здійснюється поворот розтруба 4 навколо поздовжньої осі рухомого шпангоута 3 на кут. викликає зміна площі критичного перетину гіперболоїда (див. фіг. 2 і формулу (1)) і поздовжнє переміщення розтруба (див. фіг. 3-5 і формулу (2)). Регулювання напрямком тяги двигуна по каналах тангажа і рискання проводиться рухом штоків тільки двох діаметрально протилежних рульових машинок 10 (однією парою проводиться регулювання по каналу тангажа, іншою парою - по каналу нишпорення).
Техніко-економічна ефективність запропонованого винаходу в порівнянні з прототипом, в якості якого взято регульоване вихлопне сопло (див. [6]), полягає у спрощенні конструкції, підвищенні надійності, зниження ваги і розширенні функціональних можливостей.
1. Керований ракетний двигун з сопловим блоком, що містить нерухому частину і контактує з нею по сферичному паску рухливий шпангоут, розтруб з керманичами машинками, що відрізняється тим, що розтруб розміщений на рухомому шпангоуті з можливістю повороту навколо поздовжньої осі і поздовжнього переміщення і пов'язаний з рухомим шпангоутом системою косонаправленном стрижнів або ниток, що утворюють однопорожнинний гіперболоїд обертання, що становить горловину проточної частини соплового блоку.
2. Двигун по п.1, що відрізняється тим, що в тороидальной порожнини, утвореної рухомим шпангоутом і однополостного гіперболоїдом обертання, розміщений охолоджуючий газогенератор або сублімується склад.
3. Двигун по пп. 1 і 2, що відрізняється тим, що з боку тороидальной порожнини розширюється частина однополостного гіперболоїда обертання закрита манжетою.