Сопло ракетного двигателя

Изобретение относится к ракетной технике и может быть использовано при создании ракетных двигателей. Сопло ракетного двигателя содержит неподвижную часть и герметично скрепленную с ней при помощи двух эластичных шарниров поворотную часть, один эластичный шарнир - герметизирующий, другой - опорный. Эластичные шарниры имеют общий центр вращения. Герметизирующий эластичный шарнир крепится жестко к неподвижной части сопла с большим сферическим радиусом и крепится к поворотной части с меньшим сферическим радиусом, в результате чего герметизирует объем камеры сгорания. Опорный эластичный шарнир жестко скреплен с неподвижной и поворотной частями сопла и находится целиком вне камеры сгорания. Изобретение позволяет снизить воспринимаемую узлом подвески нагрузку, повысить его устойчивость и снизить шарнирный момент сопла во всем диапазоне действующих давлений с сохранением устойчивой формы эластичного шарнира. 6 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Изобретение относится к ракетной технике и может быть использовано при создании ракетных двигателей.

Известно поворотное управляющее сопло (прототип), частично утопленное в камеру сгорания, в котором поворотная часть соединена с его неподвижной частью с помощью двойного упругого уплотнения, или двух эластичных шарниров (ЭШ) в современной терминологии (Антонов Р.В., Гребенкин В.И., Кузнецов Н.П. и др. Органы управления вектором тяги твердотопливных ракет. Москва-Ижевск: НИЦ Регулярная и хаотическая динамика, 2006. Стр. 405-410). ЭШ имеют общее опорное (соединительное) кольцо и несовпадающие центры вращения, лежащие на оси двигателя. При отклонении поворотной части в условиях работы двигателя за счет отклонения ЭШ, соединяющего поворотную часть с общим опорным кольцом, у газодинамической силы, действующей вдоль оси поворотной части, появляется плечо относительно центра поворота ЭШ, соединяющего общее опорное кольцо и неподвижную часть сопла. В результате этого образуется дополнительный момент, способствующий отклонению сопла, что снижает шарнирный момент и потребную мощность рулевого привода.

Недостатком такого сопла является то, что при снижении давления в камере сгорания дополнительный момент также снижается, а именно в это время требуются наибольшие углы отклонения сопла для обеспечения требуемого управляющего усилия. Также необходимо отметить, что при действии давления снижение шарнирного момента происходит и в сопле с одним ЭШ, чего, как правило, бывает достаточно. Кроме этого, при высоком давлении общее опорное кольцо оказывается между двумя сжатыми ЭШ. Такое положение является неустойчивым, ось общего опорного кольца и плоскости отклонения каждого из двух ЭШ могут оказаться вне плоскости отклонения сопла, задаваемой системой управления, что может отрицательно сказаться на точности выполнения команд системы управления по величине и направлению угла отклонения поворотной части.

Задачей изобретения является снижение шарнирного момента сопла во всем диапазоне действующих давлений с сохранением устойчивой формы ЭШ.

Технический результат заключается в снижении шарнирного момента сопла за счет применения двух ЭШ с общим центром вращения и без общего опорного кольца.

Технический результат достигается тем, что в конструкции сопла ракетного двигателя, содержащего неподвижную часть и скрепленную с ней при помощи двух эластичных шарниров поворотную часть, один эластичный шарнир - герметизирующий, другой - опорный, при этом эластичные шарниры имеют общий центр вращения, причем герметизирующий эластичный шарнир крепится жестко к неподвижной части сопла опорным кольцом с большим сферическим радиусом и крепится к поворотной части опорным кольцом с меньшим сферическим радиусом, в результате чего герметизирует объем камеры сгорания, а опорный эластичный шарнир жестко скреплен опорными кольцами соответственно с неподвижной и поворотной частями и находится целиком вне камеры сгорания.

Герметизирующий эластичный шарнир может крепиться к поворотной части сопла по скользящей в направлении оси поворотной части герметичной посадке.

Герметизирующий эластичный шарнир может жестко крепиться к поворотной части сопла.

Опорный эластичный шарнир может иметь меридиональные сквозные каналы в резиновых слоях.

Опорный эластичный шарнир может иметь тарели, кромки которого выступают за боковые поверхности резино-металлического пакета.

Эластичные шарниры могут быть расположены по одну сторону от их центра вращения.

Эластичные шарниры могут быть расположены по разные стороны от их центра вращения.

Сопло с двумя ЭШ целесообразно использовать в случае, когда исчерпаны возможности по снижению шарнирного момента в схеме с одним ЭШ за счет добавления в пакет резиновых слоев (при неизменной их толщине). Это имеет место тогда, когда высота пакета и давление достигают критического значения, при котором происходит потеря формы его деформирования (потеря устойчивости) в виде изгиба осевой линии ЭШ, что может повлиять на точность выполнения команд на отклонение поворотной части сопла. Повысить устойчивость ЭШ можно путем увеличения его размера в меридиональном направлении или уменьшения количества резиновых слоев, что неприемлемо, т.к. ведет к увеличению шарнирного момента и повышению нагрузки на тарели. Поэтому предлагается конструкция сопла, в которой герметизирующая и опорная функции узла подвески сопла распределяются между двумя ЭШ (герметизирующим и опорным) с общим центром вращения (общим центром сферических поверхностей). При этом внутрикамерное давление потери устойчивости для каждого ЭШ повышается по сравнению с традиционной схемой за счет снижения действующей на него осевой сжимающей силы. Это достигается тем, что герметизирующий ЭШ располагается на как можно меньшем радиусе, а опорный ЭШ не подвержен действию внутрикамерного давления непосредственно.

Возможны две основные конструктивные схемы снижения осевого усилия.

В первой схеме герметизирующий ЭШ соединен с поворотной частью сопла по скользящей герметичной посадке. В этом случае поворотная часть является для него разгрузочным поршнем, а сам он воспринимает только ту часть осевой нагрузки, которая обусловлена действием на него внутрикамерного давления. Эта схема приемлема для герметизирующего ЭШ с передним центром вращения (центр вращения расположен перед пакетом слоев при движении от передней крышки к соплу), так как в этом случае осевая нагрузка сжимает ЭШ. При заднем центре вращения осевая нагрузка будет растягивать герметизирующий ЭШ, и он может порваться, если внутреннее опорное кольцо соединено с поворотной частью по скользящей посадке.

Опорный ЭШ не имеет общей поверхности с камерой сгорания, и, следовательно, не требует теплозащиты, и к нему не предъявляется требование герметичности. Все тарели и резиновые слои опорного ЭШ нагружены одной и той же осевой силой, равной осевой газодинамической силе, действующей на поворотную часть сопла по диаметру разгрузки.

Перечисленные факторы позволяют снизить шарнирный момент опорного ЭШ за счет следующих изменений:

- увеличение числа резиновых слоев, при этом отсутствует необходимость увеличения ширины пакета за счет роста осевого усилия на слои (оно постоянно);

- применение тарелей, выступающих за боковые поверхности резино-металлического пакета, что повысит их прочность в случае, если при традиционной форме ЭШ запасы прочности по ним ниже запасов прочности по резиновым слоям;

- применение меридиональных сквозных каналов в резиновых слоях, их преимущество перед сплошными более узкими резиновыми слоями, обеспечивающими ту же шарнирную жесткость, заключается в том, что они имеют больший размер базы в меридиональном направлении, что важно для стабильности положения центра вращения поворотной части сопла в процессе работы и устойчивости пакета.

Во второй конструктивной схеме герметизирующий ЭШ жестко скреплен с поворотной частью. В этом случае каждый ЭШ воспринимает часть общей газодинамической силы, пропорциональную его осевой жесткости. Перспективным в этой схеме является применение ЭШ с задним центром вращения. В этом случае осевая нагрузка от внутрикамерного давления растягивает герметизирующий ЭШ, но величина растяжения ограничена величиной просадки опорного ЭШ. При растяжении ЭШ тарели разгружаются, что позволяет обеспечить их прочность при меньших габаритах, чем в первой схеме. Это способствует уменьшению вклада герметизирующего ЭШ в шарнирный момент сопла. Необходимо отметить, что в настоящее время работа ЭШ в растянутом состоянии исследована не полностью. При этом экспериментально установлено, что для клеевых соединений «резина-металл» с прочностью при отрыве и сдвиге порядка 5 МПа потери герметичности ЭШ в процессе его растяжения не происходит при величине удлинения в осевом направлении до трех суммарных толщин резины, входящей в резино-металлический пакет. Расчетное растяжение герметизирующего ЭШ при работе составляет не более половины суммарной толщины резины, что достаточно надежно обеспечивает его герметизирующую функцию.

Также необходимо отметить, что совместное применение ЭШ с передним и задним центрами неудобно, так как требует увеличения габаритов конструкции.

На фиг. 1 показана схема сопла с двумя ЭШ, имеющими передний центр вращения О при радиусах R1 R2 начальных сферических поверхностей. Неподвижная часть 1 сопла соединена с его поворотной частью 2 с помощью герметизирующего ЭШ 3 и опорного ЭШ 4. Герметизирующий ЭШ 3 жестко и герметично крепится к неподвижной части 1 сопла и соединяется по скользящей герметичной посадке с цилиндрическим участком поворотной части сопла 2, вследствие чего осевая газодинамическая выталкивающая сила, действующая на поворотную часть 2, ЭШ 3 не воспринимается. Поэтому при проектировании герметизирующего ЭШ 3 учитывается только внутрикамерное давление, действующее на его боковую поверхность, обращенную внутрь камеры сгорания от верхнего резинового слоя ЭШ 3 до уплотнения на цилиндрическом участке поворотной части (детали теплозащиты на схеме не показаны). Необходимо отметить, что нельзя исключить из конструкции герметизирующий ЭШ 3 путем замены скользящей посадки по цилиндрической поверхности на аналогичную посадку по участку сферы, так как вследствие просадки опорного ЭШ произойдет либо разгерметизация соединения, либо его заклинивание. Опорный ЭШ 4 жестко крепится к неподвижной 1 и поворотной 2 частям сопла. Он выполняет опорную функцию, воспринимая осевую газодинамическую силу, действующую на поворотную часть 2. Так как он целиком находится вне объема камеры сгорания, то каждая его тарель 6 нагружена только этой силой, и добавление к нему для снижения шарнирного момента новых резиновых слоев 5 и тарелей 6 не ведет к увеличению нагрузки на них, как это имеет место для ЭШ 3 и традиционных ЭШ. Очевидно, что к опорному ЭШ 4 не предъявляются требования по теплозащите и герметичности. На фиг. 1 тарели в опорном ЭШ 4 изображены с выступающими за боковые поверхности резино-металлического пакета кромками. Такие тарели целесообразно использовать, когда в конструкции без выступающих кромок прочность тарелей недостаточна при достаточной прочности резиновых слоев и клеевых соединений «резина-тарель».

На фиг. 2 показан фрагмент сечения опорного ЭШ 4 с выступающими тарелями 6 по резиновому слою 5 с меридиональными сквозными каналами 7, введенными для снижения шарнирного момента.

На фиг. 3 показана схема сопла с двумя ЭШ, имеющими задний центр вращения O1 при радиусах R1, R2 начальных сферических поверхностей. Принципиальное отличие в применении двух ЭШ от сопла на фиг. 1 заключается в жестком креплении малого опорного кольца герметизирующего ЭШ 8 к поворотной части сопла. Очевидно, герметизирующий ЭШ 8 будет растянут на величину просадки опорного ЭШ 9. В силу того, что жесткость ЭШ на растяжение существенно меньше жесткости на сжатие, опорный ЭШ 9 воспринимает практически всю газодинамическую силу, обусловленную действием давления от верхнего резинового слоя герметизирующего ЭШ 8 до среза сопла. При растянутом состоянии герметизирующего ЭШ 8 его тарели существенно менее нагружены, что позволяет уменьшить их ширину и толщину по сравнению с герметизирующим ЭШ 3 (на фиг. 1), а следовательно, уменьшить и вклад герметизирующего ЭШ 8 в шарнирный момент сопла. В этом смысле эта схема предпочтительней схемы на фиг. 1, но требует надежной склейки резиновых слоев и тарелей.

Таким образом, при условии сохранения устойчивой формы работы ЭШ предлагаемая конструкция с двумя ЭШ снизит воспринимаемую узлом подвески нагрузку и, как следствие, повысит его устойчивость и снизит шарнирный момент. Такое техническое решение может быть особенно полезным при использовании в качестве материалов несущих деталей сопла полимерных композитов.

1. Сопло ракетного двигателя, содержащее неподвижную часть и скрепленную с ней при помощи двух эластичных шарниров поворотную часть, отличающееся тем, что один эластичный шарнир герметизирующий, другой опорный, при этом эластичные шарниры имеют общий центр вращения, причем герметизирующий эластичный шарнир крепится жестко к неподвижной части сопла с большим сферическим радиусом и крепится к поворотной части сопла с меньшим сферическим радиусом, в результате чего герметизирует объем камеры сгорания, а опорный эластичный шарнир жестко скреплен соответственно с неподвижной и поворотной частями сопла и находится целиком вне камеры сгорания.

2. Сопло ракетного двигателя по п. 1, отличающееся тем, что герметизирующий эластичный шарнир крепится к поворотной части сопла по скользящей в направлении оси поворотной части герметичной посадке.

3. Сопло ракетного двигателя по п. 1, отличающееся тем, что герметизирующий эластичный шарнир жестко крепится к поворотной части сопла.

4. Сопло ракетного двигателя по п. 1, отличающееся тем, что опорный эластичный шарнир имеет меридиональные сквозные каналы в резиновых слоях.

5. Сопло ракетного двигателя по п. 1, отличающееся тем, что опорный эластичный шарнир имеет тарели, кромки которых выступают за боковую поверхность резино-металлического пакета.

6. Сопло ракетного двигателя по п. 1, отличающееся тем, что эластичные шарниры расположены по одну сторону от их центра вращения.

7. Сопло ракетного двигателя по п. 1, отличающееся тем, что эластичные шарниры расположены по разные стороны от их центра вращения.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области ракетостроения и может быть использовано при разработке и изготовлении ракетных двигателей с соплами большой степени расширения для верхних ступеней ракет и космических аппаратов.

Изобретение относится к области ракетостроения и может быть использовано при разработке и изготовлении ракетных двигателей с соплами большой степени расширения для верхних ступеней ракет и космических аппаратов.

Изобретение относится к области ракетостроения и может быть использовано при создании конструкций ракетных двигателей различного назначения. Фланец поворотного сопла содержит конический корпус с утопленной в двигатель частью с опорной поверхностью на эластичный шарнир в условиях применения с одной стороны и присоединительным шпангоутом для каркаса поворотного сопла с другой, а также силовой опорный пояс между ними, имеющий присоединительные отверстия для присоединения к фланцу двигателя, конструктивно отделяющий утопленную часть конического корпуса.

Изобретение относится к области ракетной техники, в частности к ракетным двигателям активно-реактивных снарядов, запускаемых из ствола артиллерийского орудия, и заключается в способе повышения дальности полета активно-реактивного снаряда.

Изобретение относится к области ракетной техники, в частности к ракетным двигателям активно-реактивных снарядов, запускаемых из ствола артиллерийского орудия, и заключается в способе повышения дальности полета активно-реактивного снаряда.

Изобретение относится к ракетной технике и может быть использовано при разработке поворотных управляющих сопел изменяемой геометрии для ракетных двигателей. Поворотное управляющее сопло ракетного двигателя состоит из соединенных узлом качания неподвижной и подвижной частей, с расположенным на срезе раструба подвижной части раскладным сопловым насадком и механизмом его разложения, выполненным в виде нескольких равномерно расположенных вокруг сопла раздвижных телескопических штанг.

Изобретение относится к ракетной технике и может быть использовано при разработке поворотных управляющих сопел изменяемой геометрии для ракетных двигателей. Поворотное управляющее сопло ракетного двигателя состоит из соединенных узлом качания неподвижной и подвижной частей, с расположенным на срезе раструба подвижной части раскладным сопловым насадком и механизмом его разложения, выполненным в виде нескольких равномерно расположенных вокруг сопла раздвижных телескопических штанг.

Изобретение относится к жидкостным ракетным двигателям, работающим на первой и второй ступенях ракетоносителя. Камера жидкостного ракетного двигателя с регулируемым соплом содержит охлаждаемую часть сопла и неохлаждаемый насадок из углерод-углеродного композиционного материала, рулевые агрегаты и раму, согласно изобретению в неохлаждаемом насадке выполнены ниши, в которых расположены несколько секций разъемного земного сопла, имеющих валы вращения, расположенные по касательным в районе стыка неохлаждаемого насадка с охлаждаемой частью сопла, установленные в кронштейны, закрепленные на охлаждаемой части сопла и соединенные рулевыми агрегатами с рамой двигателя.

Изобретение относится к жидкостным ракетным двигателям, работающим на первой и второй ступенях ракетоносителя. Камера жидкостного ракетного двигателя с регулируемым соплом содержит охлаждаемую часть сопла и неохлаждаемый насадок из углерод-углеродного композиционного материала, рулевые агрегаты и раму, согласно изобретению в неохлаждаемом насадке выполнены ниши, в которых расположены несколько секций разъемного земного сопла, имеющих валы вращения, расположенные по касательным в районе стыка неохлаждаемого насадка с охлаждаемой частью сопла, установленные в кронштейны, закрепленные на охлаждаемой части сопла и соединенные рулевыми агрегатами с рамой двигателя.

Изобретение относится к ракетным двигателям, в которых для управления вектором тяги в полете используются различные органы управления, расположенные у среза сопла или внутри него.

Изобретение относится к области ракетостроения и может быть использовано при создании конструкций ракетных двигателей различного назначения. Фланец поворотного сопла содержит конический корпус с утопленной в двигатель частью с опорной поверхностью на эластичный шарнир в условиях применения с одной стороны и присоединительным шпангоутом для каркаса поворотного сопла с другой, а также силовой опорный пояс между ними, имеющий присоединительные отверстия для присоединения к фланцу двигателя, конструктивно отделяющий утопленную часть конического корпуса.

Изобретение относится к ракетной технике и может быть использовано при разработке поворотных управляющих сопел изменяемой геометрии для ракетных двигателей. Поворотное управляющее сопло ракетного двигателя состоит из соединенных узлом качания неподвижной и подвижной частей, с расположенным на срезе раструба подвижной части раскладным сопловым насадком и механизмом его разложения, выполненным в виде нескольких равномерно расположенных вокруг сопла раздвижных телескопических штанг.

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к упругим элементам конструкций для соединения пространственно подвижных звеньев, например поворотных сопел.

Изобретение относится к ориентируемой системе ракетного двигателя для летательных аппаратов. Система ориентируемого ракетного двигателя для летательного аппарата, содержащая ракетный двигатель (4), содержащий камеру (7) сгорания и сопло (8), подсоединенное посредством горловины (9) сопла, при этом система выполнена с возможностью ориентировать ракетный двигатель (4) относительно исходного положения, определяющего исходную ось, которая, при нахождении ракетного двигателя (4) в исходном положении, ортогональна к отверстию (10) для выброса газов из сопла и проходит через центр (C) отверстия (10) для выброса газов, при этом система содержит средство (11) наклона, посредством которого ракетный двигатель (4) жестко подсоединен к горловине (9) сопла посредством прилегающей части сопла (8) и которое наклоняет сопло (8) и камеру (7) сгорания в противоположных направлениях так, что ракетный двигатель принимает, относительно исходного положения, наклонные положения, в которых центр (C) отверстия (10) для выброса газов из сопла (8) расположен, по меньшей мере, приблизительно на исходной оси, при этом средство (11) наклона содержит полую опорную конструкцию (14A), имеющую форму усеченной пирамиды, которая выполнена с возможностью деформации в обоих направлениях первого направления (12) деформации под действием первого приводного средства (15), на малом основании (24) которой размещен ракетный двигатель (4) и внутри которой размещена камера (7) сгорания.

При сборке сопла ракетного двигателя с эластичным опорным шарниром сопло устанавливают вертикально стыковочным фланцем на базовую поверхность стыковочного фланца жесткого основания и сжимают эластичный опорный шарнир с заданным усилием.

Каркас поворотного сопла из композиционных материалов представляет собой шпангоут с элементами крепления навесных функциональных изделий и встраивания его в состав поворотного сопла и имеет опоры механизмов поворота сопла.

Изобретение относится к области ракетной твердотопливной техники и может быть использовано в конструкциях поворотных сопл из композиционных материалов. Корпус раструба поворотного сопла из композиционных материалов содержит оболочку в виде усеченного конуса с двумя присоединительными фланцами у большого и малого оснований, а также силовой шпангоут с закладными деталями для взаимодействия с механизмами поворота сопла.

При сборке ракетного двигателя твердого топлива положение соплового блока с кольцевым воспламенителем ориентируют относительно корпуса, причем ориентирование осуществляют без уплотняющих элементов.

Изобретение относится к ракетной технике и может использоваться в качестве ракетного двигателя с вращающимся соплом. Ракетный двигатель содержит корпус и вращающееся сопло, смонтированное на корпусе на соосно разнесенных радиальных подшипниках, между которыми установлен осевой подшипник.

Устройство гашения поперечных усилий включает устройства ориентации, установленные на сопле реактивного двигателя и содержащие первый узел, образующий тягу, второй узел, образующий звено крепления, и приводной узел.

Изобретение относится к ракетной технике и может быть использовано при создании ракетного двигателя с раздвижным соплом. Сопло ракетного двигателя с механизмом раздвижки, обеспечивающим перевод сопла из сложенного положения в рабочее, содержит раструб и складной насадок, образованный лепестками с элементами кинематической связи лепестков с раструбом. Образующая лепестка в сложенном положении, проведенная через плоскость его симметрии, параллельна образующей раструба, проведенной через эту же плоскость. Элементы кинематической связи лепестков с раструбом содержат пантографы, связывающие соседние лепестки друг с другом, причем каждый пантограф содержит шарнирно закрепленные планки, установленные с возможностью поворота на штифтах, связанных с лепестком. Каждый лепесток связан с раструбом направляющими элементами, выполненными в виде пластины, установленной с возможностью поворота в двух шарнирах, один из которых жестко связан с раструбом, а второй - с лепестком. В рабочем положении складной насадок охватывает корзина, состоящая из секторов, расположенных напротив лепестков. Каждый лепесток выполнен из криволинейной пластины из углерод-углеродного композиционного материала, скрепленной с сектором корзины в районе сопряжения лепестка с раструбом, при этом между корзиной и криволинейной пластиной из углерод-углеродного композиционного материала установлены сухари. Изобретение позволяет снизить массу конструкции и обеспечить простоту и технологичность изготовления сопла. 7 з.п. ф-лы, 11 ил.

Изобретение относится к ракетной технике и может быть использовано при создании ракетных двигателей. Сопло ракетного двигателя содержит неподвижную часть и герметично скрепленную с ней при помощи двух эластичных шарниров поворотную часть, один эластичный шарнир - герметизирующий, другой - опорный. Эластичные шарниры имеют общий центр вращения. Герметизирующий эластичный шарнир крепится жестко к неподвижной части сопла с большим сферическим радиусом и крепится к поворотной части с меньшим сферическим радиусом, в результате чего герметизирует объем камеры сгорания. Опорный эластичный шарнир жестко скреплен с неподвижной и поворотной частями сопла и находится целиком вне камеры сгорания. Изобретение позволяет снизить воспринимаемую узлом подвески нагрузку, повысить его устойчивость и снизить шарнирный момент сопла во всем диапазоне действующих давлений с сохранением устойчивой формы эластичного шарнира. 6 з.п. ф-лы, 3 ил.

Наверх