Результат интеллектуальной деятельности: РАКЕТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ НА ТВЕРДОМ ТОПЛИВЕ

Изобретение относится к ракетной технике и может быть использовано в конструкциях маршевых двигателей на твердом топливе для верхних ступеней, которые характеризуются малым отношением длины к диаметру (менее 1).

Известен твердотопливный ракетный двигатель по патенту РФ №2154183 (опубл. 10.08.2000 г.), содержащий корпус с днищами, скрепленный с корпусом канальный заряд, разделенный на две части наклонной кольцевой щелью.

Разделение заряда на две части с помощью предусмотренной конструкции формообразующего элемента в виде манжеты с законцовками, расположение поверхностей, образующих горящую поверхность кольцевой щели, под острым углом друг к другу позволили ликвидировать топливную перемычку между вершиной кольцевой щели и корпусом двигателя и тем самым решить прочностные вопросы, связанные с работоспособностью конструкции заряда и несколько уменьшить ширину щели по всему диаметру.

Однако известное техническое решение обладает рядом недостатков, связанных с технологическими трудностями в процессе изготовления. В частности, применение традиционной схемы изготовления с использованием технологической оснастки для формирования кольцевой щели затруднено в связи с необходимостью извлечения технологической оснастки, высота которой превышает диаметр канала. Кроме того, конструкция оснастки, формирующей кольцевую щель, сложна из-за большого количества элементов, требующих соединения между собой при сборке оснастки в корпусе и последующего извлечения после изготовления заряда. Это является также существенным препятствием для достижения минимизации допустимого для данной конструкции с точки зрения прочности и газодинамики раскрытия компенсатора начальной поверхности горения в виде кольцевой щели, влияющего на повышение объемного заполнения корпуса топливом и, соответственно, на эффективность работы двигателя.

Известен принятый за прототип твердотопливный ракетный двигатель по патенту РФ №2458244 (опубл. 10.08.2012 г.), содержащий корпус с днищами, скрепленный с корпусом канальный заряд, разделенный на две части кольцевой щелью, образованной тонкостенным неизвлекаемым формообразующим элементом.

Разделение заряда на две части в поперечном направлении осуществляют с помощью тонкостенного неизвлекаемого формообразующего элемента, который устанавливают в корпусе перед формованием заряда и оставляют в нем на весь период его эксплуатации. Такое решение позволяет существенно упростить технологию изготовления заряда со сквозной кольцевой поперечной щелью и хорошо зарекомендовало себя применительно к двигателям первой и второй ступеней, где ощущается дефицит начальной поверхности горения.

Однако использовать такую конструкцию для заряда к двигателю третьей ступени, у которого, как правило, отношение длины к диаметру составляет менее 1, весьма проблематично из-за того, что реализовать текущую диаграмму изменения поверхности горения от свода, близкую к постоянной, практически невозможно из-за существующих больших поверхностей горения.

Задачей заявляемого изобретения является разработка конструкции ракетного двигателя на твердом топливе с малым относительным удлинением, относящимся к наиболее сложной категории типоразмеров двигателей, с расширенным диапазоном пригодности как для двигателей со сквозным, так и с глухим каналом заряда, позволяющей повысить эффективность двигателя за счет максимального конструктивно возможного увеличения объемного заполнения корпуса двигателя топливом при одновременном достижении реализации текущей диаграммы изменения поверхности горения от свода, близкой к постоянной.

Поставленная задача решается предлагаемой конструкцией ракетного двигателя на твердом топливе, содержащего корпус с днищами, скрепленный с корпусом канальный заряд, разделенный на две части кольцевой щелью, образованной тонкостенным неизвлекаемым формообразующим элементом. Особенность заключается в том, что кольцевая щель выполнена наклонной, неизвлекаемый формообразующий элемент одной законцовкой скреплен по наружному диаметру с корпусом, его внутренний диаметр превышает диаметр канала заряда с образованием глухого кольцевого зазора между каналом заряда и второй его законцовкой, при этом вся поверхность формообразующего элемента со стороны заднего днища снабжена бронирующим покрытием, к части или ко всей поверхности формообразующего элемента со стороны переднего днища прилегает тонкостенный элемент из антиадгезионного материала.

В частности, вторая законцовка формообразующего элемента выполнена отогнутой от канала заряда.

Проведенный анализ уровня техники показывает, что заявляемый ракетный двигатель на твердом топливе отличается от прототипа иной формой кольцевой щели - наклонная (в прототипе - поперечная); иной поверхностью формообразующего элемента - прямолинейная (в прототипе - криволинейная); отсутствием необходимости использования извлекаемых формообразующих элементов (в прототипе они используются), что позволяет реализовать схему двигателя не только со сквозным каналом заряда, но и с глухим; иным количеством горящих поверхностей щели - одна (в прототипе - две).

Одностороннее горение щели по сути является определяющим в достижении поставленной задачи. При таком разделении заряда на две части с помощью щели, у которой одна поверхность не горящая, одна часть заряда обеспечивает прогрессивное изменение текущей поверхности горения от свода, а другая часть заряда - дегрессивное. Суммарная диаграмма изменения текущей поверхности от свода реализуется близкой к нейтральной. При этом коэффициент объемного заполнения двигателя топливом составляет ~0,96, что практически составляет максимальное значение, достигнутое для двигателей с малым относительным удлинением.

В уровне техники отсутствует ракетный двигатель на твердом топливе, в котором бы имело место предложенное сочетание существенных признаков, но именно такое сочетание обусловило решение поставленной задачи.

Конструкция предлагаемого ракетного двигателя на твердом топливе иллюстрируется графическим изображением:

на чертеже представлен продольный разрез ракетного двигателя с глухим каналом и тонкостенным элементом из антиадгезионного материала, прилегающим ко всей поверхности формообразующего элемента со стороны переднего днища.

Двигатель содержит корпус 1 с днищами 2 и 3, заряд 4 с центральным осесимметричным каналом 5. Заряд 4 разделен неизвлекаемым формообразующим элементом 6 на две части 7 и 8. Формообразующий элемент 6 (например, из фторопласта), формирующий сквозную наклонную щель, одной законцовкой 9 скреплен с корпусом 1. Между второй законцовкой 10 формообразующего элемента 6 и каналом 5 заряда 4 образован глухой кольцевой зазор 5 из топлива. Вся поверхность формообразующего элемента 6 со стороны заднего днища 3 снабжена бронирующим покрытием 11, например, из ткани с нанесенным на нее клеем 88-НП (ТУ 38 105540-85). К поверхности формообразующего элемента 6 со стороны переднего днища 2 прилегает тонкостенный элемент 12 из антиадгезионного материала (например, из пленки Ф-4-ПН ВН (ТУ 6-05-986-79)), который формирует горящую поверхность 13. Законцовка 10 формообразующего элемента 6 может быть отогнута от канала 5 заряда 4 под углом, чтобы повысить надежность ее функционирования в начальный момент работы двигателя.

Заполнение заряда 4 топливом осуществляют через переднюю горловину корпуса 1 (условно не показана). Оснастка, формирующая центральный канал 5, в начале заполнения корпуса 1 топливом выдвинута в сторону заднего днища 3 так, чтобы был обеспечен свободный проход топлива в зоны размещения частей 7 и 8 заряда 4. После заполнения зоны размещения части 8 заряда 4, отдаленной от заливочного устройства, оснастку перемещают в сторону переднего днища 2 до контакта с внутренним диаметром элемента 12 из антиадгезионного материала.

Заявляемая конструкция работает следующим образом. После срабатывания воспламенителя (не показан) происходит возгорание поверхности канала 5 заряда 4, а также поверхности 13. Процесс горения происходит параллельными слоями.

В случаях выполнения тонкостенного элемента из антиадгезионного материала прилегающим к части поверхности формообразующего элемента заявляемая конструкция работает аналогичным образом.

Фиксирование формообразующего элемента и элемента из антиадгезионного материала друг относительно друга осуществляют с использованием технологических приемов, применяемых в процессе заполнения корпуса двигателя топливом и известных специалистам в данной области техники.

Предлагаемое техническое решение практически реализуемо. Создание таких конструкций актуально и перспективно ввиду существенного повышения эффективности ракетных комплексов.