Ракетный двигатель на твёрдом топливе

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано в ракетно-космической технике при разработке ракетных двигателей на твердом топливе (РДТТ).

Из технической литературы известен размещенный в межступенчатом отсеке ракеты ракетный двигатель твердого топлива, содержащий корпус и сопло. (Конструкции ракетных двигателей на твердом топливе / Под общ. ред. чл.-корр. РАН, д-ра техн. наук, проф. Л.Н. Лаврова - М.: «Машиностроение», 1993, 1993. - 215 с, ил.; стр. 55-56, рис. 2.5-2.7).

Наиболее близким к заявленному изобретению по технической сущности и взятым за прототип является ракетный двигатель твердого топлива (патент РФ №2265560 от 07.01.2003), содержащий корпус из композиционного материала (КМ) с узлом стыка и сопло, размещенное в пристыкованном к корпусу хвостовом отсеке ракеты.

При этом следует отметить, что рассмотренное соединение корпуса из КМ с соплом предусматривает «традиционную» компоновку РДТТ.

В общем уровне техники известны конструкции ракетных двигателей твердого топлива, которые предусматривают длинный газоход для размещения, например, рулевых машинок между раструбом сопла и корпусом ракетного двигателя.

Известно техническое решение «Корпус ракетного двигателя из полимерных материалов с газоходом» (патент РФ №2574702 от 10.02.2016), содержащий корпус из композиционного материала, включающий днище с металлическим фланцем и соединенный с металлическим фланцем газоход с соплом.

В такой конструкции РДТТ при действии поперечных перегрузок, например, при транспортировке, а также в полете со значительными траекторными перегрузками, возникают повышенные динамические нагрузки, которые передаются на корпус РДТТ. В результате этого, по контактной поверхности фланца с днищем корпуса РДТТ могут возникать сдвигающие напряжения, приводящие как к поперечному смещению газохода вместе с фланцем корпуса, так и к возможному отслоению хвостовика металлического фланца от днища корпуса из КМ. Поперечное смещение приводит к нарушению программного полета, а при наличии отслоений при работе РДТТ возможно проникновение продуктов сгорания топлива в полости отслоений, и может произойти прогар с аварийным разрушением корпуса.

Технической проблемой настоящего изобретения является повышение надежности работы ракетных двигателей твердого топлива с длинным газоходом.

Технический результат заключается в повышении надежности функционирования РДТТ с газоходом за счет соединения газохода с хвостовым отсеком радиальными стяжками.

Технический результат достигается тем, что в ракетном двигателе на твердом топливе, содержащем корпус из композиционного материала, включающий днище с металлическим фланцем, и соединенный с металлическим фланцем газоход, размещенный в пристыкованном к корпусу хвостовом отсеке, газоход соединен с хвостовым отсеком радиальными стяжками, скрепленными своими концами с наружной поверхностью газохода и внутренней поверхностью хвостового отсека. При этом один из концов каждой стяжки скреплен шарнирно, в средней части стяжек выполнено ослабленное сечение.

В ракетном двигателе на твердом топливе стяжки могут быть установлены наклонно относительно плоскости, перпендикулярной оси двигателя, со смещением конца крепления стяжки с наружной поверхностью газохода в сторону днища корпуса из композиционного материала

Отличительные признаки технического решения являются существенными.

Соединение газохода с хвостовым отсеком ракеты радиальными стяжками, скрепленными своими концами с наружной поверхностью газохода и внутренней поверхностью хвостового отсека позволяет исключить поперечное смещение газохода вместе с фланцем корпуса, развитие возможных отслоений хвостовика металлического фланца от силовой оболочки корпуса ракетного двигателя, увеличить жесткость соединения металлического фланца с днищем корпуса при полете ракетного двигателя.

Шарнирное крепление одного из концов стяжек к внутренней поверхности хвостового отсека или наружной поверхности газохода и ослабленное сечение в средней части стяжек позволяют минимизировать изгибные напряжения в стяжках при перемещении газохода, а, следовательно, и осевое усилие на металлический фланец.

Установка стяжек наклонно относительно плоскости, перпендикулярной оси двигателя, со смещением конца крепления стяжки с наружной поверхностью газохода в сторону днища корпуса из композиционного материала позволяет обеспечить приемлемый уровень деформации стяжек в зоне упругости материала при их натяжении в процессе перехода ракетного двигателя на твердом топливе из начального положения в рабочее.

Сущность изобретения поясняется чертежами.

На фиг. 1 показано сечение ракетного двигателя в начальном положении стяжек.

Ракетный двигатель на твердом топливе содержит корпус из КМ 1, включающий днище 2 с металлическим фланцем 3 и газоход 4, размещенный в пристыкованном к корпусу хвостовом отсеке 5. Газоход соединен с хвостовым отсеком стяжками 6, скрепленными своими концами с наружной поверхностью газохода 4 и внутренней поверхностью хвостового отсека 5, при этом один из концов каждой стяжки скреплен шарнирно 7, причем в средней части стяжек выполнено ослабленное сечение 8.

На фиг. 2 показано сечение ракетного двигателя в рабочем положении стяжек.

На фиг. 3 показано сечение ракетного двигателя в начальном положении наклонных стяжек.

На фиг. 4 показано сечение ракетного двигателя в рабочем положении наклонных стяжек.

В начальном положении ракетного двигателя к стяжке приложено усилие натяжения, которое достигается затяжкой гайки 9 на резьбовом конце стяжки при ее креплении к хвостовому отсеку.

После запуска двигателя в процессе нарастания внутреннего давления в корпусе из КМ происходит переход ракетного двигателя на твердом топливе из начального положения в рабочее. При этом днище корпуса из КМ с фланцем и закрепленным к нему газоходом перемещается вдоль оси двигателя, и точки крепления стяжек с наружной поверхностью газохода смещаются относительно точек крепления стяжек с хвостовым отсеком (L₁). За счет шарнирного закрепления одной из концов стяжек и податливости средней части стяжек за счет ослабленного сечения, происходит изгиб стяжек и последующее натяжение в зоне упругой деформации ослабленного сечения, что обеспечивает радиальную разгрузку металлического фланца корпуса из КМ.

В связи с уменьшением нагрузок на консольное соединение газохода с металлическим фланцем увеличивается жесткость соединения металлического фланца с днищем корпуса, что снижает интенсивность воздействия динамических нагрузок на корпус двигателя и исключает поперечное смещение газохода вместе с фланцем корпуса и развитие возможных отслоений хвостовика металлического фланца от силовой оболочки корпуса при транспортировании двигателя, его собственной работе и при полете ракеты с неработающим двигателем.

Возможность улучшения эксплуатационных характеристик заявляемого технического решения дополняется частным случаем исполнения.

Для достижения высокого уровня жесткости соединения металлического фланца с днищем корпуса необходимо применение стяжек из высокопрочных материалов. Такие материалы, как правило, имеют малое относительное удлинение в зоне упругой деформации. При значительном осевом перемещении газохода в процессе перехода ракетного двигателя на твердом топливе из начального положения в рабочее, необходима компенсация начального натяжения стяжек.

Задача решается установкой стяжек наклонно относительно плоскости, перпендикулярной оси двигателя со смещением конца крепления стяжки с наружной поверхностью газохода в сторону днища корпуса из композиционного материала.

По мере перемещения газохода (L₂) наклон стяжек относительно плоскости, перпендикулярной оси двигателя, уменьшается, натяжение стяжек снижается до минимального. Далее наклон стяжек относительно этой плоскости увеличивается в сторону среза газохода, повышается натяжение стяжек до достижения расчетного значения в рабочем положении двигателя.

Величина смещения конца крепления стяжки с наружной поверхностью газохода в сторону днища корпуса из композиционного материала и момент затяжки гайки выбираются из условия приемлемого уровня деформации стяжек в начальном и рабочем положении с учетом действующих нагрузок, а также геометрических и прочностных параметров ослабленного сечения стяжки.

Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет повысить надежность работы конструкции РДТТ с длинным газоходом.