Результат интеллектуальной деятельности: КОРПУС РАКЕТНОГО ДВИГАТЕЛЯ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА

Изобретение относится к машиностроению, а именно к корпусам ракетных двигателей твердого топлива (РДТТ), изготовляемым из композиционных материалов, и может быть использовано при создании твердотопливных двигателей ракет, в химическом машиностроении, а также в других отраслях промышленности.

Из патентной литературы широко известны конструкции цельномотанных пластиковых корпусов РДТТ из композиционных материалов, содержащих пластиковую оболочку и установленные в полюсных отверстиях металлические фланцы (см., например, а.с. СССР № SU 1089344. К недостаткам данного корпуса относится повышенный уровень напряженно-деформированного состояния (НДС) армирующих слоев на краю полюсного отверстия, что снижает несущую способность корпуса. Разрушение корпусов в значительном количестве случаев происходит по пластиковой оболочке в зонах полюсных отверстий. Поэтому при расчетах оболочки этот эффект учитывается введением в расчетные формулы коэффициента концентрации напряжений, составляющего величину 1,1-1,2. Для компенсации снижения несущей способности оболочки наматываются дополнительные спиральные слои пластика, что приводит к увеличению толщины пластика на 15-20% по всей поверхности днища и соответствующему увеличению массы корпуса.

Основной причиной снижения несущей способности корпуса является смещение пластика вдоль образующей хвостовика металлического фланца за счет увеличения радиуса полюсного отверстия с одновременным поворотом сечения хвостовика фланца при нагружении давлением, что приводит к увеличению растягивающих нагрузок в армирующих нитях на краю полюсного отверстия.

Кроме того, в кольцевой зоне вблизи полюсного отверстия количество армирующих нитей зависит от радиуса. На краю полюсного отверстия толщина армирующего материала минимальна (теоретически - нулевая). Поэтому вблизи полюсного отверстия имеет место «рыхлая» структура пластика, которая в основном состоит из связующего. Это приводит к дополнительному снижению несущей способности корпуса - растрескиванию связующего с повреждением армирующих нитей на краю полюсного отверстия.

Для достижения прочности в зоне полярного отверстия на уровне остальной части днища без существенного увеличения массы корпуса необходимо введение местных усилений.

Известны технические решения по введению локальных кольцевых усилений на днище. В книге «Конструкции ракетных двигателей на твердом топливе» (под общ. ред. чл.-корр. Российской академии наук, д-ра техн. наук, проф. Л.Н.Лаврова. - М.: «Машиностроение», 1993, с.67-70) приведены примеры усилений с помощью салфеток из ткани. В патенте США 3280567 (октябрь 1966), принятом за прототип, предложены усиления, выполненные из кольцевых нитей армирующего материала.

Для достижения необходимой эффективности при использовании в качестве усилений тканевых салфеток требуется значительно увеличивать количество слоев ткани, так как их жесткостные характеристики существенно ниже характеристик спиральных слоев и различны в направлениях основы и утка. Кроме того, укладка кольцевых тканевых салфеток на выпуклую поверхность днища без образования складок не всегда возможна. В этом случае салфетки должны выполняться разрезными, состоящими из отдельных секторов. При этом для придания салфеткам окружной жесткости необходимо перекрытие секторами друг друга в зонах стыка, что приводит к дополнительному увеличению толщины.

Усиления из кольцевых нитей армирующего материала (патент США 3280567) состоят из двух секторов, каждый из которых перекрывает локальную кольцевую зону днища с углом 180°. Для обеспечения совместности работы в зонах стыковки необходим нахлест секторов друг на друга, что также приводит к увеличению толщин и неравномерности распределения жесткостных характеристик. Однако усиления, состоящие только из одних кольцевых нитей, уменьшают кольцевые, но практически не снижают меридиональные деформации. Такая схема армирования не является оптимальной (см. с.15, 62 книги авторов Елпатьевского А.Н., Васильева В.В. «Прочность цилиндрических оболочек из армированных материалов», - М: Машиностроение, 1972) и приводит к появлению сдвиговых деформаций между нитями в спиральных слоях днища.

Технической задачей является снижение массы корпуса РДТТ путем введения на днище локальных кольцевых усилений из высокопрочных нитей, которые уменьшают деформации как в кольцевом, так и в меридиональном направлениях равномерно по всей зоне усиления.

Технический результат достигается тем, что в корпусе РДТТ, содержащем цельномотанную силовую оболочку из композиционного материала с вмотанными металлическими фланцами, в зонах днищ которого между основными спиральными слоями расположены кольцевые усиления, последние образованы двумя краевыми нитями, расположенными по спиралям, которые непрерывно охвачены нитями перекрестного армирования. При этом краевая нить, расположенная на большем радиусе, может быть дискретно скреплена с остальными слоями днища арматурой, например скобками, внедренной в слои днища заподлицо с наружной поверхностью внутреннего по отношению к усилению слоя.

На фиг.1 показано сечение днища в зоне полярного отверстия с металлическим фланцем.

На фиг.2 показан один из нескольких аналогичных витков, из которых состоит усиление.

На фиг.3 приведена схема армирования (вид А на фиг.2).

На фиг.1 показано сечение днища в зоне полярного отверстия с металлическим фланцем 1. Между спиральными слоями 2 расположены усиления 3. На фиг.2 показан один из нескольких аналогичных витков, из которых состоит усиление, а на фиг.3 приведена схема армирования. Краевые нити: внутренняя 4 и внешняя 5 расположены по спиралям с малым шагом, что практически позволяет рассматривать их как кольцевые. Охватывающие их нити перекрестного армирования 6 практически являются локальными спиральными слоями. Для надежности совместной работы усилений 3 с основными спиральными слоями 2 (фиг.1) краевая нить 5 (фиг.2), расположенная на большем радиусе, скреплена со спиральными слоями днища (на фиг.2 показано скрепление с помощью скобок 7). Поскольку каждая из нитей (краевых и перекрестных) состоит из одного неразрывного куска на всей поверхности усиления (зоны стыка в отличие от патента США 3280567 отсутствуют), то обеспечивается равномерность деформаций на всей зоне усиления. Наличие двух семейств нитей увеличивает жесткость пластика как в кольцевом, так и в меридиональном направлениях, что практически обеспечивает равенство деформаций в обоих направлениях, исключает появление сдвигов в зоне усиления при снижении растягивающих нагрузок в армирующих нитях спиральных слоев на краю полюсного отверстия. Усиления, выполненные из того же армирующего материала, что и спиральные слои, позволяют наиболее эффективно снизить деформации в зоне полюсного отверстия, создать кольцевую зону пониженного напряженно-деформированного состояния, компенсирующую концентрацию напряжений. Расположение усилений между основными спиральными слоями обеспечивает совместность и равномерность распределения деформаций по всей толщине пакета.

Таким образом, использование изобретения позволит снизить массу корпуса РДТТ и повысить надежность его работы.