Результат интеллектуальной деятельности: Корпус ракетного двигателя на твёрдом топливе

Изобретение относится к области машиностроения и может найти применение в конструкциях корпусов ракетных двигателей твердого топлива (РДТТ).

Для защиты внутренней поверхности силовых элементов корпусов РДТТ из композиционных материалов от теплового воздействия продуктов сгорания заряда твердого топлива со стороны внутренней поверхности широко применяются эластичные теплозащитные покрытия (ТЗП) на основе каучуков, которые в зоне центральных отверстий днищ корпуса образуют стыковочные поверхности для соединения корпуса с ответными узлами - передней крышкой и фланцем соплового блока.

Известен корпус РДТТ из композиционных материалов, содержащий силовую оболочку с фланцами, установленными в центральных отверстиях днищ, облицованную изнутри теплозащитным покрытием из резиноподобного материала (патент RU №2108476, опубл. 10.04.1998), в котором торцевая часть ТЗП выходит на стыковочную поверхность центральных отверстий.

Недостатком такого решения являются большие разбросы диаметра стыковочных поверхностей в зоне центральных отверстий корпуса, что может привести к повышенному прогреву стыков корпуса и снижению надежности РДТТ.

Известен корпус РДТТ из композиционных материалов, содержащий силовую оболочку с фланцами, установленными по центральным отверстиям днищ, облицованную изнутри теплозащитным покрытием из резиноподобного материала с кольцами в торцевых частях ТЗП у центральных отверстий фланцев (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. - 215 с, ил.; стр. 62, рис. 2.19).

Наиболее близким к заявленному изобретению по технической сущности и взятым за прототип является корпус ракетного двигателя из композиционных материалов [см. патент RU 2533594, опубликован 20.11.2014], содержащий днище с жестким металлическим фланцем, расположенным в центральном отверстии днища, облицованный изнутри теплозащитным покрытием из резиноподобного материала с кольцом из композиционного материала в своей торцевой части у центрального отверстия фланца, (патент RU №2533594, опубл. 20.11.2014 г.).

В конструкциях РДТТ скорости потоков продуктов сгорания топлива в районе стыка фланца с соплом блоком могут достигать значений 50-100 м/с, при которых использование резиноподобных ТЗП и конструкционных стеклопластиков не эффективно из-за низкой эрозионной стойкости. Кроме того, РДТТ с зарядами из высокоэнергетичного смесевого твердого топлива характеризуются наличием повышенного уровня выпадения к-фазы на поверхность заднего днища. Воздействие к-фазы усиливается при действии высоких значений (свыше 3-10g) поперечных перегрузок: образуются участки с повышенной плотностью тока осаждения к-фазы, интенсивно воздействующие на периферийные участки корпуса. Данные факторы могут приводить к большим уносам теплозащитных материалов в районе заднего днища и стыка заднего фланца с сопловым блоком и, как следствие, к превышению допустимых температур на силовых элементах конструкции корпуса и аварийному разрушению двигателя. Для обеспечения работоспособности конструкции требуется значительное увеличение толщины ТЗП, что приводит к ухудшению массовых и энергетических характеристик РДТТ.

Применение в составе ТЗП одного цельного жесткого кольца из эрозионностойкого материала, выходящего по габаритам за вершину пера фланца, при высокодеформативном днище может приводить к возникновению трещин, снижению надежности ТЗП и снижению несущей способности силовой оболочки.

Технической проблемой, которую решает настоящее изобретение, является разработка простого по конструкции и технологичного в изготовлении корпуса РДТТ с обеспечением надежности при эксплуатации и работе.

Технический результат заключается в повышении надежности конструкции корпуса за счет установки в периферийной части теплозащитного покрытия второго кольца из композиционного материала встык с первым кольцом, обладающего высокой эрозионной стойкостью и обеспечивающего допустимое теплового состояние силовых элементов конструкции корпуса.

Технический результат достигается тем, что в корпусе ракетного двигателя на твердом топливе, содержащем силовую оболочку с теплозащитным покрытием, включающим кольцо из композиционного материала, расположенное у центрального отверстия днища корпуса, в периферийной части теплозащитного покрытия встык с первым кольцом из композиционного материала, установлено второе кольцо из композиционного материала, при этом стык между кольцами выполнен с зазором, образованным эквидистантно расположенными криволинейными поверхностями торцов колец и заполненным резиноподобным материалом, причем между вторым кольцом из композиционного материала и силовой оболочкой размещен эластичный слой из резиноподобного материала.

В корпусе ракетного двигателя на твердом топливе второе кольцо из композиционного материала может быть выполнено с кольцевыми выступами.

В корпусе ракетного двигателя на твердом топливе второе кольцо из композиционного материала может быть выполнено, по меньшей мере, с одной кольцевой канавкой.

В корпусе ракетного двигателя на твердом топливе второе кольцо из композиционного материала может быть выполнено в виде отдельных сегментов.

В корпусе ракетного двигателя на твердом топливе поверхности первого и второго колец из композиционного материала могут быть обрезинены при изготовлении до установки в конструкцию ТЗП.

В корпусе ракетного двигателя на твердом топливе в периферийной части теплозащитного покрытия слои резиноноподобного материала могут охватывать наружную и боковую поверхности второго кольца из композиционного материала.

В корпусе ракетного двигателя на твердом топливе второе кольцо из композиционного материала может быть выполнено из слоев тканого материала на основе искусственных нитей.

В корпусе ракетного двигателя на твердом топливе второе кольцо из композиционного материала может быть выполнено из углепластика на основе рубленного углеволокна и связующего.

В корпусе ракетного двигателя на твердом топливе второе кольцо из композиционного материала может быть выполнено на основе трехмерного армирующего наполнителя.

Отличительные признаки технического решения являются существенными.

Установка в периферийной части теплозащитного покрытия в виде второго кольца из композиционного материала встык с первым кольцом из композиционного материала позволяет обеспечить работоспособность корпуса при интенсивном воздействии сконцентрированных потоков к-фазы, высоких температур и внутреннего рабочего давления.

Наружный диаметр второго кольца из композиционного материала выбирается исходя из уровня деформаций силовой оболочки и газодинамических расчетов процессов, протекающих во внутренней полости РДТТ при его работе с учетом продольных и поперечных перегрузок.

Введение жесткого второго кольца из композиционного материала в ТЗП заднего днища может привести к повышенным локальным деформациям силовой оболочки корпуса при нагружении внутренним давлением, что может отрицательно повлиять на несущую способность корпуса. Эластичный слой из резиноподобного материала между вторым кольцом из композиционного материала и силовой оболочкой позволяет снизить локальные нагрузки на силовую оболочку от кольца, перераспределяя нагрузку по поверхности второго кольца при действии внутреннего давления, тем самым обеспечивая работоспособность корпуса при функционировании в составе РДТТ. Эластичный слой из резиноподобного материала целесообразно выполнить из того же материала, что и основная часть эластичного резиноподобного ТЗП корпуса без разделения границы слоев.

Стык колец выполнен с наклонным по потоку газа зазором, образованным эквидистантно расположенными криволинейными поверхностями торцов колец из композиционного материала, который заполнен резиноподобным материалом. Указанная конструкция зазора позволяет компенсировать действие внутреннего давления на элементы конструкции с сохранением целостности колец из композиционного материала при деформации силовой оболочки корпуса. Конструкция стыка при внутреннем давлении и соответствующей деформации силовой оболочки и ТЗП работает как шарнир, раскрытия зазора между кольцами не происходит.

Заполнение зазора резиноподобным материалом позволяет исключить соприкосновение колец из композиционного материала и появления повышенных локальных уносов в зоне стыка и тем самым повысить надежность тепловой защиты силовой оболочки корпуса при работе РДТТ. Кроме того, резиноподобный материал в зазоре препятствует проникновению разогретых газов в пространство между кольцами, а эластичность материала позволяет компенсировать изменения в величине зазора между кольцами при действии внутреннего давления.

Возможность улучшения эксплуатационных характеристик заявляемого технического решения дополняется частными случаями исполнения:

-выступы позволяют организовать плавное перераспределение нагрузок в соединении «ТЗП-второе кольцо»;

- использование канавок, например прямоугольного или трапецеидального сечения, заполненными материалом теплозащитного покрытия, составляющим с последним единое целое, способствует увеличению прочности соединения ТЗП со вторым кольцом;

- в случае значительных габаритов двигателя использование второго кольца в виде отдельных сегментов позволяет обеспечить прочность конструкции второго кольца при действии внутреннего давления.

- использование обрезинивания поверхностей первого и второго колец из композиционного материала при изготовлении до установки в конструкцию ТЗП позволяет обеспечить необходимые адгезионные характеристики на границе «Резиновая смесь-кольцо» и гарантированно необходимый влажностной режим колец на протяжении всего цикла изготовления корпуса;

- установка в периферийной части теплозащитного покрытия слоев эрозионностойкого резиноноподобного материала (например, АР-998) по сравнению с основным материалом ТЗП, охватывающего наружную и боковые поверхности второго кольца из композиционного материала, позволяет обеспечить теплопрочностную работоспособность корпуса в районе заднего днища. Установка данного материала производится в том месте днища, где установка кольца из композиционного материала не возможна, исходя из условия сохранения целостности ТЗП днища (в т.ч. колец) в целом при воздействии внутреннего давления, температур и потоков к-фазы, или нецелесообразна исходя из обеспечения требований к двигателю.

В качестве материала кольца возможно использование ряда вариантов материалов, которые обладают удовлетворительной теплоизолирующей способностью и минимальной скоростью уноса в условиях высоких температур, и которые хорошо зарекомендовали себя в конструкциях газовых трактов и сопловых блоков РДТТ:

- второе кольцо из композиционного материала выполнено из слоев тканого материала на основе искусственных нитей (например угле- или органонитей), пропитанного теплостойким связующим с расположением слоев в направлении перпендикулярном центральной оси кольца или под небольшим углом относительно перпендикуляра к данной оси (например - материал типа УТЗФ2УМП);

- второе кольцо из композиционного материала выполнено из углепластика однородной структуры, полученного методом горячего прессования углеволокнитов (например, материал типа ЭПАН-2Б);

- второе кольцо из композиционного материала выполнено на основе из трехмерного армирующего наполнителя, например, в виде оболочки объемного плетения, изготавливаемого по бесшовной технологии на основе теплостойких нитей (например, кремнеземных или угленитей), пропитанного теплостойким связующим (например, фенолформальдегидным или полиимидным).

Сущность изобретения поясняется чертежами. На фиг. 1 представлен заявленный корпус РДТТ из композиционных материалов.

На фиг. 2, 3 - подробные виды конструкции ТЗП заднего днища корпуса.

На фиг. 4 - вариант конструкции второго кольца, состоящего из сегментов.

Корпус РДТТ из композиционных материалов 1 содержит силовую оболочку 2 с теплозащитным покрытием из резиноподобного материала 3. У центрального отверстия днища 5 корпуса расположено кольцо из композиционного материала 4. В периферийной части теплозащитного покрытия заднего днища встык с первым кольцом 4 из композиционного материала установлено второе кольцо 6 из композиционного материала, при этом стык между кольцами 7 выполнен с образованным эквидистантно расположенными криволинейными поверхностями торцов колец зазором, заполненным резиноподобным материалом. Между вторым кольцом 6 из композиционного материала и силовой оболочкой 2 размещен эластичный слой из резиноподобного материала 15.

В виде вариантов исполнения второе кольцо 6 из композиционного материала может содержать кольцевые выступы 8, кольцевую канавку 9, обрезиненные поверхности 13 первого и второго колец из композиционного материала. Могут быть введены слои эрозионностойкого резиноподобного материала 11, охватывающие наружную 10 и боковые 12 поверхности второго кольца. Дополнительно второе кольцо может состоять из нескольких сегментов 14.

Функционирование конструкции корпуса ракетного двигателя твердого топлива с указанным вариантом внутренней теплозащиты можно описать следующим образом: при работе РДТТ продукты сгорания топлива устремляются от поверхности горения заряда через свободное пространство внутренней полости к выходному сечению сопла и оказывают интенсивное тепловое газодинамическое воздействие на внутренние элементы конструкции. Под действием боковых перегрузок при горюний заряда (из высокоэнергетичного топлива) часть агломератов топливного состава осаждается на поверхность заряда с образованием «ручья» конденсированных продуктов сгорания, который с высокой интенсивностью воздействует на небольшой участок внутренней поверхности корпуса. Под воздействием внутренних тепловых газодинамических нагрузок начинает происходить разложение (деструкция) связующего во втором кольце из композиционного материала, но при этом, благодаря структуре кольца и свойствам материалов связующего и кольца, оно продолжает оставаться в конструкции корпуса все расчетное время (с учетом соответствующего уноса, который существенно меньше, чем в варианте с резиновой смесью в виде ТЗП), обеспечивая тепловую защиту заднего днища корпуса.

При действии внутреннего давления и как следствие больших деформаций силовой оболочки внутреннее ТЗП вместе с расположенными в нем кольцами из композиционного материала перемещается вслед за силовой оболочкой, при этом резиноподобный слой между вторым кольцом и силовой оболочкой позволяет компенсировать воздействия между ними, перераспределяя нагрузку по поверхности кольца, тем самым обеспечивая его работоспособность. Конструкция стыка двух колец при внутреннем давлении и соответствующей деформации силовой оболочки и ТЗП работает как шарнир, раскрытия зазора между кольцами не происходит. Резиноподобный материал в зазоре препятствует проникновению разогретых газов в пространство между кольцами, а эластичность материала позволяет компенсировать изменения в величине зазора между кольцами при действии внутреннего давления, тем самым сохраняется целостность ТЗП днища в целом в течение всего времени работы двигателя.

Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет повысить надежность и обеспечить теплопрочностную работоспособность конструкции корпуса за счет установки в периферийной части ТЗП элементов, обладающих высокой эрозионной стойкостью и обеспечивающих допустимое теплового состояние силовых элементов конструкции корпуса.

Экспериментальная проверка подтвердила работоспособность и надежность предложенной конструкции.