Ракетный двигатель твердого топлива

Авторы патента:

Лянгузов Сергей Викторович (RU)

Иоффе Ефим Исаакович (RU)

Бондаренко Сергей Александрович (RU)

Налобин Михаил Алексеевич (RU)

F02K9/84 - с помощью подвижных сопел

Владельцы патента RU 2474720:

Открытое акционерное общество Научно-производственное объединение "Искра" (RU)

Изобретение относится к ракетной технике и может быть использовано при создании малогабаритного ракетного двигателя твердого топлива с поворотным соплом. Ракетный двигатель твердого топлива содержит корпус и поворотное сопло, часть наружной поверхности которого формирует шар, контактирующий со сферическим гнездом, выполненным в корпусе. Твердое топливо имеет температуру продуктов сгорания, не превышающую 1500°С. Поворотное сопло и часть корпуса, формирующая сферическое гнездо, выполнены из металла. Вокруг сферического гнезда выполнен патрубок, в который на резьбе установлена втулка, контактирующая с шаровой частью поворотного сопла. На наружной части поворотного сопла со стороны его среза выполнен цилиндрический участок с резьбой, посредством которой на поворотное сопло установлен элемент кинематики. Изобретение позволяет снизить размеры ракетного двигателя твердого топлива, упростить конструкцию и повысить его надежность. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к ракетной технике и может быть использовано при создании малогабаритного ракетного двигателя твердого топлива (РДТТ) с поворотным соплом.

Известные конструктивные схемы управления вектором тяги РДТТ [Абугов Д.И., Бобылев В.М. Теория и расчет ракетных двигателей твердого топлива. Учебник для машиностроительных вузов. - М.: Машиностроение, 1987 - 272 с., ил., раздел 10.6, страница 188] проблематично реализовать на малогабаритных РДТТ, диаметр критического сечения сопла которых не превышает 1-2 мм.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому положительному эффекту к предлагаемому изобретению является РДТТ с системой управления вектором тяги поворотного сопла [Франция, заявка №2370864]. Ракетный двигатель твердого топлива содержит твердое топливо, корпус и поворотное сопло, часть наружной поверхности которого формирует шар, контактирующий со сферическим гнездом, выполненным в корпусе. Поворотное сопло и сферическое гнездо, выполненное в корпусе, выполнены из графита и углеродных соединений. Перетекание продуктов сгорания через зазор между сопрягаемыми деталями поворотного сопла и корпуса приводит к нагреву сопрягаемых деталей, но вполне допустимо. Допустимость нагрева обусловлена применением эрозионностойких графита и углеродных соединений (например, углерод-углеродного композиционного материала (УУКМ)). Однако выполнение малогабаритных деталей (сопла, диаметр критического сечения которого не превышает 1-2 мм) из анизотропных графита и углеродных соединений проблематично, а из УУКМ невозможно из-за его структуры. УУКМ состоит из перекрещивающихся нитей, расстояние между которыми (размер ячейки) составляет ~3 мм (т.е. сопоставимо с размером сопла).

Технической задачей настоящего изобретения является обеспечение возможности снижения размеров РДТТ, упрощение конструкции и повышение ее надежности.

Сущность изобретения заключается в том, что в ракетном двигателе твердого топлива, содержащем твердое топливо, корпус и поворотное сопло, часть наружной поверхности которого формирует шар, контактирующий со сферическим гнездом, выполненным в корпусе, твердое топливо имеет температуру продуктов сгорания, не превышающую 1500°С, при этом поворотное сопло и часть корпуса, формирующая сферическое гнездо, выполнены из металла. Вокруг сферического гнезда выполнен патрубок, в который на резьбе установлена втулка, контактирующая с шаровой частью поворотного сопла. На наружной части поворотного сопла со стороны его среза выполнен цилиндрический участок с резьбой, посредством которой на поворотное сопло установлен элемент кинематики (рычаг). На шаровой части поворотного сопла могут быть выполнены две кольцевые выборки, в которые установлены кольца, выполненные из терморасширенного графита. Во втулке может быть установлен фильтр из прессованной металлической сетки или путанки. На поворотном сопле могут быть выполнены неосесимметричные выборки.

Технический результат достигается за счет применения в РДТТ низкотемпературного твердого топлива, имеющего температуру продуктов сгорания, не превышающую 1500°С, что позволяет выполнить сопрягаемые детали поворотного сопла и корпуса из металла (например, из жаростойкой стали). Металл в отличие от анизотропного УУКМ является изотропным. Однородная структура металла позволяет изготавливать из него достаточно малые детали с характерным размером несколько миллиметров (что для УУКМ невозможно). Использование металла позволяет изготовить поворотное сопло в виде монодетали, для которой не требуется критический вкладыш, подложка, арматура и прочие элементы, из которых обычно состоит сопло. Указанная монодеталь содержит на наружной части поворотного сопла со стороны его среза цилиндрический участок с резьбой. Посредством данной резьбы на поворотное сопло установлен элемент кинематики (рычаг, посредством которого производится качание сопла). Осевая фиксация поворотного сопла производится втулкой, контактирующей с шаровой частью поворотного сопла. Втулка установлена на резьбе в патрубок, выполненный вокруг сферического гнезда корпуса. Предложенная конструкция РДТТ имеет минимальное число деталей, чем достигается ее простота и надежность. Дальнейшее повышение надежности предлагаемой конструкции может проводиться в направлении уменьшения трения между поворотным соплом и корпусом, снижения утечек продуктов сгорания через зазор между сопрягаемыми деталями поворотного сопла и корпуса, обеспечения герметичности РДТТ в процессе наземной эксплуатации. При выполнении сопрягаемых деталей из металла появляется возможность установки в зазор между сопрягаемыми деталями поворотного сопла и корпуса графитовых колец, одновременно обеспечивающих уплотнение зазора и снижающих трение между сопрягаемыми деталями. Наиболее полно данные задачи выполняет терморасширенный графит, упругие свойства которого обеспечивают сохранение поджатия уплотнения в течение всего срока эксплуатации. При этом наиболее простая конструкция получается, когда на шаровой части поворотного сопла выполнены две кольцевые выборки, в которые установлены кольца, выполненные, например, из терморасширенного графита. Твердое топливо, имеющее температуру продуктов сгорания, не превышающую 1500°С, не содержит металлизированных добавок. Однако за счет неполноты сгорания и термодеструкции элементов конструкции в продуктах сгорания могут содержаться микрочастицы. Предотвращение засорения и зашлаковки сопла (как его проточной части, так и поверхностей, сопрягаемых со сферическим гнездом корпуса) достигается тем, что во втулке установлен фильтр из прессованной металлической сетки или путанки. Упрощение сборки РДТТ достигается тем, что при сборке в неподвижный элемент кинематики вворачивается поворотное сопло. Для этого на поворотном сопле выполнены неосесимметричные выборки (отверстия, пазы), сопрягаемые с технологическим ключом (типа отвертки). Совокупность представленных технических решений обеспечивает упрощение конструкции и соответствующее повышение ее надежности.

Данное техническое решение не известно из патентной и технической литературы.

Изобретение поясняется следующим графическим материалом:

на фиг.1 в разрезе показан вариант РДТТ с сопряжением поворотного сопла с корпусом типа «сталь по стали»;

на фиг.2 в разрезе показан вариант РДТТ с кольцами, выполненными из терморасширенного графита.

Ракетный двигатель твердого топлива содержит корпус 1, твердое топливо, размещенное в корпусе 1 (на фиг. условно не показано), и поворотное сопло 2. Поворотное сопло 2 выполнено в виде металлической монодетали. Часть наружной поверхности поворотного сопла 2 формирует шар 3, контактирующий со сферическим гнездом 4, выполненным в корпусе 1. Часть корпуса 1, формирующая сферическое гнездо 4, выполнена из металла (стали), а вокруг сферического гнезда выполнен патрубок 5. В патрубок 5 на резьбе 6 установлена втулка 7. Втулка 7 контактирует с шаровой частью 3 поворотного сопла 2. Тем самым втулка 7 фиксирует сопло 2 в осевом направлении, прижимая поворотное сопло 2 к сферическому гнезду 4. На наружной части поворотного сопла 2 со стороны его среза выполнен цилиндрический участок с резьбой 8, посредством которой на поворотное сопло 2 установлен элемент 9 кинематики (рычаг, посредством которого производится качание сопла 2). На шаровой части 3 поворотного сопла 2 выполнены две кольцевые выборки 10. В кольцевые выборки 10 установлены кольца 11, выполненные из терморасширенного графита. При установке в патрубок 5 на резьбе 6 втулки 7 происходит поджатие уплотнительных колец 11. Во втулке 7 установлен фильтр 12, предназначенный для улавливания конденсированных микрочастиц из продуктов сгорания и предотвращающий засорение и зашлаковку сопла 2 (как его проточной части, так и поверхностей, сопрягаемых со сферическим гнездом 4 корпуса 1). Фильтр 12 выполнен в виде блока прессованной металлической сетки или путанки. На поворотном сопле 2 выполнены неосесимметричные выборки 13 (отверстия, пазы). Посредством неосесимметричных выборок 13 сопрягаемым с ними технологическим ключом в неподвижный элемент 9 кинематики при сборке РДТТ вворачивается поворотное сопло 2.

Устройство работает следующим образом. При запуске РДТТ продукты сгорания твердого топлива через фильтр 12 поступают в поворотное сопло 2, создавая тягу. Давление продуктов сгорания прижимает поворотное сопло 2 (его шаровую часть 3) к сферическому гнезду 4. Управление направлением тяги производится посредством элемента 9 кинематики (рычага), который качает поворотное сопло 2 в сферическом гнезде 4 относительно корпуса 1. Шарнирный момент (необходимое усилие качания) зависит от трения между сопрягаемыми деталями шаровой части 3 поворотного сопла 2 и сферического гнезда 4. В варианте на фиг.1 шарнирный момент зависит от трения контактной пары «сталь по стали». Снижение шарнирного момента в варианте на фиг.2 обусловлено меньшим коэффициентом трения между кольцами 11, выполненными из терморасширенного графита и сопрягаемыми с ними металлическими деталями (сферическим гнездом 4, втулкой 7).

Технико-экономическая эффективность предлагаемого изобретения, по сравнению с прототипом, в качестве которого выбран РДТТ с поворотным соплом [Франция, заявка №2370864], заключается в обеспечении возможности снижения размеров РДТТ, упрощении конструкции и повышении ее надежности.

1. Ракетный двигатель твердого топлива, содержащий твердое топливо, корпус и поворотное сопло, часть наружной поверхности которого формирует шар, контактирующий со сферическим гнездом, выполненным в корпусе, отличающийся тем, что твердое топливо имеет температуру продуктов сгорания, не превышающую 1500°С, при этом поворотное сопло и часть корпуса, формирующая сферическое гнездо, выполнены из металла, а вокруг сферического гнезда выполнен патрубок, в который на резьбе установлена втулка, контактирующая с шаровой частью поворотного сопла, причем на наружной части поворотного сопла со стороны его среза выполнен цилиндрический участок с резьбой, посредством которой на поворотное сопло установлен элемент кинематики (рычаг).

2. Ракетный двигатель твердого топлива по п.1, отличающийся тем, что на шаровой части поворотного сопла выполнены две кольцевые выборки, в которые установлены кольца, выполненные из терморасширенного графита.

3. Ракетный двигатель твердого топлива по п.1, отличающийся тем, что во втулке установлен фильтр из прессованной металлической сетки или путанки.

4. Ракетный двигатель твердого топлива по п.1, отличающийся тем, что на поворотном сопле выполнены неосесимметричные выборки.

Изобретение относится к жидкостным ракетным двигателям. .

Сопло ракетного двигателя твердого топлива // 2440506

Изобретение относится к ракетной технике и может быть использовано в двигателях твердого топлива для управления вектором тяги. .

Ракетный двигатель твердого топлива с поворотным управляющим соплом (варианты) // 2428579

Изобретение относится к ракетной технике и может быть использовано в конструкциях маршевых и разгонных ступеней ракетных двигателей твердого топлива. .

Поворотное сопло ракетного двигателя // 2403427

Изобретение относится к ракетной технике и может быть использовано при разработке поворотных сопел ракетных двигателей. .

Способ управления вектором тяги жидкостного ракетного двигателя // 2391546

Изобретение относится к области ракетного двигателестроения и может быть использовано при создании безгенераторных жидкостных ракетных двигателей, работающих на криогенных компонентах, например кислороде и водороде.

Поворотное сопло для ракетного двигателя // 2309281

Изобретение относится к области поворотных сопел ракетных двигателей. .

Сопло с отклоняемым вектором тяги // 2168047

Изобретение относится к области турбореактивных авиационных двигателей, применяемых на боевых сверхзвуковых самолетах. .

Силовая установка управляемого ракетного аппарата на жидком топливе // 2163304

Управляемый многокамерный ракетный аппарат на жидком топливе // 2156874

Регулируемое сопло авиационного двигателя с отклоняемым вектором тяги // 2142571

Изобретение относится к области авиационных двигателей, в частности к регулируемым сверхзвуковым соплам для турбореактивных двигателей. .

Способ сборки сопла с эластичным опорным шарниром // 2478815

Изобретение относится к ракетной технике, а именно к технологии изготовления сопел с эластичным опорным шарниром

Устройство для гашения поперечных усилий вследствие отделения реактивной струи, действующих на сопло реактивного двигателя, и сопло реактивного двигателя // 2493413

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. Первый конец тяги шарнирно укреплен на сопле. Первый конец звена крепления шарнирно закреплен на камере сгорания, а второй конец шарнирно прикреплен ко второму концу тяги. Первый конец приводного узла шарнирно закреплен на неподвижной конструкции летательной установки, а второй конец шарнирно прикреплен ко второму концу звена крепления. Каждая тяга содержит жесткий элемент, соединенный с двумя концами тяги, элемент, продольно деформируемый под действием усилия сжатия или растяжения, и средства для отсоединения жесткого элемента от концов тяги. Продольно деформируемый элемент жестко соединен с двумя концами тяги и содержит трубку, проходящую в продольном направлении тяги и снабженную множеством окружных щелей. Другое изобретение группы относится к соплу реактивного двигателя, содержащему указанное выше устройство для гашения поперечных усилий. Изобретения позволяют повысить надежность устройства гашения поперечных усилий. 2 н. и 5 з.п. ф-лы, 11 ил.

Ракетный двигатель // 2495274

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. Осевой подшипник размещен в кольцевой перегородке, выполненной в корпусе. Радиальный подшипник, наиболее отдаленный от выходной части сопла, установлен с упором одной из обойм на подвижной в осевом направлении втулке, контактирующей своим торцом с осевым подшипником. Изобретение позволяет повысить надежность ракетного двигателя за счет уменьшения момента трения при вращении сопла. 1 ил.

Способ сборки ракетного двигателя твердого топлива и оснастка для его осуществления // 2496023

При сборке ракетного двигателя твердого топлива положение соплового блока с кольцевым воспламенителем ориентируют относительно корпуса, причем ориентирование осуществляют без уплотняющих элементов. Затем в газоходы корпуса и на сопловой блок устанавливают технологическую оснастку, обеспечивающую сохранение взаимной ориентации соплового блока и корпуса. Производят расстыковку и устанавливают уплотняющие элементы, после чего производят окончательную стыковку. Скрепляют сопловой блок с корпусом и удаляют технологическую оснастку. Оснастка для сборки ракетного двигателя твердого топлива включает центрирующие и направляющие элементы. Центрирующий элемент выполнен в виде устанавливаемой в газоход корпуса консольной штанги. Направляющий элемент выполнен в виде скрепляемого с сопловым блоком вкладыша, снабженного втулкой, охватывающей консольную штангу. Изобретение позволяет упростить сборку ракетного двигателя твердого топлива. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.

Корпус раструба поворотного сопла из композиционных материалов // 2539236

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. Оболочка в зоне установки шпангоута выполнена с кольцевым поясом с торцовой поверхностью, фиксирующей положение шпангоута в осевом направлении, и объединена со шпангоутом в неразъемную конструкцию с образованием кольцевого пространства между наружной поверхностью пояса и внутренней поверхностью шпангоута. В кольцевое пространство встроены закладные детали, взаимодействующие с механизмами поворота сопла. Боковая поверхность шпангоута со стороны большого основания оболочки выполнена с усиленным кольцевым ребром, образованным перегибом ткани вокруг введенного в его конструкцию жесткого диска из материала, совместимого с материалом шпангоута, и оформлена как фланец для встраивания корпуса в систему составных частей сопла. Изобретение позволяет повысить надежность раструба поворотного сопла, а также снизить его массу и трудоемкость изготовления. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

Каркас поворотного сопла из композиционных материалов, способ его изготовления и выкладочно-прессовочная оснастка для осуществления способа // 2551467

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. Шпангоут выполнен в виде кольца швеллерного профиля поперечного сечения с фасонным фланцем и полками, обращенными наружу и усиленными радиальными, интегрально встроенными в конструкцию ребрами жесткости. При изготовлении каркаса поворотного сопла из композиционных материалов, представляющего собой указанный шпангоут, выкладывают пакеты лепестков ткани на формообразующие поверхности оснастки, включающей матрицу, пуансон и комплект оформляющих элементов. Оформляющие элементы оснастки предварительно обформованы со стороны боковых и профильных поверхностей и служат для оформления внутреннего профиля шпангоута с ребрами жесткости. Оформляющие элементы устанавливают на обформованные формообразующие поверхности пуансона с прижатием к торцовой поверхности, оформляющей одну из полок шпангоута. Затем обформовывают свободные стороны оформляющих элементов с распространением ткани на пуансон в зоне оформления фланца. Устанавливают матрицу, поджимают оформляющие элементы в радиальном направлении и прессуют с последующей термообработкой. Выкладочно-прессовочная оснастка содержит матрицу и пуансон с кольцевыми уступами и комплект оформляющих элементов для оформления внутреннего профиля шпангоута. Оформляющие элементы в совокупности объединены в разрезное сегментное кольцо, помещаемое в кольцевое пространство между матрицей и пуансоном и являющееся опорой для них при смыкании с образованием вместе с ними замкнутого объема, по размерам и очертаниям поверхностей соответствующего изготавливаемому каркасу. Группа изобретений позволяет снизить массу конструкции, повысить технологичность способа ее изготовления и упростить технологическую оснастку. 3 н. и 5 з.п. ф-лы, 10 ил.

Способ сборки сопла ракетного двигателя с эластичным опорным шарниром // 2563335

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. Затем фиксируют подвижную часть сопла относительно неподвижной части стопорными устройствами. Фиксацию подвижной части сопла относительно неподвижной части производят с дискретным увеличением усилия фиксации до заданных значений. Во время каждого увеличения усилия фиксации в двух взаимно перпендикулярных осевых плоскостях, одна из которых проходит через стопорное устройство, контролируют отклонение от перпендикулярности оси подвижной части сопла относительно базовой поверхности стыковочного фланца жесткого основания. При необходимости изменением усилия фиксации стопорных устройств производят корректировку перпендикулярности до нормированного значения. Изобретение позволяет исключить деформацию сопла с эластичным опорным шарниром при сборке, а также снизить ее трудоемкость. 2 ил.

Система ориентируемого ракетного двигателя // 2612978

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. Изобретение обеспечивает улучшение работы летательного аппарата за счет уменьшение аэродинамического сопротивления. 2 н. и 9 з.п. ф-лы, 8 ил.

Подвесной шарнир поворотного сопла из композиционных материалов и способ его изготовления // 2632393

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к упругим элементам конструкций для соединения пространственно подвижных звеньев, например поворотных сопел. Подвесной шарнир содержит упругую часть (1) с элементами закрепления (2, 3). В нем упругая часть (1) выполнена из плетеных (4) и намоточных (5) нитяных слоев с плотным их размещением, сформированных вокруг элементов закрепления (2, 3). Элементы закрепления (2, 3) выполнены с включением в их конструкцию силовых колец с перегибом вокруг них тех же нитей упругой части (1). Также заявлен способ изготовления упомянутого подвесного шарнира поворотного сопла, заключающийся в выполнении последовательно проводимых сборочных и намоточных операций. При его проведении предварительно изготавливают конструктивно-технологический каркас шарнира из плетеных (4) и намоточных (5) нитей с использованием металлических колец (6, 7) в зонах оформления элементов закрепления с последующей его кольцевой прошивкой и пропиткой силиконом. Технический результат: создание подвесного шарнира для соединения звеньев конструкций с обеспечением возможности относительного перемещения, принцип работы которого не связан со сдвиговыми деформациями материала, и способа его изготовления. 2 н.п. ф-лы, 5 ил.

Поворотное управляющее сопло с гибким раскладным насадком // 2647022

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. Сопловой насадок образован раструбом из гибкого композиционного материала и опорными кольцами, установленными с интервалами вдоль оси сопла и соединенными с помощью шарниров с механизмом разложения насадка. Ближайшее к срезу раструба подвижной части сопла опорное кольцо закреплено в зоне максимального сечения раструба подвижной части сопла таким образом, что оно образует продолжение подвижной части. Опорные кольца в сложенном состоянии размещены так, что своими максимальными сечениями образуют зону, подобную по форме переднему днищу предыдущей ступени. Изобретение позволяет повысить баллистическую эффективность ракеты за счет уменьшения общей длины ракеты при наличии габаритных ограничений, сокращения длины и массы межступенных отсеков или за счет увеличения длины и массы топливного заряда ракетного двигателя при сохранении общей длины ракеты. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.