Жидкостный ракетный двигатель с дефлектором на срезе сопла

Изобретение относится к управлению вектором тяги жидкостного ракетного двигателя (ЖРД).

ЖРД содержит камеру с охлаждаемой сверхзвуковой частью сопла, неохлаждаемый насадок из углерод-углеродного композиционного материала (УУКМ), рулевые агрегаты и раму, наружная поверхность неохлаждаемого насадка в районе среза выполнена в виде сферы с центром вращения на оси камеры, на которую устанавливается дефлектор из УУКМ, состоящий из двух частей, соединенных между собой при помощи фланцевого соединения с уплотнением из терморасширенного графита, внутренняя поверхность которого имеет сферическую форму, эквидистантную сферической поверхности неохлаждаемого насадка, а на наружной поверхности выполнены проушены для закрепления к рулевым агрегатам, которые крепятся к раме двигателя, при этом сферические поверхности неохлаждаемого насадка и дефлектора имеют графитовое покрытие. Изобретение обеспечивает повышение эффективности, ресурса работы и получение большей величины бокового управляющего усилия и уменьшения усилия на рулевых органах. 3 ил.

 

Изобретение относится к ракетным двигателям, в которых для управления вектором тяги в полете используются различные органы управления, расположенные у среза сопла или внутри его.

Известно, что на заре развития жидкостных ракетных двигателей (ЖРД) в немецкой ракете ФАУ-2 для управления вектором тяги использовались газовые рули, выполненные из графита и расположенные на срезе сопла. При повороте этих рулей вокруг оси с увеличением площади натекания создается боковое усилие. Развитие ракетной техники потребовало создания более надежных и эффективных органов управления вектором тяги.

Известны газовые рули по патенту США №3251555 и по книге "Конструкция ракетных двигателей на твердом топливе" под общей редакцией Л.Н. Лаврова. - М.: Машиностроение, 1993, стр. 145, которые расположены в полости истекающей струи.

Недостатком является условие работы этих газовых рулей:

- тепловые и эрозионные воздействия высокотемпературного газового потока в течение всего времени работы двигателя;

- наличие механических нагрузок от сверхзвукового потока в течение всего времени работы двигателя.

Известен газовый руль ракетного двигателя, выбранный за прототип, содержащий перо, тарель с цилиндрическим выступом, вал, хвостовик которого с помощью кольцевой выточки через посредство разжимного кольца насажен на выступ тарели. В этой конструкции тарель и перо выполнены из разных деталей (патент России №2251013, F02K 9/80, 2003).

Недостатками данной конструкции являются:

- низкая надежность органов управления, так как они все время находятся в высокотемпературном газовом потоке, что приводит к их эрозии и быстрому выгоранию;

- нахождение газовых рулей все время в потоке сопровождается наличием их лобового сопротивления, что снижает удельные энергетические характеристики;

- невозможность получения большой величины бокового управляющего усилия из-за небольшой рабочей поверхности органов управления;

- значительные усилия на рулевых органах;

- необходимость иметь на срезе сопла четыре газовых руля и четыре привода для их поворота в струю газа.

Предлагаемое изобретение устраняет указанные недостатки прототипа и решает техническую задачу повышения эффективности, ресурса работы и получения большей величины бокового управляющего усилия и уменьшения усилия на рулевых органах.

Поставленная техническая задача решается тем, что в ЖРД, содержащем камеру с охлаждаемой сверхзвуковой частью сопла, неохлаждаемый насадок из углерод-углеродного композиционного материала (УУКМ), рулевые агрегаты и раму, наружная поверхность неохлаждаемого насадка в районе среза выполнена в виде сферы с центром вращения на оси камеры, на которую устанавливается дефлектор из УУКМ, состоящий из двух половин, соединенных между собой при помощи фланцевого соединения, расположенного вдоль оси камеры с уплотнением из терморасширенного графита, внутренняя поверхность которого имеет сферическую форму, эквидистантную сферической поверхности неохлаждаемого насадка, а на наружной поверхности выполнены проушены для закрепления к рулевым агрегатам, которые крепятся к раме двигателя, при этом сферические поверхности неохлаждаемого насадка и дефлектора имеют графитовое покрытие.

Такое исполнение ЖРД позволяет реализовать следующие процессы:

- когда не требуется боковое управляющее усилие, дефлектор расположен в исходном положении на сопловой части и не касается струи газа, истекающей из сопла;

- при необходимости получения бокового усилия дефлектор погружается в газовую струю, истекающую из сопла. Причем в зависимости от необходимого значения бокового усилия дефлектор погружается на определенный угол.

При погружении дефлектора в газовую струю боковое усилие будет реализовываться не только за счет повышения давления на поверхности дефлектора, но также и за счет повышения давления в отрывной зоне на сопловой части перед дефлектором. Причем повышение давления на сопловой части перед дефлектором вносит существенную составляющую в получение бокового управляющего усилия и позволяет значительно уменьшить усилия на рулевом агрегате. За счет этого реализуется эффективное боковое усилие при уменьшенном усилии на рулевом агрегате и уменьшенных осевых потерях импульса тяги.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется схемами, показанными на фиг. 1, 2, 3.

ЖРД (фиг. 1) содержит камеру 1, неохлаждаемый насадок из УУКМ 2, дефлектор 3 с покрытием внутренней поверхности графитом и проушинами (кронштейнами) 4, рулевые агрегаты 5, раму двигателя 6.

На фиг. 2 показано, что дефлектор 3 состоит из двух частей, соединенных между собой с помощью болтовых соединений 7 и прокладки из терморасширенного графита 8.

На фиг. 3 показана физическая картина получения бокового усилия. При погружении дефлектора 3 в газовую струю на неохлаждаемый насадок 2 действует повышенное давление P₁ за скачком уплотнения А перед дефлектором 3, при этом на дефлектор 3 действует давление P₂.

ЖРД с органами управления вектором тяги (дефлектором) работает следующим образом.

По команде от системы управления РН подается сигнал на соответствующие рулевые агрегаты 5, которые через проушину 4 поворачивают дефлектор 3 вокруг оси камеры 1. Часть дефлектора 3 погружается в струю газа, истекающую из сопла камеры 1, а противоположная часть приближается к панели сопла. В результате погружения дефлектора 3 в газовую струю на поверхности дефлектора и сопловой части, примыкающей к дефлектору, повышается статическое давление, которое существенно выше давления на противоположной части сопла, в результате создается боковое управляющее усилие.

Следует отметить, что для получения кругового вектора управляющего усилия в данной конструкции используются всего два рулевых агрегата (вместо четырех). Это позволяет снизить массовые характеристики ЖРД.

Таким образом, использование дефлектора со сферической поверхностью, выполненного из УУКМ и расположенного в районе среза сопла, позволяет получить большое управляющие усилия, уменьшение потерь в осевой тяге при получении бокового усилия, уменьшение усилия на рулевые агрегаты и повышение надежности работы и ресурса работы конструкции.

ЖРД, содержащий камеру с охлаждаемой сверхзвуковой частью, неохлаждаемый насадок из углерод-углеродного композиционного материала, рулевые агрегаты и раму, отличающийся тем, что наружная поверхность неохлаждаемого насадка в районе среза сопла выполнена в виде сферы с центром вращения на оси камеры, на которую установлен дефлектор из углерод-углеродного композиционного материала, состоящий из двух половин, соединенных между собой фланцевым соединением, расположенным вдоль оси камеры с уплотнением из терморасширенного графита, а внутренняя поверхность дефлектора имеет сферическую поверхность, эквидистантную сферической поверхности неохлаждаемого насадка, на наружной поверхности дефлектора выполнены проушины для крепления рулевых агрегатов, при этом сферические поверхности неохлаждаемого насадка и дефлектора имеют графитовое покрытие.