Патент на изобретение №2293867

(54) РЕГУЛЯТОР РАСХОДА СОПЛА РАКЕТНОГО ДВИГАТЕЛЯ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА

(57) Реферат:

Регулятор расхода сопла содержит подвижное центральное тело, корпус, в котором размещено центральное тело, и узлы крепления регулятора расхода сопла к сопловому блоку. Корпус центрального тела выполнен тонкостенным в виде полого штока со сквозными отверстиями на его боковой поверхности, в задней части и на острие центрального тела, выполненного в форме конуса. К передней части центрального тела жестко прикреплен поршень, герметично размещенный в корпусе регулятора расхода сопла, имеющего форму цилиндрической капсулы. Передний объем корпуса регулятора заполнен жидкостью. В свободном объеме корпуса регулятора размещается шашка, надетая на корпус центрального тела, с низкотемпературным медленно горящим топливным зарядом. К корпусу регулятора жестко прикреплена центральная труба, аксиально входящая в центральное тело, в передней части которой имеется отверстие для редукционного клапана, расположенного на днище корпуса регулятора. Изобретение позволяет обеспечить постоянство давления в сопловом объеме при прогрессивном горении заряда твердого топлива и снизить тепловые нагрузки, воздействующие на корпус регулятора. 4 з.п. ф-лы, 3 ил.

Заявляемый объект относится к устройствам регулирования расхода в ракетном двигателе твердого топлива (РДТТ). Возможно применение устройства в составе воздушно-реактивных двигателей для тех же целей и в газогенерирующих устройствах на твердом топливе для регулирования расходных характеристик во времени.

Известно устройство регулирования расхода сопла, представленное в описании к патенту США US 3726480 А, 10.04.1973. Регулирование площади критического сечения сопла осуществляется за счет перемещения поршня, соединенного с центральным телом, при помощи гидравлического привода.

Недостатком этого регулятора является значительная тепловая нагрузка, воздействующая на центральное тело, сопровождающаяся его эрозионным уносом.

Наиболее близким по технической сущности является устройство, представленное в описании к патенту RU 2156876 С1, 27.09.2000, которое использовано в качестве прототипа. Регулятор расхода сопла, содержащий подвижное центральное тело, электромеханический привод перемещения центрального тела. Корпус центрального тела выполнен тонкостенным со сквозными отверстиями на его боковой поверхности и в передней части, а внутри корпуса размещается шашка с низкотемпературным медленно горящим топливным зарядом, к торцовой поверхности которого с регулируемым усилием, создаваемым через механические тяги, прижата круглая перфорированная пластина.

Недостатком этого регулятора является наличие механической зубчатой передачи, входящей в зацепление с корпусом центрального тела по его внутренней поверхности, которое требует дополнительной тепловой защиты и, как следствие, утяжеления конструкции.

Задачей заявляемого устройства является снижение тепловых нагрузок, воздействующих на корпус регулятора, выполнение условия постоянства давления в сопловом объеме при прогрессивном горении основного заряда РДТТ, исключение из конструкции механической зубчатой передачи и электропривода.

Эта задача решается при следующих условиях. Регулятор расхода сопла содержит подвижное центральное тело, корпус, в котором размещено центральное тело, и узлы крепления регулятора расхода сопла к сопловому блоку. Корпус центрального тела выполнен тонкостенным, в виде полого штока, со сквозными отверстиями на его боковой поверхности, в задней части и на острие центрального тела, выполненного в форме конуса. Согласно изобретению корпус регулятора расхода сопла имеет форму цилиндрической капсулы, а к передней части центрального тела жестко прикреплен поршень, герметично размещенный в корпусе регулятора расхода сопла. Передний объем корпуса регулятора заполнен жидкостью, а в свободном объеме корпуса регулятора размещается шашка, надетая на корпус центрального тела, с низкотемпературным медленно горящим топливным зарядом. К корпусу регулятора жестко прикреплена центральная труба, аксиально входящая в центральное тело. В передней части центральной трубы имеется отверстие для редукционного клапана, расположенного на днище корпуса регулятора.

Кроме того, заполняющая передний объем корпуса регулятора жидкость может представлять собой студенистую жидкость в виде геля, предназначенную для охлаждения центрального тела. При этом гель может содержать охлаждающие присадки, имеющие высокую энергию фазового перехода, например NaF. Клапан может быть электромагнитным и иметь датчик давления основного двигателя, а также систему управления электромагнитным клапаном. При этом полая часть центрального тела может иметь звездообразное сечение.

Выполненные в стенке корпуса центрального тела (ЦТ) сквозные отверстия, через которые истекают продукты сгорания низкотемпературного топлива, оказывают охлаждающее воздействие на элементы конструкции, соприкасающиеся с продуктами сгорания топлива РДТТ. Продукты сгорания шашки, расположенной в передней части центрального тела, поступают в свободный объем корпуса регулятора и создают избыточное давление на жидкость, размещенную в переднем объеме регулятора, а так как жидкость считается несжимаемой, перемещения центрального тела не происходит.

При превышении давления в основном двигателе происходит сброс жидкости, изменение объема сбрасываемой жидкости соответствует необходимому перемещению центрального тела, увеличивается площадь критического сечения сопла до достижения заданного давления в основном двигателе. Сбрасываемая жидкость, испаряясь, дополнительно охлаждает центральное тело, заполняя продуктами испарения звездообразные полости. Для улучшения эксплуатационных свойств регулятора, а именно во время хранения устройства, передний объем регулятора заполнен вязкой жидкостью в виде геля, исключающей свободное вытекание жидкости из объема во время хранения. Для повышения охлаждающей способности геля целесообразно использовать гель с охлаждающими присадками, имеющими высокую энергию фазового перехода, например, NaF.

Сущность заявляемого устройства поясняется чертежами, где изображены на фиг.1 – схема регулятора расхода сопла, на фиг.2 – поперечное сечение центрального тела, на фиг.3 – размещение регулятора в составе РДТТ.

Регулятор расхода сопла ракетного двигателя твердого топлива содержит корпус 1, центральное тело 2, теплозащитное покрытие 3, кольцевой зазор 4, внутреннюю полость 5, внутреннюю полость 6 центрального тела, низкотемпературные шашки 7 и 8, поршень 9, внутреннюю полость 10, заполненную жидкостью 11, сквозные отверстия 12, 13 и 14, центральную трубу 15, сквозные отверстия 16 и 17, золотник 18, пружину 19, узел крепления регулятора расхода к сопловому блоку, например, кронштейн 20, топливный заряд 21, корпус РДТТ 22, камеру сгорания 23 двигателя.

Корпус центрального тела 2 размещается в корпусе 1 регулятора с возможностью осевого перемещения. Осевое перемещение центрального тела в корпусе 1 регулятора происходит в одном направлении в сторону переднего днища корпуса регулятора.

Защита элементов корпуса центрального тела 2 от воздействия тепловых потоков обеспечивается применением теплозащитного покрытия в составе конструкции корпуса.

Также для тепловой защиты корпуса центрального тела формируется газовая завеса. Газовая завеса формируется за счет истечения продуктов разложения шашки 7 через сквозные отверстия 14 в корпусе центрального тела 2 и отверстия 12 и 13 в вершине конуса центрального тела, а также через зазор 4 между корпусом регулятора 1 и корпусом центрального тела 2. Дополнительное охлаждение корпуса ЦТ происходит за счет поступления жидкости или ее паров из центральной трубы регулятора во внутреннюю полость 6 ЦТ.

Устройство работает следующим образом. В начальный момент времени до запуска РДТТ во внутренней полости 5 корпуса 1 регулятора воспламеняется шашка 8 из медленно горящего низкотемпературного сублимирующего материала. Ее сгорание обеспечивает избыточное давление во внутренней полости 5, превышающее давление в камере сгорания 23 примерно в 2 раза, избыточное давление препятствует также попаданию во внутреннюю полость 6 высокотемпературных продуктов горения из камеры РДДТ сразу после запуска.

При прогрессивном горении основного заряда РДТТ повышение давления в камере сгорания 23 через отверстия 12 и 13 в конусообразном острие корпуса ЦТ попадают в полость 6, золотник 18 перемещается, пружина 19 сжимается, при совмещении отверстий 16, 17, под воздействием более высокого давления в полости 5 поршень 9, вместе с прикрепленным к нему ЦТ, перемещается в сторону переднего днища корпуса, выдавливая жидкость 11 из переднего объема 10 в центральную трубу 15 регулятора (эффект «газовой пружины»). Перемещение ЦТ приводит к увеличению площади критического сечения сопла, снижению давления в камере сгорания 23, ослаблению пружины 19, перекрытию отверстий 17 в центральной трубе корпуса регулятора и прекращению сброса жидкости из полости 10 до момента, пока в процессе работы основного заряда РДТТ уровень давления в камере сгорания 23 не достигнет определенного значения.

Пружину 19 можно заменить электромагнитом, если в сопловом объеме РДТТ установить датчик давления и систему управления электромагнитным (ЭМ) клапаном. В этом случае, при достижении в сопловом объеме определенного уровня давления, система управления ЭМ клапаном обеспечивает сброс жидкости из внутренней полости 10 в центральную трубу 15, центральное тело начинает перемещаться, площадь критического сечения сопла увеличивается, уровень давления в сопловом объеме падает, после чего система управления ЭМ клапаном перекрывает сброс жидкости из корпуса регулятора, пока вновь не повысится давление в сопловом объеме РДТТ до определенного уровня.

Низкая температура продуктов сгорания (разложения) сублимирующего материала оказывает охлаждающее воздействие на корпус ЦТ в течение всего периода работы двигателя. Уменьшение массы сублимирующего вещества в центральном теле достигается за счет его эффективного охлаждения парами сбрасываемой жидкости, поступающими из центральной трубы корпуса регулятора. Количество жидкости в виде геля, содержащей присадки, имеющие высокую энергию фазового перехода, например NaF, должно быть достаточным на весь период работы основного заряда. Звездообразная форма внутренней полости ЦТ позволяет увеличить поверхность, охлаждаемую парами жидкости, что также способствует уменьшению массы сублимирующего вещества.

Дополнительно корпус регулятора может быть защищен, если покрыть его слоем низкотемпературного сублимирующего материала.

Регулирование расхода сопла ракетного двигателя обеспечивается перемещением центрального тела 2 вдоль центральной оси конструкции в направлении переднего днища регулятора. Перемещение организуется созданием во внутренней полости 5 ЦТ постоянной зоны более высокого давления, чем в камере сгорания 23 РДТТ, и организацией сброса несжимаемой жидкости 11 из внутренней полости 10 либо за счет воздействия на пружину 19, либо подачей управляющего импульса на датчик давления, обеспечивающий срабатывание ЭМ клапана, размещение которых на схеме не показано.

Таким образом, предлагаемый регулятор расхода сопла обеспечивает снижение уровней тепловых потоков, воздействующих на элементы конструкции регулятора, позволяет выполнить корпусные детали регулятора и центрального тела тонкостенными (из-за предварительного наддува внутреннего объема корпуса и охлаждающего воздействия продуктов разложения жидкости), что снижает их массу.

Формула изобретения

1. Регулятор расхода сопла, содержащий подвижное центральное тело, корпус, в котором размещено центральное тело, и узлы крепления регулятора расхода сопла к сопловому блоку, корпус центрального тела выполнен тонкостенным в виде полого штока со сквозными отверстиями на его боковой поверхности, в задней части и на острие центрального тела, выполненного в форме конуса, отличающийся тем, что к передней части центрального тела жестко прикреплен поршень, герметично размещенный в корпусе регулятора расхода сопла, имеющего форму цилиндрической капсулы, передний объем корпуса регулятора заполнен жидкостью, в свободном объеме корпуса регулятора размещается шашка, надетая на корпус центрального тела, с низкотемпературным медленно горящим топливным зарядом, к корпусу регулятора жестко прикреплена центральная труба, аксиально входящая в центральное тело, в передней части которой имеется отверстие для редукционного клапана, расположенного на днище корпуса регулятора.

2. Регулятор по п.1, отличающийся тем, что заполняющая передний объем корпуса регулятора жидкость представляет собой студенистую жидкость в виде геля, предназначенную для охлаждения центрального тела.

3. Регулятор по п.2, отличающийся тем, что гель содержит охлаждающие присадки, имеющие высокую энергию фазового перехода, например NaF.

4. Регулятор по п.1, отличающийся тем, что клапан является электромагнитным, имеет датчик давления основного двигателя и систему управления электромагнитным клапаном.

5. Регулятор по п.1, отличающийся тем, что полая часть центрального тела имеет звездообразное сечение.

РИСУНКИ

MM4A – Досрочное прекращение действия патента СССР или патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Дата прекращения действия патента: 20.07.2007

Извещение опубликовано: 10.04.2009 БИ: 10/2009