Ракетный двигатель твердого топлива
Реферат
Двигатель предназначен для использования в области ракетной техники. Двигатель со скрепленным зарядом содержит корпус с дном и свободным объемом у дна, заряд твердого топлива, скрепленный с корпусом, с осевым каналом, сопловой блок с входным и выходным конусами, вкладыш, установленный в критическом сечении соплового блока узел воспламенения и сопловую заглушку. Канал заряда выполнен последовательно звездообразным, цилиндрическим и коническим. Внутренняя поверхность входного конуса соплового блока выполнена в виде трех конических поверхностей, плавно сопряженных между собой. Узел воспламенения консольно закреплен на сопловой заглушке. При этом величины свободного объема у дна и свободного объема входного конуса, длины цилиндрического и конического участков, площади сечения звездообразного, цилиндрического и конического участков, длины конических участков входного конуса соплового блока у торца заряда, у вкладыша и радиусы сопряжения конических участков входного конуса, углы наклона этих участков к продольной оси составляют величины, защищаемые данным изобретением. Вкладыш выполнен из разгорающегося материала со степенью разгара 0,07 - 0,10 площади критического сечения, причем расстояние между критическим сечением и передним торцом воспламенителя и площадь кольцевого сечения в плоскости этого торца между наружным диаметром воспламенителя и внутренней поверхностью входного конуса составляют 0,15 - 0,65 диаметра критического сечения и не менее 0,25 его площади соответственно. Выполнение двигателей в соответствии с изобретением позволяет повысить их энергетические характеристики при тех же габаритах и увеличить дальность стрельбы снарядов на 15 - 20%. 3 ил.
Предлагаемое изобретение относится к области ракетной техники, а именно к ракетным двигателям твердого топлива (РДТТ) со скрепленными зарядами, и может найти применение при разработке новых образцов РДТТ для реактивных снарядов (PC) систем залпового огня (РСЗО).
Основной тенденцией в развитии РСЗО является повышение их боевого могущества с одновременным увеличением дальности полета и улучшением кучности стрельбы. Использование в PC РДТТ со скрепленными зарядами из высокоимпульсных металлосодержащих смесевых топлив (СТТ) позволило существенно увеличить полный импульс тяги и сократить габариты двигателя, тем самым создать условия для повышения дальности стрельбы и роста габаритов и массы боевой части в заданных габаритно-массовых характеристиках PC. Известен РДТТ со скрепленным зарядом СТТ (см. реферативный журнал "Авиационные и ракетные двигатели", N 3, 1977 г., стр. 24), содержащий корпус со скрепленным зарядом СТТ, сопловой блок с входным и выходным конусами, узел воспламенения и сопловую заглушку. Горение заряда происходит по поверхности цилиндрического канала. Узел воспламенения размещен в канале заряда со стороны сортового блока. Конструкция двигателя проста и технологична, однако обладает существенным недостатком, заключающимся в том, что изменение давления в двигателе в процессе его работы носит прогрессивный характер. Это приводит к уменьшению уровня среднего давления в РДТТ, что не позволяет полностью реализовать энергетические характеристики топлива, с одной стороны, и приводит к росту пассивной массы двигателя - с другой. Таким образом, задачей данного технического решения являлась разработка РДТТ с зарядом СТТ, простого по конструкции и технологичного, но не оптимального с точки зрения обеспечения высоких энергетических характеристик. Общими признаками с предлагаемым авторами двигателем являются: корпус с дном и со скрепленным зарядом с осевым каналом, сопловой блок, сопловая заглушка и узел воспламенения. Оптимальной конструкцией двигателя, удовлетворяющего требованиям по обеспечению высоких энергетических характеристик и минимальному пассивному весу, являлась бы конструкция двигателя, в котором уровень давления во время его работы существенно не изменялся. Это позволило бы поднять уровень среднего давления и более полно реализовать энергетические характеристики топлива. Наиболее близким по технической сути и достигаемому техническому результату является двигатель с дном, со скрепленным зарядом с осевым каналом испанского HYPC "Teruel", описанный в справочнике "Janes Armour and Artillery" 1996-1997, p. 775, и принятый авторами за прототип. Этот двигатель содержит корпус с дном и свободным объемом у дна, скрепленный с корпусом заряд с осевым каналом звездообразной формы, сопловой блок с входным и выходным конусами, сопловую заглушку, вкладыш, размещенный в критическом сечении соплового блока, и узел воспламенения. Узел воспламенения расположен в свободном объеме у дна двигателя, а сопловая заглушка - в выходном конусе у критического сечения сопла. Внутренняя поверхность входного конуса выполнена в виде одной конической поверхности. Электрические проводники от узла воспламенения проходят через канал заряда и сопловую заглушку. Недостатками известного двигателя являются: - расположение узла воспламенения в свободном объеме у дна двигателя и наличие электрических проводников в канале заряда может привести к повреждению ими поверхности топлива при действии поперечных перегрузок, возникающих в служебном обращении (транспортирование и т.д.), а также элементами конструкции воспламенителя после запуска двигателя; - наличие звездообразной формы канала позволяет обеспечить постоянную поверхность горения и постоянное давление за время работы двигателя, но наличие такой формы канала по всей длине заряда уменьшает объемную плотность заполнения корпуса топливом, что требует увеличения длины двигателя для размещения заряда заданной массы. Кроме того, в конце работы двигателя появляются дегрессивные остатки СТТ, догорающие в период спада давления. Эти остатки увеличивают разброс внутрибаллистических характеристик (ВБХ) двигателя, снижают полный импульс тяги и приводят к неэффективному расходу топлива; - закрепление сопловой заглушки в выходном конусе соплового блока может приводить к появлению в месте крепления (после выброса заглушки) "рваной" поверхности (следы клея, остатки деталей крепления и т.д.), что ухудшает газодинамические характеристики потока, увеличивает эрозию материала выходного конуса и, в конечном итоге, повышает потери удельного импульса тяги. Все это в целом приводит к увеличению газодинамических и энергетических потерь в двигателе и увеличению разбросов его внутрибаллистических и энергетических характеристик. Таким образом, задачей данного технического решения являлась разработка РДТТ, сравнительно простого по конструкции, без обеспечения жестких требований к внутрибаллистическим и энергетическим характеристикам двигателя и величине разброса его параметров. Общими признаками с предлагаемым авторами двигателем являются наличие корпуса с дном и свободным объемом у дна, скрепленного с корпусом заряда с осевым каналом, соплового блока с входным и выходным конусами, вкладыша, размещенного в критическом сечении соплового блока, узла воспламенения и сопловой заглушки. В отличие от прототипа, в предлагаемом авторами двигателе канал заряда выполнен последовательно звездообразным, цилиндрическим и коническим у заднего торца заряда, внутренняя поверхность входного конуса соплового блока выполнена в виде трех конических поверхностей, плавно сопряженных между собой, сопловая заглушка установлена в плоскости выходного сечения соплового блока, а узел воспламенения консольно закреплен на сопловой заглушке, при этом величины свободного объема у дна и свободного объема входного конуса составляют соответственно 0,03. ..0,09 и 0,20...0,25 объема канала заряда, длины цилиндрического и конического участков заряда составляют соответственно 0,080. . .0,095 и 0,03...0,04 длины заряда, площади сечения звездообразного, цилиндрического и конического участков канала заряда составляют соответственно 1,2... 1,3; 1,45...1,65 и 4,0...4,5 площади критического сечения соплового блока, а длины конических участков входного конуса соплового блока у торца заряда, у вкладыша и между ними составляют соответственно 1,5. ..1,8; 1,2...1,5; 0,3...0,5 диаметра критического сечения, радиусы сопряжения конических участков составляют 0,5...2,0 суммарных длин сопрягаемых участков, углы наклона этих участков к продольной оси двигателя составляют соответственно 7. ..9o, 9...12o и 25...30o, вкладыш выполнен из разгорающегося материала со степенью разгара 0,07...0,10 плошали критического сечения, причем расстояние между критическим сечением и передним торцом воспламенительного устройства и площадь кольцевого поперечного сечения в плоскости этого торца между наружным диаметром воспламенительного устройства и внутренней поверхностью выходного конуса соплового блока составляет 0,15...0,65 диаметра критическою сечения и не менее 0,25 его площади соответственно. Именно это позволяет сделать вывод о наличии причинно-следственной связи между совокупностью существенных признаков заявляемого технического решения и достигаемыми техническими результатами. Указанные признаки, отличительные от прототипа и на которые распространяется испрашиваемый объект правовой охраны, во всех случаях достаточны. Задачей предлагаемого технического решения является разработка конструкции двигателя со скрепленным зарядом смесевого твердого топлива с жесткими требованиями по величине и разбросу энергетических и внутрибаллистических характеристик. Новая совокупность конструктивных элементов, а также наличие связей между деталями заявляемого двигателя позволяют: - за счет выполнения осевого канала заряда звездообразным, цилиндрическим и коническим у заднего торца заряда: - уменьшить массу дегрессивных остатков СТТ, догорающих в период спада давления, поскольку горение заряда на цилиндрических и конических участках происходит без их образования, что положительно влияет на снижение разброса ВБХ и повышение полного импульса тяги, - обеспечить максимальную объемную плотность заполнения корпуса топливом и одновременно повысить средний уровень давления в двигателе увеличением давления в начальный период работы за счет организации эрозионного горения на большей части поверхности канала; - обеспечить большую полноту сгорания металлических частиц топлива за счет снижения скорости газового потока на входе во входной конус соплового блока и создать условия для формирования безотрывного однородного газового потока, что уменьшает тепловые и газодинамические потери и повышает удельный импульс тяги; - за счет выполнения внутренней поверхности входного конуса в виде трех конических поверхностей, плавно сопряженных между собой, уменьшить эрозионное и тепловое воздействие газового потока на теплозащитное покрытие (ТЗП) входного конуса за счет формирования безотрывного и однородного газового потока, что позволяет уменьшить пассивную массу двигателя (из-за уменьшения толщины ТЗП входного конуса); - за счет размещения сопловой заглушки в плоскости выходного сечения соплового блока и консольного закрепления на ней узла воспламенения исключить повреждение поверхности канала заряда электрическими проводниками и частями корпуса узла воспламенения; - за счет наличия свободного объема у дна с соотношениями 0,03...0,09 объема канала заряда исключить экранирование передней части поверхности горения заряда холодным воздухом при воспламенении, т.к. воздух вытесняется в этот объем продуктами сгорания воспламенителя, что обеспечивает одновременное воспламенение всей поверхности горения заряда. Иные соотношения приводят к необоснованному увеличению длины двигателя или к ухудшению условий воспламенения передней части заряда; - за счет наличия свободного объема входного конуса с соотношениями 0,20. ..0,25 объема канала заряда обеспечить снижение пика давления в период выхода двигателя на режим. Иные соотношения приводят либо к увеличению длины двигателя, либо к росту пика давления; - за счет выполнения длин цилиндрического и конического участков канала заряда, составляющих 0,080...0.095 и 0,03...0,04 длины заряда, а также площадей сечения звездообразного, цилиндрического и конического участков канала заряда, составляющих соответственно 1,2...1,3; 1,45...1,65 и 4,0...4,5 площади критического сечения соплового блока, повысить объемное заполнение корпуса зарядом и снизить прогрессивность давления в двигателе. Иные соотношения длин и площадей сечений канала заряда приводят к уменьшению эффекта повышения давления за счет эрозионного горения, что не компенсирует достаточным образом прогрессивный характер изменения поверхности горения и ухудшает энергетические характеристики двигателя, или к увеличению эффекта повышения давления за счет эрозионного горения, что приводит к нерасчетному повышению давления в начальный период работы; - за счет выполнения длин конических участков входного конуса у заднего торца заряда, у вкладыша и между ними с соотношениями соответственно 1,5... 1,8; 1,2...1,5 и 0,3...0,5 диаметра критического сечения, радиусов сопряжения конических участков входного конуса, составляющих 0,5...2,0 суммарных длин сопрягаемых участков, углов наклона этих участков к продольной оси двигателя соответственно 7...9o, 9...12o и 25...30o сформировать однородный и безотрывный поток продуктов сгорания, уменьшить его тепловое и эрозионное воздействие на ТЗП входного конуса. Иные соотношения длин, радиусов скруглений, углов наклона конических участков к продольной оси двигателя приводят к росту газодинамических и тепловых потерь или необоснованно увеличивают длину двигателя; - за счет выполнения вкладыша из разгорающегося материала со степенью разгара 0,07...0,10 площади критического сечения обеспечить неповышение максимального давления при повышении средней величины рабочего давления (за счет уменьшения начального диаметра критического сечения), что обеспечивает повышение полноты сгорания СТТ и увеличение удельного импульса тяги. Иные соотношения степени разгара площади критического сечения приводят к тому, что закон изменения давления в двигателе из постоянного или близкого к нему превращается в дегрессивный, что снижает уровень среднего давления и отрицательно сказывается на энергетических характеристиках двигателя, или же не обеспечивают требование по максимальному давлению, что приводит к необходимости увеличивать толщину корпуса двигателя по условиям прочности или применять более прочные и дорогие материалы для его изготовления; - за счет размещения переднего торца воспламенительного устройства на расстоянии 0,15...0,65 диаметра критического сечения от критического сечения обеспечить необходимые условия воспламенения заряда и исключить соударение корпуса воспламенительного устройства с разгорающимся материалом вкладыша, способное повлиять на степень его разгара. Иные соотношения расстояния от переднего торца воспламенительного устройства до плоскости критического сечения приводят к разбросу среднего давления в двигателе или ухудшают условия воспламенения заряда; - за счет выполнения площади кольцевого сечения в плоскости торца воспламенительного устройства между наружным его диаметром и внутренней поверхностью выходного конуса не менее 0,25 площади критического сечения обеспечить необходимую площадь прохода при заполнении выходного конуса продуктами сгорания и необходимое давление срыва сопловой заглушки. Иные соотношения площади указанного кольцевого сечения к площади критического сечения приводят к увеличению разброса давления срыва сопловой заглушки и, соответственно, к увеличению разброса ВБХ двигателя в период выхода на режим. Сущность изобретения заключается в том, что РДТТ со скрепленным зарядом, содержащий корпус с дном и свободным объемом у дна, заряд твердого топлива, скрепленный с корпусом с осевым каналом, сопловой блок с входным, выходным конусами и вкладышем, размещенным в критическом сечении соплового блока, узел воспламенения и сопловую заглушку, в отличие от прототипа, согласно изобретению канал заряда выполнен последовательно звездообразным, цилиндрическим и коническим у заднего торца заряда. Внутренняя поверхность входного конуса соплового блока выполнена в виде трех конических участков, плавно сопряженных между собой, сопловая заглушка размещена в плоскости выходного сечения соплового блока, а узел воспламенения консольно закреплен на сопловой заглушке, при этом величины свободного объема у дна и свободного объема входного конуса составляют соответственно 0,03...0,09 и 0,20...0,25 объема канала заряда, длины цилиндрического и конического участков составляют соответственно 0,080. . . 0,095 и 0,03. ..0,04 длины заряда, площади сечения звездообразного, цилиндрического и конического участков канала заряда составляют соответственно 1,2. . .1,3; 1,45...1,65 и 4,0...4,5 площади критического сечения соплового блока, а длины конических участков входного конуса соплового блока у заднего торца заряда, у вкладыша и между ними составляют соответственно 1,5. ..1,8; 1,2...1,5; 0,3...0,5 диаметра критического сечения, радиусы сопряжения конических участков входного конуса составляют 0,5.. .2,0 суммарных длин сопрягаемых участков, углы наклона этих участков к продольной оси двигателя составляют соответственно 7...9o; 9...12o и 25...30o, вкладыш выполнен из разгорающегося материала со степенью разгара 0,07...0,10 площади критического сечения, причем расстояние между критическим сечением и передним торцом воспламенительного устройства и площадь кольцевого сечения в плоскости этого торца между наружным диаметром воспламенительного устройства и внутренней поверхностью выходного конуса составляют 0,15...0,65 диаметра критического сечения и не менее 0,25 его площади соответственно. Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 изображен продольный разрез двигателя, на фиг. 2 - график изменения относительной поверхности горения в зависимости от относительной величины сгоревшего свода, на фиг. 3 - графики изменения относительной величины давления в камере двигателя в зависимости от относительной величины сгоревшего свода (относительного времени работы двигателя), где кривая 1 - без учета эрозионного горения и разгара вкладыша, кривая 2 - с учетом эрозионного горения и без учета разгара вкладыша, кривая 3 - с учетом эрозионного горения и разгара вкладыша. Двигатель содержит корпус 1 со скрепленным зарядом СТТ 2, дно 3, сопловой блок 4 с входным 5 и выходным 6 конусами, вкладыш 7, размещенный в критическом сечении соплового блока 4, узел воспламенения 8 и сопловую заглушку 9, установленную в плоскости выходного сечения соплового блока 4, на внутреннюю поверхность дна 3, входного 5 и выходного 6 конусов нанесено теплозащитное покрытие 10. У дна 3 двигатель снабжен свободным объемом W1, который составляет 0,03. ..0,09 свободного объема канала заряда 2. При этом канал звездообразной формы 11 последовательно переходит в канал цилиндрической 12, а затем конической 13 формы. Длины цилиндрического (Lц) и конического (Lк) участков составляют соответственно 0,080...0,095 и 0,03...0,04 длины заряда (Lз), а площади сечения звездообразного (Sзв), цилиндрического (Sц) и конического (Sк) участков канала заряда составляют соответственно 1,2...1,3, 1,45...1,65 и 4,0. . .4,5 площади (Sкр) критического сечения dкр. Свободный объем W2 входного конуса 5 составляет 0,20...0,25 объема канала заряда 2, а внутренняя поверхность входного конуса 5 выполнена в виде трех конических участков L1) (у торца заряда), L2 (у вкладыша 7) и промежуточного L3 (расположен между участками L1 и L2. Конические участки L1, L2 и L3 сопряжены между собой радиусами R1 и R2. Длины участков L1, L2 и L3 составляют соответственно 1,5...1,8; 1,2... 1,5 и 0,3...0,5 диаметра критического сечения dкр, а углы наклона (1, 2, 3) этих участков к продольной оси двигателя составляют соответственно: 7...9o; 9...12o и 25...30o. Радиусы R1 и R2 составляют 0,5...2,0 суммарных длин сопрягаемых участков, т. е. R1= 0,5. . .2(L1+L3), a R=0,5...2(L2+L3). Вкладыш 7 выполнен из разгорающегося материала со степенью разгара 0,07...0,10 площади критического сечения. Расстояние L4 между передним торцом 14 воспламенительного устройства 8 и критическим сечением dкр составляет 0,15...0,65 диаметра критического сечения, а площадь кольцевого сечения Sсв в плоскости этого торца 14 между наружным диаметром dв, воспламенительного устройства 8 и внутренней поверхностью выходного конуса 6 составляет не менее 0,25 площади критического сечения. Двигатель работает следующим образом. При подаче электрического тока на воспламенительное устройство 8 оно срабатывает и продукты его сгорания через критическое сечение соплового блока dкр проникают в предсопловой объем W2 и далее в канал заряда 2. Эти продукты сгорания вытесняют холодный воздух, находящийся в канале заряда, в свободный объем W1 у дна 3, воспламеняя всю поверхность канала. Давление в корпусе двигателя и предсопловом объеме W2 повышается и через критическое сечение dкр и кольцевой зазор Sсв передается во внутренний объем выходного конуса 6. При достижении давления срыва Pс сопловой заглушки 9 последняя срывается вместе с узлом воспламенения 8. Двигатель выходит на режим (участок О...Тв, фиг.3). Далее при работе двигателя продукты сгорания СТТ движутся по каналу заряда 2 (фиг. 1). При переходе с участка звездообразной формы на участок цилиндрической формы скорость газового потока достигает пороговой скорости и начинается эрозионное горение цилиндрического участка канала заряда, вследствие чего увеличивается локальная скорость горения и приход продуктов сгорания, что обеспечивает интенсивный рост давления в начале работы двигателя, повышение среднего давления, повышение полноты сгорания СТТ и увеличение удельного импульса тяги. По мере разгара канала, эрозионное горение уменьшается, но возрастает площадь горящей поверхности и приход продуктов сгорания практически не уменьшается. Далее, с ростом поверхности горения увеличивается газоприход, и одновременно, за счет разгара вкладыша 7, увеличивается площадь критического сечения Sкр, что способствует уменьшению роста давления и обеспечивает непревышение требуемого максимального давления при одновременном поддержании уровня среднего давления. На фиг.2 и 3 обозначено: S - относительная поверхность горения, определяемая как Si/Sср, где Si - текущая поверхность горения; Sср - средняя поверхность горения. E - относительная величина сгоревшего свода, определяемая, как Ei/Eп, где Ei - текущая величина сгоревшего свода; Eп - величина полного свода заряда. P - относительная величина давления, определяемая как Pi/Pср, где Pi - текущее значение давления; Pср - среднее значение давления; Pс - давление срыва сопловой заглушки; Pmaх - максимальное значение давления. Т - относительное время работы двигателя, определяемое как Ti/Тп, где Ti - текущее время; Тп - полное время работы двигателя; Тв - время выхода двигателя на режим. Из графика (фиг. 2) видно, что изменение поверхности горения носит прогрессивный характер, при этом прогрессивность к концу горения достигает более 50%. Из сравнения кривых 1,2,3 (фиг. 3) между собой и с кривой на графике (фиг. 2) видно: - прогрессивность давления при отсутствии эрозионного горения и разгара вкладыша составляет 80% (кривая 1, фиг. 3); - обеспечение эрозионного горения без учета разгара вкладыша (кривая 2, фиг. 3) позволило снизить прогрессивность давления и поднять уровень среднего давления на 10-15%. при этом сохранялось 20% превышение максимального давления над средним; - разгар вкладыша позволил еще снизить превышение максимального давления над средним давлением до 5-7% (кривая 3, фиг. 3). Таким образом, высокий уровень среднего давления, высокая полнота сгорания и большая величина удельного импульса обеспечены при прогрессивном характере изменения поверхности горения, обеспечивающим высокую плотность заполнения корпуса топливом, максимальное давление в конце работы не превышает пика давления при выходе двигателя на режим, снижен разброс ВБХ двигателя в период выхода на режим. Предлагаемая конструкция двигателя позволила получить стабильные ВБХ, повысить коэффициент заполнения топливом камеры двигателя, получить более высокий единичный и полный импульсы тяги при тех же габаритных характеристиках, что позволило увеличить дальность стрельбы PC на 15-20%. С использованием предлагаемого изобретения была разработана конструкторская документация и изготовлена партия двигателей для проведения стендовых и летных конструкторских испытаний, которые подтвердили указанный положительный эффект. В настоящее время проведены государственные испытания, намечено серийное производство.Формула изобретения
Ракетный двигатель твердого топлива, содержащий корпус с дном и свободным объемом у дна, заряд твердого топлива, скрепленный с корпусом с осевым каналом, сопловой блок с входным, выходным конусами и вкладышем, размещенным в критическом сечении соплового блока, узел воспламенения и сопловую заглушку, отличающийся тем, что в нем канал заряда выполнен последовательно звездообразным, цилиндрическим и коническим у заднего торца заряда, внутренняя поверхность входного конуса соплового блока выполнена в виде трех конических участков, плавно сопряженных между собой, сопловая заглушка размещена в плоскости выходного сечения соплового блока, а узел воспламенения консольно закреплен на сопловой заглушке, при этом величина свободного объема у дна и свободного объема входного конуса составляет соответственно 0,03 - 0,09 и 0,20 - 0,25 объема канала заряда, длины цилиндрического и конического участков составляют соответственно 0,080 - 0,095 и 0,03 - 0,04 длины заряда, площади сечения звездообразного, цилиндрического и конического участков канала заряда составляют соответственно 1,2 - 1,3, 1,45 - 1,65 и 4,0 - 4,5 площади критического сечения соплового блока, а длины конических участков входного конуса соплового блока у заднего торца заряда, у вкладыша и между ними составляют соответственно 1,5 - 1,8, 1,2 - 1,5 и 0,3 - 0,5 диаметра критического сечения, радиусы сопряжения конических участков входного конуса составляют 0,5 - 2,0 суммарных длин сопрягаемых участков, углы наклона этих участков к продольной оси двигателя составляют соответственно 7 - 9o, 9 - 12o и 25 - 30o, вкладыш выполнен из разгорающегося материала со степенью разгара 0,07 - 0,10 площади критического сечения, причем расстояние между критическим сечением и передним торцом воспламенительного устройства и площадь кольцевого сечения в плоскости этого торца между наружным диаметром воспламенительного устройства и внутренней поверхностью выходного конуса составляют 0,15 - 0,65 диаметра критического сечения и не менее 0,25 его площади соответственно.РИСУНКИ
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3