Профіль сопла ракетного двигуна, що уможливлює керування відривом потоку та забезпечує зменшення бічного навантаження

1 Профіль сопла ракетного двигуна, що уможливлює керування відривом потоку та забезпечує зменшення бічного навантаження, що має близький до параболічного поздовжній профіль, який відрізняється тим, що на ДІЛЯНЦІ ВІД критич Цей винахід стосується повнопотокового сопла ракетного двигуна, яке має близький до параболічного подовжній профіль Призначення сопла ракетного двигуна - розширювати і прискорювати газ до високої швидкості, таким чином забезпечуючи високий ККДтяги і вантажопіднімність Можливість розширювати газ обмежується, бо атмосферний тиск на рівні моря примушує потік відриватися Відірваний потік спричиняє нестійкі аеродинамічні сили Ці сили спричиняють обмеження на розмір сопла і, ВІДПОВІДНО, обмежують ККД сопла при роботі у вакуумі Враховуючи існуючі термічні умови, сопла першої ступені можуть працювати в режимі відриву Це означає, що, якби згадані нестійкі аеродинамічні сили могли б бути зменшені до прийнятного рівня, на землі й під час підйому сопла могли б працювати з постійним відривом потоку Це дозволило б робити більші і більш ефективні сопла Звичайно профіль сопла є безперервним плавним профілем, оптимізованим до мінімального погіршення експлуатаційних показників в умовах поштовхів і відхилень потоку Такий профіль звичайно описується параболічною функцією Дотепер профілі сопел не були оптимізовані для відірваних потоків на рівні моря, бо ще не ВІДОМІ ного перерізу до перерізу, де коефіцієнт розширення досягає 50 %, профіль сопла параболічний, а ще далі від критичного перерізу переходить у (і) строго конічну форму, яка має кут до осьової лінії 15°-25°, (м) невелику кривизну назовні, тобто набуває форми, що має додатну другу похідну від радіуса г, або (мі) невелику кривизну всередину, тобто має від'ємну другу похідну від г, але так, що вони лежать зовні від параболічного профілю і, в останньому випадку, третя похідна від г постійно дорівнює нулю 2 Профіль сопла ракетного двигуна за пунктом 1, який відрізняється тим, що в перехідній зоні після параболічної форми у профілі сформована конічна форма під кутом 0-6° засоби керування бічними навантаженнями Мали місце спроби опосередковано впливати на профіль сопла До таких спроб в рівні техніки, наприклад, належать застосування вихідного дифузора, описане в ЕР 626 513 А1, розчіплювальне кільце, видалювана або відкидувана вставка, періодично змінюваний радіус, описані в PCT/SE96/00176, щілинне сопло, описане в US-A5 450 720, вприскування газу, описане в US 4/947, 644, застосування вихідного ежектора, описане в ЕР 894 031, і механізм для висувного вихідного сопла, описаний в ЕР 924 041 Пристрій для керування відриванням потоку із модифікованим профілем сопла описано в US-3 394 549 Таким чином, в рівні техніки повнопотокові сопла мають обмежений коефіцієнт розширення, що обмежує експлуатаційні показники Згадані експлуатаційні показники оптимізують, враховуючи межу відривання потоку і бічні навантаження Усі згадані вище заходи пристосовані для використання в комбінації з параболічним або дзвоноподібним профілем 3 цієї причини отримують довгі й важкі сопла У цьому випадку чистий виграш стосовно експлуатаційних показників, включаючи збільшення маси, помірний і зменшується, коли сопла стають дуже великим Дзвоноподібне q Ю (О 46175 4 вати на рівні моря більші сопла, що веде до сопло має, в напрямку до виходу, плоский градієнт збільшення корисного вантажу До того ж, винахід стінного тиску вздовж осьової довжина, що треба мінімізує довжину, таким чином зменшуючи масу, враховувати при оптимізуванні експлуатаційних обвідну поверхню і момент бічного навантаження показників Однак, це несумісне з оптимізуванням механічних сил для збільшеного сопла в порівнянбічних навантажень Маса сопла негативно вплині з незбільшеним ває на масу і складність системи двигуна та структури тяги ракети Великий розмір сопла несумісНарешті, цей винахід покращує можливості ний з простором, доступним у випробувальних плівкового охолодження, бо довжина плівки зменкомплексах, у місцях збирання ракет і в місцях шується порівняно зі збільшеним дзвоноподібним запуску ракет соплом Тому головна мета цього винаходу - запропоСама лише оптимізація профілю не може на нувати профіль сопла, який виключить згадані рівні моря забезпечити умови для безперервної вище недоліки Основна ідея цього винаходу поляроботи сопел у режимі відривання потоку Однак гає в тому, що ефективний параболічний профіль умови для забезпечення таких умов пристроєм зберігається в тій частині профілю сопла, де тиск відривання потоку покращуються залишається високим, і яка сильно впливає на Для типового сопла першої ступені, модифікорезультуючі експлуатаційні показники Далі пропованого для використання переваг режиму відірванують застосовувати комбінований профіль сопла ного потоку, покращення експлуатаційних показниЩоб забезпечити керування відривом потоку, а ків, в принципі, можна показати на наведеному також зменшити бічне навантаження, пропонуєтьнижче прикладі Наведені дані для трьох пропонося параболічна форма профілю на ДІЛЯНЦІ ВІД криваних профілів Порівняння здійснено між показтичного перерізу сопла до перерізу, де коефіцієнт никами для сопла першої ступені, модифікованого розширення досягає 50%, а далі від критичного до співвідношення поверхонь на виході 170% Усі перерізу переходить у (і) строго конічну форму, вклади до експлуатаційних показників було зведеяка має кут до осьової лінії 15°-25°, (м) невелику но до питомого імпульсу, використовуючи набликривизну назовні, тобто набуває форми, що має жені комерційні коефіцієнти для пристрою "Vulcam додатну другу похідну від радіуса г, або (їм) неве5" лику кривизну всередину, тобто форму, що має Значення питомого імпульсу (-їв) Isp (s) щодо від'ємну другу похідну від г, але так, щоб вони лерівня моря збільшується завдяки тому, що тиск у жали зовні від параболічного профілю і щоб в зоні відриву збільшується, коли зона відновлення останньому випадку третя похідна від г постійно потоку стає ширшою Значення питомого імпульсу дорівнювала нулю (0) Isp для рівня моря збільшується, а це збільшення можна звести до невеликого збільшення Isp для ВІДПОВІДНО ДО ЦЬОГО винаходу коефіцієнт розвакууму [Isp = питомий імпульс] ширення сопла, завдяки переходу до зміненого профілю, підвищується Рівень тиску тут нижчий і Площа вологої поверхні сопла зменшується експлуатаційні показники значно не погіршуютьЗавдяки цьому зменшуються втрати на тертя, що ся У цій же зоні бажано зменшити градієнт тиску дає додатний вклад до Isp для вакууму вздовж сопла, щоб зменшити аеропружний зв'яЗавдяки зменшенню довжини сопла зменшузок - пропонована конструкція це також забезпеється маса двигуна чує Зменшення маси двигуна можна звести до Isp для вакууму За цим винаходом можуть бути розроблені сопла , профілі яких значно ВІДМІННІ ВІД профілів соСумарні значення покращення експлуатаційпел рівня техніки Винахід дозволяє використовуних показників Вклад у Isp для вакууму Д Isp за рахунок можливості керування потоком на рівні моря Додатний Д Isp за рахунок зменшення втрат на тертя Додатний Д Isp за рахунок зменшення маси Додатний Д Isp за рахунок зниження вартості Додатний ВІД'ЄМНІ вклади (втрати на відхилення) до Isp vac можуть мати місце в межах суми додатних вкладів у економічну ефективність обслуговування ракетного двигуна порівняно з ідеальним, щодо експлуатаційних показників, профілем Бічне навантаження також зменшується завдяки збільшенню градієнта осьового тиску на виході Усі запропоновані профілі забезпечують більш стрімке розширення газу з поновленням меншого значення тиску на виході сопла Це означає, що теплове навантаження зменшується Це може виявитися дуже важливим при застосуванні модифікувальних комплектів у існуючих соплах Нижче наведено приклад застосування винаходу, описаний з посиланнями на супровідні малюнки, на яких фіг 1 на графіках ілюструє укоро чене дзвоноподібне сопло з додатковою конусоподібною частиною, фіг 2 ілюструє укорочене дзвоноподібне сопло з додатковою частиною з додатною другою похідною від г за довжиною, на фіг 3 показано графіки для укороченого дзвоноподібного сопла з додатковою частиною з від'ємною другою похідною від г за довжиною, але з постійною другою похідною від кута, яка дорівнює нулю, і на фіг 4 показано порівняння показників для профілів рівня техніки та профілів ВІДПОВІДНО до цього винаходу У стандартній практиці визначаючи параболічну форму профілю сопла ракетного двигуна використовують від'ємну другу похідну від г за довжиною На відміну від цього, конічне сопло є специфічним випадком з постійним значенням похідної Цей винахід пропонує свій варіант засто 5 46175 сування конічної частини Втрата в Isp може бути від кута дорівнювала нулю зменшена, бо ефективна дзвоноподібна форму На фіг 4 графіки, показані в фіг 1-3, накладаможна використовувати на більшій частині довжиють один на одний для порівняння ни, однак забезпечуючи потрібне співвідношення На фіг 1-3 "А" - модифікований профіль сопповерхонь на виході ла, "В" - радіус основного варіанту, "С" -тиск для Подібно до цього, як показано на фіг 3, проосновного варіанту, "D" -тиск для модифікованого філь вибирають так, щоб друга похідна від г за варіанту довжиною була від'ємна, а постійна друга похідна фіг.З 1 2 3 Parabola фіг.2 фіг.4 ДП «Український інститут промислової власності» (Укрпатент) вул Сім'ї Хохлових, 15, м Київ, 04119, Україна (044) 456 - 20 - 90 ТОВ "Міжнародний науковий комітет" вул Артема, 77, м Київ, 04050, Україна (044)216-32-71