Поворотне сопло для ракетного двигуна

1. Поворотне сопло для ракетного двигуна, яке містить корпус (10), який оточує камеру (12) згорання і має задню стінку (14); рухомий дифузор (20) сопла й нерухому частину (16) сопла, жорстко прикріплену до задньої стінки; шарнірний з'єднувальний пристрій, що зв'язує рухомий дифузор сопла з нерухомою частиною сопла таким чином, що рухомий дифузор і нерухома частина перебувають у взаємному контакті за допомогою сферичних поверхонь (24а, 16а); і привідний пристрій (50а, 50b), що діє на рухомий дифузор (20) сопла для зміни напрямку вектора реактивної тяги двигуна шляхом зміни орієнтації сопла при ковзанні сферичних поверхонь одна по одній, яке відрізняється тим, що засоби пружного повернення інтегровано у з'єднувальний пристрій, причому засоби пружного повернення діють на рухомий дифузор (20) сопла і притискають його до нерухомої частини для збереження взаємного контакту сферичних поверхонь (24а, 16а) при будь-якій необхідній орієнтації сопла для забезпечення непроникності для газу між рухомим дифузором сопла та нерухомою частиною включно, шляхом збереження взаємного контакту сферичних поверхонь при будь-якій необхідній орієнтації сопла. 2. Сопло за п. 1, яке відрізняється тим, що з'єднувальний пристрій являє собою карданне з'єд 2 (19) 1 3 79965 Винахід належить до галузі поворотних сопел для ракетних двигунів. Винахід переважно, але не виключно, застосовний до ракет, зокрема тактичних, діаметром менше приблизно 500мм. Ракетний двигун з поворотним соплом (соплом із керованим вектором тяги) містить корпус, що оточує камеру згорання з відкритою задньою стінкою, принаймні одне сопло, яке містить рухомий дифузор (розширну частину) і нерухому частину, шарнірно з'єднувальний пристрій, що сполучає рухомий дифузор (надзвукову частину) з нерухомою частиною, і привід, що діє на сопло для зміни його орієнтації та, отже, напрямку вектора тяги, що виникає в результаті викиду з камери згорання газоподібних продуктів горіння. У відомому шарнірному з'єднувальному пристрої використовується сферичний упор, утворений стопою прошарків металу або композитного матеріалу, що чергуються з прошарками еластичного матеріалу, причому суміжні прошарки склеєні один з одним [DE 3119183]. Такий пристрій забезпечує можливість обмеженого переміщення сопла відносно корпуса в результаті зсувної деформації еластичних прошарків. Багатошаровий упор установлюється таким чином, щоб у нормальному стані він відчував стискання, викликане тиском, що здійснюється на сопло газоподібними продуктами горіння, оскільки його опірність силам розтягу обмежена. Проте в певних конфігураціях багатошаровий упор може бути підданий дії сил розтягу. Крім того, багатошарові упори схильні до старіння, а виготовлення багатошарових упорів, здатних витримувати широкий діапазон температур, є складною задачею. Для подолання вищезгаданих хиб було запропоновано сопло з орієнтованим дифузором, що містить сферичну поверхню, яка знаходиться в безпосередньому контакті з відповідною їй сферичною поверхнею, передбаченою в нерухомій частині сопла (кульовий шарнір), у якому зміна орієнтації дифузора сопла супроводжується ковзанням однієї сферичної поверхні по іншій. Стичні елементи рухомої частини дифузора й нерухомої частини сопла звичайно виготовляють з композитного матеріалу типу вуглець/вуглець (С/С), що має високу термомеханічну тривкість, зокрема, при високих температурах, і гарну опірність абляції. Такий пристрій дозволяє уникнути хиб пристроїв, що містять багатошарові сферичні упори, але породжує проблему, пов'язану із забезпеченням непроникності для газу ділянки розташування сферичних поверхонь при будь-якій орієнтації дифузора сопла. Для її розв'язання необхідно забезпечити постійний контакт кульового пальця шарніра з його муфтою при будь-якому куті встановлення. З таким поворотним соплом були проведені попередні випробування. Ці випробування показали життєздатність даної концепції, але виявили обмеженість меж керованості у площинах тангажа й рискання при скріпленні елементів кульового шарніра за допомогою попередньо напружених домкратів. Задача, на вирішення якої спрямовано даний винахід, полягає в розробці поворотного сопла для ракетного двигуна, позбавленого хиб відомих рішень, з що використовують вищезгадане з'єднан 4 ня із сферичним упором, і, зокрема, в розробці шарнірного з'єднання, що має достатню тривкість і надійність і забезпечує непроникність для газу ділянки стикання поверхонь при будь-якій використовуваній орієнтації сопла. Для вирішення поставленої задачі пропонується поворотне сопло (сопло з керованим вектором тяги) для ракетного двигуна, що містить: корпус, що оточує камеру згорання й має задню стінку; рухомий дифузор (рухому розширну частину) й нерухому частину, жорстко прикріплену до задньої стінки; шарнірний з'єднувальний пристрій, що зв'язує р ухомий дифузор сопла з нерухомою частиною сопла таким чином, що рухомий дифузор і нерухома частина сопла стикаються відповідними сферичними поверхнями; і приводний пристрій, що діє на рухомий дифузор з метою зміни напрямку вектора реактивної тяги двигуна шляхом зміни орієнтації сопла при ковзанні сферичних поверхонь одна по одній. При цьому поворотне сопло за винаходом додатково містить засоби пружного повернення, розташовані між рухомим дифузором сопла й нерухомою частиною сопла, що діють на рухомий дифузор і притискають його до нерухомої частини сопла з метою збереження взаємного контакту сферичних поверхонь при будь-якій потрібній орієнтації сопла. Завдяки дії пружного повертального зусилля забезпечується притискування сферичних поверхонь одна до одної з приблизно постійним зусиллям поза залежністю від зсувів, що відбуваються в процесі роботи. Це дозволяє здійснювати переміщення в будь-якому напрямку без порушення газонепроникності з'єднання між даними сферичними поверхнями. З'єднувальний пристрій може являти собою карданне з'єднання, що містить обід, два перших з’єднувальних елементи, які зв'язують рухомий дифузор сопла з ободом за допомогою двох перших шарнірів, і два других з’єднувальних елементи, що зв'язують нерухому частину сопла з ободом за допомогою двох др уги х шарнірів. Засоби пружного повернення можуть бути вмонтовані у з’єднувальні елементи. Вони можуть являти собою попередньо стиснуті пружини. За іншим варіантом здійснення винаходу засоби пружного повернення можуть принаймні частково складатися з пружно деформованої частини з'єднувального пристрою (наприклад, ободу карданного з'єднання), підданої пружній деформації при складанні. Між стичними сферичними поверхнями можуть бути передбачені засоби зниження тертя. Засоби зниження тертя можуть являти собою мастильний матеріал, наприклад графітове мастило. За іншим варіантом здійснення винаходу засоби зниження тертя являють собою покриття або прокладку, розташовані в зоні стикання сферичних поверхонь, наприклад покриття з матеріалу з низьким коефіцієнтом тертя, нанесене на обидві ці поверхні або на одну з них. Приводний пристрій може складатися з силових циліндрів або лінійних приводних елементів за відомими рішеннями. За іншим варіантом здійс 5 79965 6 нення винаходу, згідно з яким з'єднувальний притяги відносно кута реального повороту відносно стрій являє собою карданне з'єднання з двома головної осі дифузора. осями повороту, приводний пристрій може містити Рухомий дифузор 20 звичайно має зовнішню приводи повороту, розташовані на осях карданностінку 22, виготовлен у, наприклад, з металу, що го з'єднання для прямої дії на розташування даних має внутрішнє покриття 23 з абляційного ізолююосей. чого матеріалу, наприклад, з композитного матеріПорівняно до відомих рішень, які використоалу з посилюючими волокнами з вуглецю або кревують багатошарові сферичні упори, конструкція мнію й матрицею з фенолоальдегідного полімеру. поворотного сопла за даним винаходом має значні Передня частина рухомого дифузора 20 має часпереваги: тину 24 у формі внутрішнього кільця, що виготов- вона стійкіша до впливу навколишнього селяється звичайно з композитного матеріалу типу редовища й старіння; С/С. - вона дозволяє одержувати великі кути відхиГорловина 16 і рухомий дифузор 20 стикаютьлення напрямку реактивної тяги завдяки викорисся відповідними сферичними поверхнями 16а і танню стичних сферичних поверхонь більшої 24а, центри яких знаходяться на осі 11 сопла. площі у поєднанні з явищем збільшення кута відСлід зазначити, що елементи 22, 24 і 23 рухохилення напрямку реактивної тяги, характерним мого дифузора можуть бути об'єднані в єдиний для пристроїв з рухомим дифузором і викликаним елемент, виготовлений з композитного матеріалу. внутрішніми аеродинамічними ефектами в соплі; Рухомий дифузор сопла з'єднаний з нерухо- вона менш чутлива до впливу поворотних мою частиною цього сопла за допомогою механічсил, тобто сил, які діють на рухомий дифузор у ного карданного з'єднання, що містить обід 30, напрямку його передньої частини і які здатні повиготовлений, наприклад, з металу, два шкодити багатошарові упори, але поглинаються з’єднувальні елементи 32 і 34, жорстко прикріплені стичними сферичними поверхнями в соплі за видо зовнішньої стінки 22 рухомого дифузора сопла находом; й кінці яких з'єднані з ободом 30 за допомогою - вона позбавляє необхідності застосування не шарнірів 36, 38 відповідно, і два інші з’єднувальні тільки відносно дорогих багатошарових сферичних елементи 42, 44, жорстко прикріплені до ободу 30 і упорів, але й елементів термічного захисту, що їх кінці яких з'єднані із задньою стінкою 14 корпуса 10 необхідно використовувати разом з ними. камери згорання й, отже, з нерухомою частиною Стислий опис креслень сопла за допомогою двох інших шарнірів 46, 48 Інші властивості й переваги даного винаходу відповідно. стануть ясні з нижче-наведеного опису, що містить З’єднувальні елементи 32, 34 і шарніри 36, 38 посилання на додані креслення. На кресленнях: розташовані в точках, взаємно протилежних відно- Фіг.1 схематично зображує в перспективі чассно до осі 11, причому осі шарнірів 36, 38 визнатину ракетного двигуна за винаходом; чають вісь 39 повороту, розташовану в площині, - Фіг.2 зображує в подовжньому розрізі частину перпендикулярній осі 11. ракетного двигуна за Фіг.1; Аналогічним чином з’єднувальні елементи 42, - Фіг.3 являє собою поперечний розріз по пло44 й шарніри 46, 48 розташовані в точках, взаємно щині ІІІ-ІІІ на Фіг.2. протилежних відносно до осі 21 камери згорання, Здійснення винаходу причому осі шарнірів 46, 48 визначають вісь 49 На Фіг.1-3 наведені схематичні зображення повороту, розташовану в площині, перпендикуляракетного двигуна, що має корпус 10, який оточує рній осі 21. Шарніри 36, 38, 46, 48 розподілені по камеру 12 згорання, в якому знаходиться блок ободу 30 з рівномірними кутовими інтервалами твердого ракетного палива (не представлений). таким чином, що осі 39 і 49 взаємно ортогональні. Камера 12 відчиняється через задню стінку 14 у Опорні поверхні 16b, 24b частин 16 і 24 обмепередню частину сопла, що має горловину 16 і жують величину можливого кутового зміщення дифузор 20. осей 11 і 21 одна щодо одної. Горловина 16, що обмежує не тільки власне Сопло може бути приведене в рух або декількритичний переріз сопла, але і його звужувану чакома лінійними приводними елементами або систину (конфузор) і початкову частину дифузора, ловими циліндрами, один кінець яких упирається в прикріплена, наприклад пригвинчена, до кільця 18, зовнішню стінку 22 рухомого дифузора 20, а інший жорстко прикріпленого до задньої стінки 14 корпукінець упирається в корпус 10 камери згорання, са. або декількома обертовими приводними елеменГорловину 16 зазвичай виготовляють з компотами, розташованими на карданному з'єднанні на зитного матеріалу типу С/С, а кільце 18 звичайно осях 39 і 49 таким чином, щоб здійснювати пряме виготовляють з теплоізолюючого композитного керування розташуванням осей повороту карданматеріалу. На внутрішній поверхні корпуса передного з'єднання. бачені термозахисні прошарки. Така конструкція У наведеному прикладі передбачені тільки два камери згорання добре відома сама по собі. лінійні приводні елементи 50а і 50b, з'єднані з корДифузор 20 (або принаймні частина його) рупусом 10 і зовнішньою стінкою 22 за допомогою хомий і сполучений з нерухомою частиною сопла, шарнірів 52а, 52b і 54а, 54b, причому між меридіозокрема, з горловиною 16. Як також відомо саме нальними площинами, що мають осі 51а і 51b припо собі, здійснення поворотного сопла шляхом водних елементів 50а і 50b, утворюється кут, привикористання рухомого дифузора має ту перевагу, близно рівний 90°. що дозволяє збільшувати відхилення реактивної Слід зазначити, що в іншому варіанті здійснення приводні елементи можуть бути встановлені 7 79965 8 між ободом 30 і рухомим дифузором 20 сопла. Попередній стиск пружин 62, 64 розраховано Також слід зазначити, що кількість приводних таким чином, щоб забезпечити повернення поверелементів може бути більша за два. хонь 16а 24а у позицію взаємного стикання при Відповідно до винаходу мають бути передбабудь-якій можливій орієнтації дифузора 20 сопла. чені засоби пружного повернення, що впливають При приведені поворотного сопла в рух у рена рухомий дифузор 20 сопла в напрямку, протизультаті дії на приводні елементи 50а, 50b стичні лежному напрямку течії газового потоку через сосферичні поверхні 16а, 24а труться одна об одну. пла, і що забезпечують постійне стикання поверТертя між частинами 16, 24 може бути сухим. Тахонь 16а і 24а поза залежністю від необхідної кож можливо використання засобів зменшення орієнтації дифузора сопла. В результаті непрониктертя, наприклад покриття або прокладки, передність стику між поверхнями 16а і 24а для газу збебачених у зоні стикання сферичного пальця й мурігається при будь-якій орієнтації осі 21 відносно фти кульового шарніра на одній із сферичних поосі 11. верхонь або на них обох, виготовлених, У наведеному прикладі засоби пружного повенаприклад/ з матеріалу на основі Тефлону® (полірнення складаються з пружин 62, 64, наприклад,тетрафторетилену), або мастильного матеріалу, на кшталт пружинних шайб (шайб Belleville), попенаприклад графітового мастила, що проникає приредньо стиснутих і вміщених у з’єднувальні еленаймні в частину залишкових пір частини 16. менти 32 і 34. Для забезпечення пружного повернення, неКонкретніше, кожен із з’єднувальних елементів обхідного для нормальної роботи двигуна при 32, 34 містить стрижень 31, 33, один кінець якого будь-якій можливій орієнтації сопла, можуть бути з'єднаний із шарніром 36, 38, а інший кінець провикористані засоби, відмінні від пружин. Наприходить через отвір 26а, 28а вушка 26, 28, прикріпклад, це повернення може бути забезпечено виколеного до зовнішньої стінки 22 дифузора сопла. ристанням пружно деформованого елемента з'єдЦей інший кінець утримується за допомогою нувального пристрою, що з'єднує р ухому частину гайки 45, 47, нагвинченої на кінець стрижня, присопла з її нерухомою частиною, причому при склачому між гайкою 45, 47 і вушком 26, 28 уставлена данні цей елемент піддається пружній деформації. пружина 62, 64. Наприклад, пружина 62, 64 може Так, за варіантом здійснення, поданим на Фіг.2 і 3, бути розташована в розширеній частині втулки 66, повернення забезпечується пружною деформаці68, вставленої в о твір 26а, 28а. єю ободу 30 без використання пружин 62, 64. Для Втулки 66, 68 уставлені в отвори 26а, 28а, цього обід 30, виготовлений, наприклад, із сталі, причому стрижні 31, 33 входять у них без зазору, мусить мати таку товщин у або мати ділянки такої що дозволяє усунути або принаймні зменшити зменшеної товщини, яка забезпечувала б пружну зазори між стрижнями 31, 33 й отворами 26а, 28а деформацію під впливом затягування гайок 45, 47. й попередити можливе обертання рухомого дифузора навколо його осі 21. 9 Комп’ютерна в ерстка В. Клюкін 79965 Підписне 10 Тираж 26 прим. Міністерство осв іт и і науки України Держав ний департамент інтелектуальної в ласності, вул. Урицького, 45, м. Київ , МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислов ої в ласності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601