Модульні ракетні реактивні твердопаливні заряди з корпусом, системою наповнення та спорожнювання, охолодженням та підвіскою

1 Модульні ракетні реактивні твердопаливні заряди з різноманітними компонентами палива та іншими компонентами, наприклад паливами, окислювачами, домішками, що збільшують енергію, зв'язувальними речовинами, присадками, покриттями, інгібіторами тощо, які можуть бути цілком або частково фрагментовані, тобто вони представлені не у вигляді стандартної квазюднорідної суміші, а у вигляді одного або більше макроскопічних пальних елементів, що мають будь-яку придатну форму, причому всі або окремі компоненти можуть також складатися з речовин, які спочатку необхідно привести в достатньо твердий стан шляхом охолодження, причому ці реактивні заряди у вигляді блока або у вигляді окремих пальних елеме нтів оснащені корпусом, які відрізняються тим, що корпус має край, який виступає з опори стінки камери згоряння (6), що нависає над ним, для підвішування реактивного заряду або, ВІДПОВІДНО, пального елемента 2 Ракетні реактивні твердопаливні заряди згідно з пунктом 1, які відрізняються тим, що корпус (1) пальних елементів оснащений або з'єднаний з окремими елементами, які мають розривну МІЦНІСТЬ, І, таким чином, одночасно служить для ВІДПОВІДНОГО пального елемента механічною підтримкою всередині камери згоряння 3 Ракетні реактивні твердопаливні заряди згідно з пунктом 1, які відрізняються тим, що корпус (1) оснащений та/або з'єднаний з окремою системою труб (10), через яку може проходити придатне середовище, що дозволяє утримувати пальні елементи перед запалюванням двигуна у потрібному діапазоні температур 4 Ракетні реактивні твердопаливні заряди згідно з пунктом 1, які відрізняються тим, що внутрішня частина корпусу (1) оснащена та/або з'єднана з окремою системою труб, що у випадку потреби дозволяє перед запалюванням двигуна підводити або відводити рідкі або газоподібні середовища, зокрема при недостатній теплоізоляції або при ВІДМОВІ системи охолодження (вентиляція, система наповнення і спорожнювання) Цей винахід стосується модульних ракетних реактивних твердопаливних зарядів, що містять різноманітні компоненти палива й ІНШІ компоненти, наприклад, палива, окислювачі, домішки, що збільшують енергію, зв'язувальні речовини, присадки, покриття, інгібітори тощо, які можуть бути цілком або частково фрагментовані, тобто вони представлені не у вигляді стандартної квазюднорідної суміші, а у вигляді одного або більш макроскопічних пальних елементів, що мають будь-яку придатну форму, причому всі або окремі компоненти можуть також складатися з речовин, які спочатку необхідно привести в достатньо твердий стан шляхом охолодження, причому ці реактивні заряди у вигляді блока або у вигляді окремих пальних елементів оснащені корпусом Отже, цей винахід стосується галузі техніки ракетних двигунів і їхнього виробництва, конструювання і безпечного зберігання твердопаливних зарядів Під твердопаливним зарядом у цьому відношенні розуміють представлений в якійсь певній геометричній формі одинарний або складений блок твердого палива, включаючи можливі установки і навішення, що встановлені в ньому з різноманітних причин і здебільшого витрачаються при згорянні О ю о> ю ю Кріогенні модульні реактивні заряди, які діють як внутрішні або торцеві пальники, ВІДОМІ З патенту США 3 137 127 Ці ВІДОМІ реактивні заряди є частково фрагментованими, тобто принаймні один з компонентів знаходиться не в звичайній старанно перемішаній суміші з іншими компонентами, а у формі одного або кількох макроскопічних пальних елементів будь-якої придатної геометричної форми Пальні елементи ХІМІЧНО ізольовані один від одного придатними покриттями поверхонь розділу і можуть в разі потреби одночасно механічно з'єднуватися один з одним Потім ЦІ пальні елементи можуть при особливому виборі їхнього складу бути придатними для того, щоб служити як модулі з різноманітними функціями, наприклад, функціями запалення, стимулювання згоряння, газоутворення тощо Ці пальні елементи можуть, зокрема, мати форму дисків, зовнішня поверхня яких підігнана під контур ракетної камери згоряння, і в яких можуть бути один або кілька отворів з поверхнями поперечного перерізу відповідної форми, які за допомогою нанизування утворюють канал згоряння з постійними або перемінними площинами поперечного перерізу, або вони можуть бути розташовані з різноманітними, вільно обираними формами поперечного перерізу у зв'язаній матриці компонентів твердого палива, які вибираються ВІДПОВІДНО до обставин, наприклад, цілком або частково в матриці зі спресованих елементів палива, багатих на окислювачі 54595 4 ктом 1 формули винаходу, їхнє вигідне вдосконалення випливає з залежних пунктів формули Згідно З комбінацією ознак, названих у незалежному пункті формули, з вигідним вдосконаленням, зазначеним у залежних пунктах формули, винахід дозволяє значно поліпшити ситуацію із всіма або кількома виявленими проблемами Модульний заряд ракетного твердого палива дозволяє вибирати паливо й окислювачі з різноманітного асортименту і розділяти на пальні елементи, які в комбінації складають необхідну геометричну форму палива Необхідний для цього агрегатний стан в разі потреби створюється і підтримується за допомогою ВІДПОВІДНОГО охолодження Позначення "фрагментований твердопаливний заряд" (тут синонім для "модульного", "сепарованого" або "розділеного" твердопаливного заряду) відноситься насамперед до відокремлення основних компонентів (палива й окислювача) Придатним синонімом для "модульного ракетного твердопаливного заряду" є "складений внутрішній гібридний двигун" Рівень техніки традиційних видів твердого палива, тобто видів твердого палива з тривалим терміном зберігання, визначається пошаровим розташуванням компонентів палива в так званому "бутербродному" паливі, що не надає їм якихнебудь особливих переваг і, отже, не знайшло якогось значного застосування Криогенні тверді тіла досліджуються як паливо з 1994 р в "УСАФ-ФІЛІПС Леб" ("USAF-Phillips Lab") (Едвардз) у програмі "Густина високої енергії" У 1997 р були опубліковані роботи про гібриди (тобто двигуни з рідкими і твердими компонентами палива) з замороженим вуглеводнем як твердим компонентом (ССЛарсон, "УСАФ-ФІЛІПС Леб", 33я об'єднана виставка-конференція ракетних двигунів AIAA/ASME/SAE/ASEE, Центр з'їздів і торгівлі штату Вашингтон, Сіетл, штат Вашингтон, 6-9 липня 1997 р, АІАА-96-3076) Цей відомий рівень техніки має проблему, яка полягає у тому, що модульні криогенні твердопаливні заряди потребують постійного охолодження для того, щоб зберігати свій агрегатний стан у нормальному температурному середовищі При ВІДМОВІ охолодження це паливо може станути і випаритися, що може в різних випадках призвести до виникнення дуже небезпечних ситуацій В основі винаходу лежить завдання підготувати модульні заряди ракетного твердого палива таким чином, щоб було значно мінімізоване виникнення небезпечних ситуацій внаслідок відмови охолодження при підвищенні потужності ракетносмв, і щоб був забезпечений тривалий зв'язок між паливом та стінкою камери згоряння Це завдання вирішується за допомогою модульних зарядів ракетного твердого палива вищезгаданого типу з ВІДМІТНИМИ ознаками згідно з пун Завдяки цьому винаходу можна досягти таких корисних результатів - твердопаливні заряди згідно з винаходом значно спрощують виготовлення зарядів ракетного твердого палива Можна уникнути багатьох небезпечних процедур, які надає серійне виробництво Можна очікувати значного зниження витрат Це визначення є дійсним незалежно від можливих ускладнень, що можуть бути викликані криогенним паливом, -твердопаливні заряди згідно з винаходом дозволяють уникнути великих поверхонь поділу фаз, характерних для традиційних твердопаливних зарядів При зберіганні палива теплим слід очікувати збільшення терміну зберігання, крім того, в разі потреби пальні елементи можна відокремити один від одного ізолюючими плівками, - криогенне паливо хоч і не має великого терміну зберігання, проте завдяки низькій температурі є менш схильним до реакцій, ніж тепле Це може у певних випадках уможливити використання спеціальної висококалорійної речовини, яка може мати таку схильність до реакцій, як рідина або газ, -твердопаливні заряди згідно з винаходом дозволяють реалізувати будь-яку комбінацію палива як монергольний твердопаливний двигун Це стосується всіх двигунів, починаючи від рідинних монергольних або диергольних двигунів з тривалим терміном зберігання або криогенного типу, гібридних та квазіпбридних двигунів, двигунів на суспензіях та трибридів і закінчуючи всіма триергольними двигунами Отже, слід очікувати значного збільшення питомого імпульсу не лише у порівнянні з узвичаєними видами твердого палива, але й у порівнянні з рівнем техніки рідинних двигунів (див Р Е Ло, "DFVLR-Stuttgart" "Водневий підігрів за допомогою трибридного згоряння", "ChemieIngemeur-Techmk", 1967, 39, №15, crop 923-927, Р Е Ло, "Можливість технічної реалізації високоефективних ХІМІЧНИХ рушійних установок", ДОПОВІДІ XVIII Конгресу астронавтів, Белград, 25 -29 9, 1967, стор 121-132, РЕЛо, "DFVLRLampoldshausen" "Теоретичні результати систем ракетного палива F2, 02/Li, A1/H2 і простих підсис 54595 тем", "DLR-Mitt", 69-21 (грудень 1969 р), Р Е Ло, "DFVLR-Lampoldshausen" "ХІМІЧНИЙ водневий підігрів за допомогою згоряння алюмінію з киснем або системи безполуменевого окислювання "FLOX", "DLR-Mitt", 70-03 (лютий 1970 р ), Р Е Ло, "DFVLRLampoldshausen" "Квазіпбридні ракетні двигуни", "Raumfahrtforschung", №4, квітень 1970 р ), -твердопаливні заряди згідно з винаходом дозволяють за допомогою вибору ВІДПОВІДНОГО палива реалізувати твердопаливні заряди з найбільшою безпекою для навколишнього середовища, наприклад, з твердого водню/кисню Далі винахід буде докладніше пояснено на кількох прикладах реалізації за допомогою креслень На кресленнях показані Фіг 1 - розріз пального елемента порожнистого циліндричного твердопаливного заряду згідно з винаходом, Фіг 2 - закріплення твердого палива за допомогою елементів, які мають розривну МІЦНІСТЬ, ФІГ 3 - стандартне технічне рішення кріплення твердопаливного заряду згідно і винаходом, фіг 4 - ще один варіант підпори корпусу, Фіг 5 - варіант прикріплення елементів, які мають розривну МІЦНІСТЬ, штекерним фіксатором, Фіг 6 - зображення корпусу з подвійними стінками з порожнистих циліндричних кілець з утвореною за допомогою перемичок системою труб для охолодження, Фіг 7 - зображення корпусу з подвійними стінками з порожнистих сегментів з утвореною за допомогою перемичок системою труб для охолодження, Фіг 8 І 9 - корпус з одинарною стінкою з наявними змійовиками для охолодження і Фіг 10 - дренажна система (система наповнення і спорожнювання) корпусу Всі та/або одиночні модулі твердопаливних зарядів згідно з винаходом оточені ХІМІЧНО сумісним з паливом корпусом достатньої тривкості і хімічної сумісності На Фіг 1 показаний розріз пального елемента порожнистого циліндричного твердопаливного заряду Корпус 1 оточує твердопаливний заряд З У цьому прикладі реалізації винаходу корпус складається з поверхонь циліндричної або круглої форми, які при виготовленні, наприклад, склеюються одна з одною (про спосіб виробництва докладніше тут розповідатися не буде) Виступаючий край корпусу 1 утворює підтримку 2 для пального елемента, розташованого на опорі 12 стінки камери згоряння 6 і прикріпленого до неї шляхом пригвинчування (див також Фіг 4) Згідно З ще одним прикладом реалізації винаходу, який відрізняється від того, що показаний на Фіг 1, але, звичайно, має той же самий результат, ця підтримка 2 може знаходитися в нижньому КІНЦІ модуля Шляхом розміщення монтажного кільця 11 (див Фіг 3) можна досягти підтримання циліндричного модуля на обох кінцях При запаленні твердопаливних зарядів, що знаходяться в корпусі, факел запалювання (наприклад, утворений модулем, розташованим у верхньому КІНЦІ камери згоряння, що складається із суміші різних видів самозаймистого твердого 6 палива) спочатку запалює ту частину корпусу 1, що утворює поверхню каналу згоряння 8 Цей процес відбувається ЦІЛІСНИМ ЧИНОМ ШЛЯХОМ випа ровування та запалення модулів з окислювача і палива, що чергуються Очевидним є те, що корпус 1 повинний бути з одного боку якомога більш тонким, а з іншого боку - якомога більш товстим в міру необхідності Крім цього торцеві поверхні корпусу 1, які знаходяться навпроти вогню проміжного прошарку в каналі згоряння 8, повинні по можливості мати таку ж швидкість горіння, як і паливо 3, що може трохи вплинути на вибір матеріалу Геометричні форми палива, при якому внутрішня сторона стінки камери згоряння 6 піддається різному за тривалістю впливу полум'я (наприклад, коноцільний або торцевий пальник), вимагають наявності ще одного внутрішнього захисного теплового прошарку При збиранні необхідно розрізняти сегментовані і несегментовані камери згоряння Перші вимагають точно визначеної ПОСЛІДОВНОСТІ КОЖНИЙ модуль при зазначених умовах може одночасно утворювати і сегмент камери згоряння Паливо, корпус, підвіска, ІЗОЛЯЦІЯ І сегмент камери згоряння в такому випадку можуть бути виготовлені разом Як правило, гранула повинна бути виготовлена знизу нагору Представлена проблематика дуже залежить від конкретних прикладів Особливі і будь-які ІНШІ геометричні форми одержують із бажаної кривої часових зсувів двигуна при одночасно високому ступені наповнення Звичайно, для всіх форм завжди справедливим є те, що вони повинні збиратися разом з корпусами, ІЗОЛЯЦІЙНИМИ прошарками, підвісками і т д Крихкість блоків льоду може бути особливою проблемою при динамічному навантаженні Як рішення до міркування приймається використання кристалів льоду, що змінюються під тиском, які у комплексі виявляють дуже незначну крихкість (різниця між сніжком і бурулькою) У той час, як крижані блоки з водяного льоду мають велику СТІЙКІСТЬ до навантажень (принцип іглу), у випадку замороженого палива справа може бути зовсім іншою При прикріпленні до стінки камери згоряння 6 вимоги до МІЦНОСТІ можуть значно зменшуватися Блок палива у цьому випадку при умовах прискорення при польоті вже повинний не лише підтримувати всі розташовані на ньому елементи, а і сам знаходитися в стійкому положенні Для такого твердого палива на Фіг 2 показаний варіант кріплення з розтяжками 4, перевага яких полягає у тому, що до матеріалу корпусу добавляють трохи додаткового матеріалу, чужорідного стосовно палива, що змінює склад брутто гранули палива На Фіг 3 ДЛЯ порівняння показане стандартне технічне рішення кріплення 9 ящика, яке хоча і є простим щодо збирання, але вимагає додаткових площин з матеріалу корпусу При виборі КІЛЬКОСТІ і розташування розтяжок 4 потрібно брати до уваги те, що вони згоряють, як тільки їх досягають поверхні горіння Збирання здійснюють таким чином, що спочатку прикріплені на опорній плиті належним чином (не зображеним тут) дроти 4 з'єднують із штекер ним фіксатором 13 (див Фіг 5), що щільно прилягає до зовнішньої поверхні корпусу 1 і захищений від скривлення 54595 8 шляхом належного формування Вони спресовуЦе є вигідним, оскільки в будь-якому випадку вся ються разом з ним при заповненні і замиканні система згоряє разом з системою охолодження елементів палива в паливі 3 Після завантаження при роботі двигуна У самому простому випадку пальних елементів до камери згоряння (або до для кожного елемента згоряння потрібне власне сегменту стінки камери згоряння) все це прикріпз'єднання з системою наповнення, тому що серійлюється зовні за допомогою щільно сидячих штене з'єднання (звичайно, завжди роздільне ВІДПОВІкерних болтів 14 Про ущільнення та ІНШІ деталі ДНО до палива й окислювача) може, як правило, тут мова йти не буде У цьому випадку можливим представляти певні проблеми При відомих умовах є розташування необхідного захисного теплового серійне наповнення стає можливим за допомогою прошарку (див систему теплозахисту на Фіг 2) дуже простих заходів Наприклад, в залежності від обставин можна з'єднати одну з одною найвищу і В іще одному прикладі реалізації винаходу, найнижчу точки порожнистих циліндричних кілець, представленому на Фіг 3, охолоджувані корпуса які в описаному тут прикладі реалізації винаходу можуть бути виготовлені з подвійними стінками виявляються розташованими по діагоналі СистеОкремі поверхні оболонки, таким чином, при цьому ма наповнення закінчується, отже, вищим елеменпроходять через канали охолодження 10, так що том із стоком у точці, яка у переверненому полокожний елемент палива має принаймні по одному женні є найвищою впуску і випуску Стінки порожнистих циліндричних кілець (див Фіг 6) або порожнистих циліндричних Показана на Фіг 10 дренажна система, насегментів (див Фіг 7) завжди оснащені однією або впроти, з'єднує одним єдиним стоком і одним з'єдкількома паралельними перемичками, розташовананням всі елементи палива і усі відділені від них ними по ЗОВНІШНІЙ окружності, які розміщені між елементи окислювача Вона функціонує у вертиподвійними стінками для зберігання проміжків, і які кальному положенні двигуна, служить для дренаутворюють - внутрішню межу каналів 10 Протіканжу при розморожуванні і повинна при наповненні ня охолодного середовища здійснюється ВІДПОВІДчерез приймальний отвір залишатися закритою НО до алфавітної нумерації від а до g на Фіг 6 або Описаний тут спосіб реалізації не повинний від а до р на Фіг 7 виключати того, що пальні елементи можуть бути виготовлені модульним чином по окремості в осоПодібним же чином можуть бути прикріплені бливих пристроях, а потім у камері згоряння об'єддо одинарних стінок корпусу змійовики охолонані в одну гранулу, або при сегментованому видження (див Фіг 8 І 9) В обох випадках внутрішня конанні - інтегровані у камеру згоряння У випадку, система каналів або проводки (протікання ВІДПОВІякщо процедура інтеграції є неможливою, описані ДНО до алфавітної нумерації на Фіг 8 і 9) сполучесистеми труб, звичайно, повинні бути з'єднані одна на з проводами подачі ззовні корпусу, які можуть з одною належним чином проходити через канал згоряння і сопло або через стінку камери згоряння В обох випадках потрібні Для всіх прикладів спільним є те, що вони пришвидкі затвори, подібні тим, що використовуються значені тільки як зразкові технічні рішення для в рідинному ракетному двигуні При проході крізь наочного роз'яснення принципів винаходу стінку вони повинні мати відповідну МІЦНІСТЬ при Розташування використаних знаків-посилань стиску Це ж саме стосується і ПІДВІДНОГО трубо1 Корпус проводу системи наповнення і спорожнювання 15 2 Підтримка (див Фіг 10) ПІДВІДНИЙ І ВІДВІДНИЙ трубопроводи 3 Паливо цієї системи з'єднані лише з розташованою най4 Підвіска / розтяжка / елементи, які мають вищою та/або найнижчою частиною замкнутого у розривну МІЦНІСТЬ корпусі об'єму На Фіг 10 показана дренажна сис5 Обшивка стінки / захисний тепловий прошатема, через яку може випаровуватися спочатку рок заповнений газ (наприклад, гелій), у той час як 6 Стінка камери згоряння рідке паливо вливається через аналогічний при7 Система теплозахисту ймальний отвір (не показаний) 8 Канал згоряння Представлені розміри труб, як і кожної з інших 9 Кріплення деталей на всіх кресленнях, не мають значення 10 Канали охолодження / система труб Відведення тепла через систему охолодження є 11 Монтажне кільце кроком із визначеною швидкістю при заморожу12 Опора ванні палива, подавання тепла через канал зго13 Штекерний фіксатор ряння і зовнішню ІЗОЛЯЦІЮ здійснюється при пові14 Штекерний болт льному розморожуванні Таким чином, у системі 15 Наповнення-спорожнювання наповнення і спорожнювання можна використовуа-р Протікання вати труби з невеличким поперечним перерізом До цього додається 9 аркушів креслень 10 54595 15 6 Фіг.4 13 14 Фіг.5 54595 11 Фіг.7 12 Фіг.9