З’єднання між задньою стінкою камери згоряння і соплом ракетного двигуна

1. З'єднання між задньою стінкою (14) камери згоряння і соплом (20) ракетного двигуна, що містить засоби механічного з'єднання, які з'єднують сопло із задньою стінкою щонайменше в осьовому напрямку, а також тепловий бар'єр (40) і щонайменше одну ущільнювальну прокладку (32, 34), що розташовані в зоні (30) сполучення, яка обмежена суміжними поверхнями задньої стінки і сопла, які розташовані одна навпроти одної, яке відрізняється тим, що тепловий бар'єр (40) містить щонайменше один шнур (42, 421, 422) із жаростійкого волокна, намотаний більш ніж в один оберт на повздовжню вісь (А) камери в зоні сполучення. 2. З'єднання за п. 1, яке відрізняється тим, що шнур або шнури (42, 421, 422) розташований або розташовані в ступінчастій частині зони (30) сполучення. 3. З'єднання за п. 1 або 2, яке відрізняється тим, що кожен із шнурів (42, 421, 422) виготовлений з вуглецевих та керамічних волокон. 4. З'єднання за будь-яким з пп. 1-3, яке відрізняється тим, що кожен із шнурів (42, 421, 422) виконаний у вигляді джгута. 5. З'єднання за будь-яким з пп. 1-3, яке відрізняється тим, що кожний із шнурів (42') утворений двовимірними волокнистими шарами, накладеними один на одний. 6. З'єднання за п. 5, яке відрізняється тим, що шнур утворений накладеними один на одний шарами та зігнутий у вигляді U-подібного профілю 2 (19) 1 3 81643 4 задньої стінки, і в який упирається поверхня (22d) краю сопла (20). 16. З'єднання за п. 15, яке відрізняється тим, що осьовий запірний елемент (50) виконаний у формі розрізного кільця з можливістю встановлення і зняття. 17. З'єднання за п. 15, яке відрізняється тим, що засоби механічного з'єднання містять кільце, виконане із секторів (50'), що фіксуються кільцевим затискачем (54). Даний винахід відноситься до області твердопаливних ракетних двигунів і, більш конкретно, до виконання з'єднання між задньою стінкою камери згоряння і соплом. Назване з'єднання містить механічну конструкцію, що розташована щонайменше в осьовому напрямку між задньою стінкою і соплом, і пристрій ущільнення (прокладку) для запобігання виходу газів згоряння через зони спряження (стики) між суміжними поверхнями задньої стінки і сопла. Механічне з'єднання звичайно здійснюють за допомогою гвинтів. Такий метод з'єднання довів свою практичну застосовність але вимагає виконання тривалих і трудомістких операцій затягування і контролю стану гвинтів, кількість яких може бути вкрай велика, доходячи в деяких випадках приблизно до сотні. Ущільнення звичайно здійснюють у вигляді щонайменше однієї, а частіше двох кільцевих прокладок: первинної прокладки і вторинної прокладки, що розташовані послідовно між поверхнями, що сполучаються. Ущільнювальні прокладки традиційно виготовляють з еластомірного матеріалу, що не володіє високою і тривалою стійкістю до температур газів згоряння, що утворюються в камері. В зону спряження між елементами, що сполучаються, додатково вводять тепловий бар'єр, який розташований між кінцем зони спряження, що знаходиться з внутрішньої сторони камери, і ущільнювальними прокладками, з метою охолоджування газів згоряння, що проникають в зону спряження і здатні контактувати з первинною прокладкою. Згідно з відомим рішенням тепловий бар'єр звичайно утворюється шаром змащувального матеріалу. Проте було помічено, що в деяких випадках такий шар змащувального матеріалу може пропускати гази згоряння в достатній кількості для того, щоб вони досягали первинної прокладки, маючи ще надмірно високу температуру. Задача, на рішення якої направлений даний винахід, полягає в усуненні вищеописаного недоліку і в запропонуванні більш ефективного теплового бар'єру. Для вирішення поставленої задачі пропонується з'єднання між задньою стінкою камери згоряння і соплом ракетного двигуна, що містить засоби механічного з'єднання, що зв'язують сопло із задньою стінкою щонайменше в осьовому напрямку, а також тепловий бар'єр і щонайменше одну ущільнувальну прокладку, що розташовані в зоні спряження, яка обмежена суміжними поверхнями задньої стінки і сопла, що розташовані одна навпроти одної. При цьому згідно з винаходом тепловий бар'єр містить щонайменше один матеріал з жаростійкого волокна, що утворює шнур, який намотаний в зоні спряження навколо повздовжньої осі камери, причому шнур (шнури) забезпечує (забезпечують) безперервність теплового бар'єру в напрямку по окружності. Використання шнура з жаростійкого волокна, наприклад, вуглецевого і/чи керамічного, дозволяє надати тепловому бар'єру високу стійкість до температур газів згоряння. Шнур або кожний з декількох шнурів може мати форму плетеного джгута або накладених один на одний двовимірних волокнистих шарів, наприклад, шарів тканини. Вид волокнистого матеріалу (джут або шари) і ступінь його стискання в зоні спряження визначають проникність теплового бар'єру для газів. При цьому час проходження газами теплового бар'єру повинно бути достатньо велике для того, щоб забезпечити достатнє охолоджування цих газів в результаті відбору волокнистим матеріалом тепла газів. Це тепло потім передається стінкам, між якими затиснений волокнистий матеріал. В оптимальному варіанті ефективність теплового бар'єру збільшується завдяки розташуванню шнура або шнурів в тій частині зони спряження, яка утворює зигзагоподібний заслін на шляху газів згоряння, які проникають в зону спряження. Дійсно, така зигзагоподібна форма подовжує шлях проходження газів згоряння і запобігає прямій дії випромінювання камери згоряння на тепловий бар'єр. Безперервність теплового бар'єру в напрямку по окружності може бути забезпечена різними способами. Так, згідно з одним з варіантів виконання тепловий бар'єр містить щонайменше два окремі шнури, причому кутове положення кінців одного із шнурів відносно осі камери відрізняється від кутового положення кінців іншого шнура. Згідно з іншим варіантом виконання тепловий бар'єр містить щонайменше один шнур, що намотаний спірально більш ніж в один оберт по окружності зони спряження. Також може бути передбачено використання одного або декількох безперервних замкнутих шнурів. Згідно з одним з варіантів виконання тепловий бар'єр розташований в зоні спряження задньої стінки з соплом між його краєм, що знаходиться з внутрішньої сторони камери згоряння, і ущільнювальною прокладкою або прокладками. 5 Згідно з іншим варіантом виконання, в якому тепловий бар'єр є волокнистим матеріалом, стисненим в зоні спряження, зокрема, в частині зони спряження, що має зигзагоподібну форму, тепловий бар'єр може утворювати і ущільнювальну прокладку. Згідно з іншим аспектом винаходу засоби механічного з'єднання містять щонайменше один осьовий кільцевий запірний елемент, який частково утримується в канавці, що передбачена із зовнішньої сторони задньої стінки, в який упирається поверхня краю сопла. Такий засіб механічного з'єднання є значним спрощенням порівняно з гвинтами, що використовуються у відомих рішеннях. Згідно з одним з варіантів виконання осьовий замикаючий елемент є розрізним кільцем, встановлення і зняття якого можуть бути здійснені шляхом його пружної деформації. Згідно з іншим варіантом виконання засоби механічного з'єднання містять кільце, що складається з декількох секторів, які фіксуються кільцевим затиском. Короткий опис креслень Інші особливості і переваги даного винаходу стануть зрозумілі з нижченаведеного опису, що наводиться з посиланнями на додані креслення і не накладає будь-яких обмежень. На кресленнях: - фіг.1 вкрай спрощено зображає в осьовому розрізі задню частину ракетного двигуна; - фіг.2 зображає в збільшеному масштабі перший варіант виконання з'єднання за винаходом між задньою стінкою камери згоряння і соплом ракетного двигуна, наприклад, за фіг.1; фіг.З детально ілюструє приклад намотування шнура, що створює тепловий бар'єр в з'єднанні за фіг.2; - фіг.4 і 5 детально ілюструють два варіанти виконання шнура, що створює тепловий бар'єр в з'єднанні за фіг.2; - на фіг.6-9 представлені зображення, які аналогічні фіг.2 і відповідають різним варіантам виконання теплового бар'єру; - на фіг.10 наведено зображення, яке аналогічне фіг.6 і представляє інший варіант виконання з'єднання між задньою стінкою і соплом. Виконання винаходу Розглянемо фіг.1, на якій в спрощеному вигляді зображена конструкція задньої частини твердопаливного ракетного двигуна. Ракетний двигун містить камеру 10 згоряння, що обмежена оболонкою 12, яка закінчується в задній частині камери задньою стінкою 14. До задньої стінки 14 приєднано сопло 20. В представленому прикладі сопло може бути встановлено в задане положення за допомогою повороту відносно повздовжньої осі А камери згоряння. З цією метою конструкція, що утворена частиною 20а, що звужується, горловиною 20Ь і частиною 20с сопла, що розширяється, встановлена на кільцевій основі (виступі) 22 за допомогою сферичного шарнірного упора 24. Упор 24 може бути, наприклад, упором шаруватого типу, який утворений сукупністю сферичних шарів, 81643 6 в якій чергують жорсткі металеві шари і еластомірні шари, що скріпляють один з одними. Упор 24 ізольований від внутрішнього .об'єму камери згоряння мембраною 26. Засоби управління, наприклад, домкрати (не представлені), що встановлені на оболонці 12 і впливають на управляюче кільце, яке розташоване із зовнішньої сторони частини сопла, що розширяється, дозволяють надати осі сопла і, отже, напрямку викиду газів згоряння необхідну орієнтацію відносно осі А. Виступ 22 нерухомий відносно оболонки 12 і сполучений із задньою стінкою 14. Засоби механічного з'єднання (не представлені на фіг.1) зв'язують виступ 22 і задню стінку 14 в осьовому напрямку. Задня стінка 14 і виступ 22 сполучені протягом зони 30 спряження, що обмежена поверхнями виступу 22 і задньої стінки 14, які лежать одно навпроти одної, і розташованої в осьовому напрямку, по суті, між внутрішньою і зовнішньою поверхнями камери згоряння. Зона 30 спряження оснащена ущільнювальними прокладками, захищеними тепловим бар'єром (не представлений на фіг.1). Стисло описана вище конструкція задньої частини ракетного двигуна добре відома як така. Область застосування винаходу, зрозуміло, не обмежується ракетними двигунами із змінним напрямком сопла, але включає також і ракетні двигуни з нерухомим соплом. Один з варіантів виконання, згідно з винаходом, з'єднання між задньою стінкою 14 і виступом 22 сопла ракетного двигуна, наприклад, за фіг.1, детально зображений на фіг.2. В даному прикладі задня стінка 14 за відомою технологією містить зовнішню стінку 14а, виконану, наприклад, з металу і оснащену розташованим з внутрішньої сторони елементом 14Ь теплового захисту, який виконано, наприклад, з еластоміру. Аналогічним чином виступ 22 сопла містить зовнішню стінку 22а, виконану, наприклад, з металу, яка відповідає зовнішній стінці 14а і/чи є її продовженням, і елемент 22b теплового захисту, який виконано, наприклад, з еластоміру, який є продовженням елемента 14b теплового захисту стінки. Зона 30 спряження має в осьовому перерізі непрямолінійний профіль, причому поверхня виступу 22, що суміжна із зоною 30 спряження, має діаметр, що змінюється без зменшення вздовж зони 30 спряження, починаючи від її краю, розташованого з внутрішньої сторони камери згоряння. В представленому прикладі ущільнювальна прокладка або, в переважному з точки зору безпеки варіанті щонайменше дві ущільнювальні прокладки (первинна ущільнювальна прокладка 32 і вторинна ущільнювальна прокладка 34) послідовно встановлені в зоні 30 спряження. Кожна з прокладок 32, 34 утворена ущільнювальним кільцем з еластомірного матеріалу. Кожна прокладка розміщена в кільцевому пазу 36, 38 відповідно, що передбачений в одній з поверхонь задньої стінки 14 і виступу 22 (в представленому прикладі - в 7 поверхні виступу 22), що розташовані одна навпроти одної, і стиснута іншою з цих поверхонь. Прокладки 32 і 34 віддалені від краю зони 30 спряження, який розташований з внутрішньої сторони камери згоряння, і переважно розташовані в тій частині зони 30 спряження, яка обмежена металевими стінками 14а і 22а. Тепловий бар'єр 40 розташований в зоні 30 спряження між її краєм, який розташований з внутрішньої сторони камери згоряння, і ущільнювальними прокладками 32, 34. Тепловий бар'єр 40 може знаходитися, наприклад, в частині зони 30 спряження, обмеженої елементами 14b і 22b теплового захисту. В оптимальному варіанті він віддалений від краю зони 30 спряження, який розташований з внутрішньої сторони камери згоряння, щоб уникнути його передчасного руйнування при роз'їданні елементів 14b, 22b теплового захисту газами згоряння. Таким чином, тепловий бар'єр знаходиться поблизу металевих стінок 14а, 22а. Він може бути розташований в частині зони 30 спряження, що знаходиться між цими металевими стінками 14а, 22а. В представленому прикладі тепловий бар'єр 40 містить шнур 42 з жаростійких волокон, наприклад, з вуглецевих волокон, намотаний між уступами 14с і 22с, що передбачені в задній стінці 14 і виступі 22, що знаходяться одна навпроти одної. Шнур 42 намотаний більш ніж в один оберт навколо осі А так, щоб безперервність теплового бар'єру не порушувалася на кінцях шнура. Намотування шнура 42 може бути здійснено, наприклад, приблизно в два оберти, як зображено на фіг.3. На цьому кресленні безперервний шнур 42 утворює два прилеглих один до одного кругових витка. Ділянка 42с, що сполучає два витка, проходить між кінцями 42а і 42b шнура. Кінці 42а і 42b замкнуті, щоб мінімізувати зазор, що розташований в напрямку по окружності між ділянкою 42с і цими кінцями. Шнур 42 може бути, наприклад, плетеним джгутом з вуглецевих волокон, який представлений на фіг.4. Уступи 14с і 22с виконані .так, щоб забезпечити розміщення шнура 42, в той же час стискаючи його для зменшення його проникності для газів. Крім того, уступи 14с, 22с додають тій частині зони 30 спряження, в якій знаходиться тепловий бар'єр, зигзагоподібну форму. Ця зигзагоподібна форма в поєднанні з обмеженою проникністю шнура 42 запобігає швидкому проходженню теплового бар'єру газами згоряння, проникаючими в зону 30 спряження з камери згоряння. Гази, що долають у результаті тепловий бар'єр, можуть достатньо охолодитися в результаті зіткнення з задньою стінкою 14 і виступом 22, що розташовані одна навпроти одної, перш ніж досягнуть первинної прокладки 32. Подолання газами згоряння теплового бар'єру дозволяє їм забезпечити стискання первинної прокладки 32 з метою підвищення ефективності цієї прокладки. 81643 8 Слід зазначити, що поверхні уступів 14с, 22с, що стискають шнур 42, розташовані в радіальному напрямку. Вони також можуть бути конічними. Для виготовлення шнура теплового бар'єру, крім волокнистого джгута, можуть бути використані і інші волокнисті матеріали. Так, на фіг.5 представлений шнур 42', утворений накладеними один на одний волокнистими шарами, кожний з яких складається із стрічки, виготовленої з двовимірного волокнистого матеріалу, наприклад, тканини з вуглецевого волокна. Накладені один на одний шари зігнуті по довжині шнура, що надає йому Uподібний профіль. Шнур розташований в зоні 30 спряження таким чином, що відкрита сторона Uподібного профілю обернена до тієї сторони цієї зони, яка розташована з боку внутрішньої поверхні камери. Таким чином, гази згоряння, що приходять в зіткнення з шнуром 42', притискують його повздовжні краї до поверхонь, що розташовані одно навпроти іншої, які обмежують зону 30 спряження. Хоча в даному варіанті передбачено виготовлення шнура 42 з вуглецевих волокон для цієї мети також можуть бути використані інші жаростійкі волокна, наприклад, керамічні. У момент встановлення на задню стінку 14 або на виступ 22, до його стискання між цими деталями, шнур 42 може утримуватися, наприклад, за допомогою накладення шару мастила або локального приклеювання. Механічне з'єднання задньої стінки 14 з виступом 22 сопла може бути здійснено за відомою технологією за допомогою гвинтів. Проте в представленому прикладі використаний більш простий метод, за яким це з'єднання здійснено за допомогою замикаючого елемента 50 (фіг.2). Елемент 50 має форму розрізного металевого кільця з L-подібним осьовим перерізом. Одна ділянка 50а кільця частково входить в канавку 52, що передбачена в поверхні 14d задньої стінки, що є продовженням із зовнішньої сторони поверхні, яка обмежує зону 30 спряження. Радіальний край виступу 22 сопла містить поверхню 22d яка упирається в частину ділянки 50а, виступаючу з канавки 52. Інша ділянка 50b елемента 50 упирається в поверхню 14d для компенсації тиску виступу 22 на ділянку 50а. Елемент 50 може бути встановлений або знятий за допомогою пружної деформації цього елемента в напрямку по окружності. Фіксація виступу 22 сопла відносно задньої стінки 14 в осьовому напрямку здійснюється за рахунок взаємодії замикаючого елемента 50 з локальними опорними поверхнями, розташованими непаралельно осі камери між поверхнями задньої стінки 14 і виступу 22 суміжно із зоною 30 спряження. На фіг.6 зображений один з варіантів виконання теплового бар'єру 40 за фіг.2. Згідно з цим варіантом шнур 42 з жаростійкого волокна намотаний спірально між двома спіральними (гвинтовими) уступами 14е і 22е, що передбачені в задній стінці 14 і виступі 22, які розташовані одна навпроти одної. Шнур 42 намотаний більш ніж в 9 один оберт навколо осі А так, щоб безперервність теплового бар'єру не порушувалася на кінцях шнура. На фіг.7 зображений інший варіант виконання теплового бар'єру 40 за фіг.2. Згідно з цим варіантом в радіальному уступі 22g поверхні виступу 22 сопла, суміжної із зоною спряження, передбачений спіральний паз 22f, наприклад, Vподібного перерізу. Шнур 42 намотаний навколо осі А в пазу 22f і затиснений між його стінкою і радіальним уступом 14g поверхні задньої стінки 14, суміжної із зоною 30 спряження, який розташований навпроти уступу 22g. Уступи 14g і 22g надають зоні 30 спряження в місці розташування теплового бар'єру зигзагоподібну форму. На фіг.8 зображений ще один варіант виконання теплового бар'єру 40 за фіг.2. Спіральний паз 22h, наприклад, V-подібного перерізу передбачений в частині стінки 22і поверхні виступу 22 сопла, паралельної осі і суміжної із зоною 30 спряження. Шнур 42 намотаний навколо осі А в пазу 22п і затиснений між його стінкою і радіальним уступом 14і поверхні задньої стінки 14, суміжної із зоною 30 спряження. Зображена на фіг.8 зона 30 спряження не має зигзагоподібної форми в місці розташування теплового бар'єру. Проте, зигзагоподібна форма може бути надана зоні спряження за допомогою уступів в задній стінці 14 і виступі 22, що розташовані одна навпроти одної, в безпосередній близькості від місця розташування шнура 42. На фіг.9 зображений ще один варіант виконання теплового бар'єру 40 за фіг.2. Згідно з цим варіантом тепловий бар'єр містить два кільцеві шнури 42і, 422, розташованих послідовно, поблизу один від одного, в зоні 30 спряження. Шнур 421 розташований на стику осьової частини 22і поверхні виступу 22 сопла, суміжної із зоною 30 спряження, з радіальним уступом 22k тієї ж поверхні. Він затиснений між поверхнями 22і, 22k і частиною конічної стінки 14k поверхні задньої стінки 14, суміжної із зоною 30 спряження. Шнур 422 намотаний в пазу 22І, наприклад, Vподібного перерізу, передбаченому в частині поверхні виступу 22 сопла, паралельної осі і суміжної із зоною 30 спряження. Він затиснений між стінками паза 22І і частиною стінки 14I поверхні задньої стінки 14, паралельної осі ι суміжної iз зоною 30 спряження. Кожний з шнурів 421, 422 повністю оточує вісь А. Кінці шнура 421 зміщені в кутовому напрямку відносно кінців шнура 422 з метою збереження безперервності теплового бар'єру в осьовому напрямку. Зрозуміло, крім вищеописаних, можуть бути передбачені численні інші варіанти розташування одного або декількох шнурів між частинами радіальних, осьових або конічних стінок. Наприклад, може використовуватися спіральний шнур в поєднанні з одним або декількома кільцевими шнурами. 81643 10 Крім того, слід зазначити, що тепловий бар'єр також може утворювати ущільнювальну прокладку, що дозволяє обійтися без первинної ущільнювальної прокладки 32 або навіть без обох ущільнювальних прокладок 32 і 34. Така ситуація можлива, зокрема, якщо тепловий бар'єр є шнуром з волокнистого матеріалу, що стискається, намотаним більш ніж в один оберт в стисненому стані в зоні 30 спряження; зокрема, якщо шнур розташовується в одному або декількох поглибленнях зигзагоподібної поверхні зони 30 спряження. На фіг.10 зображений інший варіант виконання механічного з'єднання задньої стінки 14 з виступом 22 сопла, причому елементи, загальні для цього варіанту виконання і варіанту виконання за фіг.2, мають ті ж позначення. Згідно з цим варіантом використовують декілька замикаючих елементів у вигляді кільцевих секторів. Кожний елемент 50' має Lподібний переріз, як і елемент 50 за фіг.2, і містить ділянку 50'а, що частково знаходиться в канавці 52, що передбачена в поверхні 14d задньої стінки 14, і ділянка 50'Ь, внутрішня сторона якої упирається в цю поверхню 14d. Виступ 22 сопла упирається в ділянки 50'а елементів 50'. Кожний з елементів 50' має кутовий розмір, що не перевищує 180°, і фіксується кільцевим затиском 54. Цей кільцевий затиск прикріплений гвинтом 56 до виступу 22 сопла і упирається в зовнішню сторону ділянки 50'b. 11 81643 12