RU2156875C2

RU2156875C2 - Rocket nozzle at adjustable temperature

Info

Publication number: RU2156875C2
Application number: RU98111591A
Authority: RU
Inventors: Хеггандер Ян; Пеккари Ларс-Олоф
Original assignee: Вольво Аэро Корпорэйшн
Priority date: 1996-09-23
Filing date: 1996-09-23
Publication date: 2000-09-27

Abstract

FIELD: rocket engine. SUBSTANCE: nozzle has form of axial twin bell whose curvature changes outside or generatrices lie at point of maximum curvature between two bell forms. Change in curvature ranges from 2 to 7 deg for better cooling of nozzle wall; point of maximum curvature is located between section at ratio of area of ε = 10 and section at 0.85x0,85×ε_max max of nozzle. EFFECT: improved cooling effect. 2 dwg

Description

Изобретение относится к ракетному соплу, имеющему форму аксиально сдвоенного колокола, т.е. типа так называемого "двойного колокола" и имеющему направленное вовне изменение кривизны контурной линии или генерактрисы в точке максимальной кривизны между двумя колокольными формами. The invention relates to a missile nozzle having the shape of an axially double bell, i.e. such as the so-called "double bell" and having an outward change in the curvature of the contour line or generatrix at the point of maximum curvature between the two bell forms.

Форма двойного колокола ракетных сопел известна с начала 60-х годов для обеспечения высотного выравнивания. В режиме работы такого сопла сдвоенного колокола на высоте относительно уровня моря точка максимальной кривизны будет заставлять поток отделяться от стенки сопла в требуемом участке, таким образом усиливая тягу в режиме работы на высоте относительно уровня моря. В режиме работы на высоте факел постепенно расширяется до тех пор, пока он окончательно не соприкоснется со стенкой сопла за точкой максимальной кривизны. Однако на практике принцип сопла двойного колокола имеет несколько характерных недостатков, которые снижают технические показатели по сравнению с теоретическим оптимумом. The double bell shape of rocket nozzles has been known since the beginning of the 60s to ensure high-level alignment. In the operation mode of such a double bell nozzle at an altitude relative to sea level, the point of maximum curvature will cause the flow to separate from the nozzle wall in the desired area, thereby increasing traction in the operation mode at an altitude relative to sea level. In operation at altitude, the torch gradually expands until it finally contacts the nozzle wall beyond the point of maximum curvature. However, in practice, the principle of a double-bell nozzle has several characteristic drawbacks that reduce technical performance compared to a theoretical optimum.

С другой стороны, функцией сопла ракеты является расширение и ускорение газа до высокой скорости, обеспечивая этим эффективность тяги и величину полезной нагрузки. Эффективность тяги особенно важна для верхних ступеней ракеты. Высокий показатель тяги означает высокие температуры стенок и, как следствие, требует необычных и дорогостоящих технологий. Температура стенок сопла ракеты зависит от давления на стенку и скорости потока на стенке. On the other hand, the function of the rocket nozzle is to expand and accelerate the gas to a high speed, thereby ensuring thrust efficiency and payload size. Traction efficiency is especially important for the upper stages of the rocket. High traction means high wall temperatures and, as a result, requires unusual and expensive technologies. The temperature of the walls of the rocket nozzle depends on the pressure on the wall and the flow rate on the wall.

Для регулирования температуры стенки сопла ракеты, в частности, участков стенки, которые не охлаждаются активно конвективным охлаждением, были предложены несколько технологий. Прежде всего, используемые материалы должны обладать прочностью при очень высоких температурах, что, разумеется, является дорогостоящим. На стенки сопла могут быть нанесены покрытия, которые обеспечивают изоляцию и допускают высокие поверхностные температуры. Это также является дорогостоящим. И наконец, может использоваться охлаждающая пленка в комбинации с непрерывным контуром сопла. To control the temperature of the wall of the rocket nozzle, in particular, wall sections that are not actively cooled by convective cooling, several technologies have been proposed. First of all, the materials used must be durable at very high temperatures, which, of course, is expensive. Coatings that provide insulation and allow high surface temperatures can be applied to the nozzle walls. It is also expensive. Finally, a cooling film can be used in combination with a continuous nozzle loop.

В случае использования металлических материалов такие материалы имеют высокую стоимость, конструкция сопла должна быть выполнена со множеством швов, что обусловлено наличием материала. Однако большое число швов понижает надежность. Как вариант, может использоваться керамический матричный композитный материал. В этом случае стоимость очень высока, а надежность проблематична вследствие небольшого опыта применения в ракетных соплах. In the case of using metallic materials, such materials have a high cost, the nozzle design must be made with many seams, due to the presence of material. However, a large number of seams reduces reliability. Alternatively, a ceramic matrix composite may be used. In this case, the cost is very high, and reliability is problematic due to the small experience in rocket nozzles.

Таким образом, покрытия повышают стоимость, а потенциал понижения температуры устойчивого состояния ограничен. Покрытие означает также пониженную надежность, обусловленную повышенной сложностью. Что касается пленочного охлаждения, обычно не находится, газа, чтобы производить пленку для двигателей замкнутого цикла. Выпуск газа для целей пленочного охлаждения означал бы серьезные потери в рабочей характеристике. Thus, coatings increase cost, and the potential for lowering steady state temperature is limited. Coverage also means reduced reliability due to increased complexity. As for film cooling, there is usually no gas to produce film for closed-loop engines. The release of gas for film cooling purposes would mean serious loss in performance.

К настоящему времени оказалось, что простой и недорогостоящий путь обеспечения регулирования температуры стенок сопла должен основываться на форме двойного колокола, но приспособленной как предложено в соответствии с настоящим изобретением. Изобретение отличается тем, что для достижения улучшенного охлаждения стенки сопла изменение кривизны составляет 2-7^o, упомянутая точка (I) максимальной кривизны расположена между участком с соотношением площади ε = 10 и участком с 0,85 • ε_макс сопла.To date, it has turned out that a simple and inexpensive way to control the temperature of the walls of the nozzle should be based on the double bell shape, but adapted as proposed in accordance with the present invention. The invention is characterized in that in order to achieve improved cooling of the nozzle wall, the curvature change is 2-7 ^° , said maximum curvature point (I) is located between the area with the area ratio ε = 10 and the area with 0.85 • ε _max nozzle.

Посредством введения прерывности в меридиональной плоскости для контура сопла температура стенки будет понижена быстрее, чем в случае обычного непрерывного контура. Температура стенки сопла от точки прерывности остается близкой к постоянной. Температура, которая определяет выбор материала сопла, таким образом, понижена. В качестве побочного эффекта введением прерывности можно управлять поведением охлаждающей пленки. В точке максимальной кривизны пленка, близкая к стенке сопла, будет подвержена резкому ускорению за упомянутой прерывностью, что стабилизирует пленку и предотвратит смешение. Затем поддерживается эффективность пленки. By introducing a discontinuity in the meridional plane for the nozzle contour, the wall temperature will be reduced faster than in the case of a conventional continuous contour. The temperature of the nozzle wall from the discontinuity point remains close to constant. The temperature that determines the choice of nozzle material is thus reduced. As a side effect, the introduction of discontinuity can control the behavior of the cooling film. At the point of maximum curvature, a film close to the nozzle wall will be subject to sharp acceleration beyond said discontinuity, which will stabilize the film and prevent mixing. Then, film efficiency is maintained.

Изобретение описано ниже на примере со ссылками на сопровождающие чертежи, среди которых фиг. 1 - продольный разрез сопла, форма которого соответствует настоящему изобретению, левая половина показывает участок точки (I) максимальной кривизны с ε = 10, тогда как правая половина показывает участок точки (I) максимальной кривизны при ε равной 85% от ε_макс . Фиг. 2 показывает характеристику соотношения между температурой стенки и аксиальной длиной сопла в соответствии с изобретением.The invention is described below by way of example with reference to the accompanying drawings, among which FIG. 1 is a longitudinal section through a nozzle whose shape is in accordance with the present invention, the left half shows the portion of point (I) of maximum curvature with ε = 10, while the right half shows the portion of point (I) of maximum curvature with ε equal to 85% of ε _max . FIG. 2 shows a relationship between the wall temperature and the axial length of the nozzle in accordance with the invention.

На фиг. 1 изображено ракетное сопло 1 типа, так называемого, "двойного колокола", т.е. имеющего форму аксиально сдвоенного колокола. Подобно известным конструкциям сопла с высотным выравниванием имеется точка (I) максимальной кривизны на линии контура, или генерактрисе, где имеется резкое изменение в кривизне упомянутой контурной линии, другими словами - где форма верхнего колокола переходит в форму следующего за ним колокола. В отличие от известных конструкций двойного колокола, где изменение кривизны составляет, по меньшей мере, 9^o для того, чтобы обеспечить резкое изменение направления для получения желаемого разделения потока вдоль стенки сопла в упомянутой точке, настоящее изобретение предлагает, чтобы изменение кривизны составляло только 2-7^o, точка максимальной кривизны находилась между участком с соотношением площади ε = 10 и участком с 0,85 • ε_макс сопла. ε является соотношением площади, которое составляет ε = 1 в горловине сопла.In FIG. 1 shows a type 1 rocket nozzle of the so-called "double bell", i.e. axially twin bell shaped. Like the well-known high-level alignment nozzle designs, there is a point (I) of maximum curvature on the contour line, or a generatrix, where there is a sharp change in the curvature of the contour line, in other words, where the shape of the upper bell changes to the shape of the next bell. Unlike prior art double bell constructions, where the curvature change is at least 9 ^° in order to provide a sharp change in direction to obtain the desired flow separation along the nozzle wall at the aforementioned point, the present invention proposes that the curvature change is only 2- 7 ^o , the point of maximum curvature was between the area with the area ratio ε = 10 and the area with 0.85 • ε _max nozzle. ε is the ratio of the area, which is ε = 1 in the nozzle neck.

В соответствии с изобретением максимальная точка кривизны должна находиться в любом подходящем участке между двумя обусловленными пределами, определенными выше. In accordance with the invention, the maximum point of curvature should be in any suitable area between the two predetermined limits defined above.

Резкое ускорение потока пленки вдоль стенки, вызванное изменением кривизны контурной линии стенки, обеспечивает улучшенный охлаждающий эффект, начинающийся сразу за упомянутой точкой максимальной кривизны, поддерживая упомянутый эффект до такой степени, что температура остальной части стенки за упомянутой точкой максимальной кривизны будет поддерживаться почти постоянной. Упомянутая пониженная температура стенки позволяет использовать материал стенки не обязательно стойкий к температурному воздействию, как требовалось в предшествующем уровне техники, и соответственно более дешевую конструкцию. A sharp acceleration of the film flow along the wall, caused by a change in the curvature of the contour line of the wall, provides an improved cooling effect that starts immediately after the point of maximum curvature, maintaining the effect to such an extent that the temperature of the rest of the wall behind the point of maximum curvature will be kept almost constant. Said reduced wall temperature allows the use of a wall material that is not necessarily resistant to temperature effects, as required in the prior art, and therefore a cheaper construction.

Claims

Axial twin bell-shaped rocket nozzle, i.e. such as the so-called "double bell", and having an outwardly directed change in the curvature of the contour line, or generatrix, at the point of maximum curvature between the two bell shapes, characterized in that to achieve improved cooling of the nozzle wall, the curvature is 2 - 7 ^o , and the said point (I) The maximum curvature is located between the area with the area ratio ε = 10 and the area with 0.85 x ε _max nozzle.