RU2178092C2

RU2178092C2 - Solid-propellant charge for engine

Info

Publication number: RU2178092C2
Application number: RU99123147A
Authority: RU
Inventors: А.П. Талалаев; В.И. Колесников; В.Ф. Молчанов; А.В. Козьяков; Г.Э. Кузьмицкий; Н.Н. Федченко; В.Н. Аликин
Original assignee: Государственное унитарное предприятие "Научно-исследовательский институт полимерных материалов"; Федеральное государственное унитарное предприятие "Пермский завод им. С.М. Кирова"
Priority date: 1999-11-01
Filing date: 1999-11-01
Publication date: 2002-01-10

Abstract

FIELD: rocketry. SUBSTANCE: solid-propellant charge for rocket engine with star-like channel and cavities along generating lines on outer surface arranged on axes of symmetry of star-like channel projections is insert-type of all-round burning. Profile of charge channel sections between projections of star-like channel and outer surface between cavities are made with coinciding evolutes. Width of projections does not exceed thickness of charge burning arch. EFFECT: reduced discharge of digressive fuel remnants at end of engine operation, increased carrying capacity of combustion chamber in operation. 5 dwg

Description

Изобретение относится к области ракетной техники и может быть использовано при проектировании, отработке и изготовлении РДТТ и вкладных зарядов к ним, в частности, для авиационных ракет. The invention relates to the field of rocket technology and can be used in the design, development and manufacture of solid propellant rocket engines and additional charges for them, in particular, for aircraft missiles.

При боевом применении ракет, предназначенных для вооружения самолетов, одним из отрицательных факторов является воздействие реактивной струи двигателя ракеты на силовую установку носителя и его планер. В частности, существуют ограничения по величине частиц топлива, выбрасываемых в конце работы из двигателя ракеты (дегрессивные остатки). In the combat use of missiles intended for arming aircraft, one of the negative factors is the effect of a jet stream of a rocket engine on a propulsion system of a carrier and its glider. In particular, there are restrictions on the amount of fuel particles emitted at the end of work from the rocket engine (degressive residues).

Особенностью двигателей ракет рассматриваемого класса является их высокая тяговооруженность при весьма малых временах работы, что обусловлено необходимостью обеспечить достаточную скорость схода ракет с направляющих и малые подлетные времена до цели. Обеспечить высокую тяговооруженность (при малых временах работы) возможно за счет применения канальных зарядов, горящих как по каналу, так и по наружной поверхности. При этом для обеспечения минимальных остатков несгорающего топлива желательно применение зарядов с центральным цилиндрическим (круговым) каналом (фиг. 1). Однако у таких зарядов слабо развита поверхность горения, что не обеспечивает форсированного режима работы двигателя в начальный период, когда и требуется максимальная тяговооруженность. Поэтому в известных конструкциях (Н. М. Шапиро и др. "Теория ракетных двигателей на твердом топливе". М. , 1966 г. , стр. 44) применяют заряды со звездообразным профилем канала (фиг. 2). Такие заряды обеспечивают большую поверхность горения в начальный период по сравнению с зарядами с цилиндрическим каналом. A feature of the rocket engines of the class in question is their high thrust-to-weight ratio at very short operating times, which is due to the need to ensure a sufficient rate of descent of missiles from guides and short flight times to the target. It is possible to provide high thrust-to-weight ratio (at short operating times) through the use of channel charges burning both along the channel and on the outer surface. Moreover, to ensure minimal residual non-combustible fuel, it is desirable to use charges with a central cylindrical (circular) channel (Fig. 1). However, such charges have a poorly developed combustion surface, which does not provide a forced mode of engine operation in the initial period, when maximum thrust-to-weight ratio is required. Therefore, in known constructions (N. M. Shapiro et al. "The theory of solid propellant rocket engines." M., 1966, p. 44) charges with a star-shaped channel profile are used (Fig. 2). Such charges provide a large combustion surface in the initial period compared to charges with a cylindrical channel.

Недостатком вкладных зарядов со звездообразным каналом является наличие существенных остатков топлива (дегрессивных остатков), выбрасываемых через сопло в конце работы двигателя. Кроме того, в таких РДТТ существуют ограничения по величине наружного диаметра заряда, связанные с необходимостью обеспечения максимально допустимых скоростей газа в зазоре между наружной поверхностью заряда и камерой двигателя. При малой величине зазора скорости потока газа становятся столь велики, что наступает разрушение камеры сгорания (за счет потери ее несущей способности в результате интенсивного прогрева). Увеличение же зазора, с целью снижения скорости потока и обеспечения прочности камеры сгорания, приводит к уменьшению весового совершенства двигателя, его энергетических характеристик (суммарного импульса тяги). A drawback of plug-in charges with a star-shaped channel is the presence of significant fuel residues (degressive residues) ejected through the nozzle at the end of engine operation. In addition, in such solid propellant rocket motors there are restrictions on the size of the outer diameter of the charge associated with the need to ensure the maximum allowable gas velocities in the gap between the outer surface of the charge and the engine chamber. With a small gap, the gas flow rates become so high that the combustion chamber is destroyed (due to the loss of its bearing capacity as a result of intense heating). The increase in the gap, in order to reduce the flow rate and ensure the strength of the combustion chamber, leads to a decrease in the weighted perfection of the engine, its energy characteristics (total thrust impulse).

Наиболее близкими по конструкции к патентуемому изобретению являются конструкции зарядов, приведенные в патентах ФРГ 2347295 от 24.09.73 г. и Франции 1279419 от 13.11.67 г. По патенту ФРГ заряд выполнен бесканальным, весьма сложной и нетехнологичной конструкции с низкой эксплуатационной надежностью (в части воздействия механических нагрузок). По патенту Франции задача уменьшения дегрессивных остатков в основном решается (но не оптимизируется). В силу скрепления с корпусом двигателя эффект весового совершенства двигателя не достигается, так как углубления на наружной поверхности заряда заполнены металлическими вставками, увеличивающими пассивный вес двигателя. При этом конструкция заряда по данному патенту выполнена скрепленной по наружной поверхности с камерой двигателя и горение осуществляется только по каналу, что снижает тяговооруженность двигателя. The closest in design to the patented invention are the charge structures described in the FRG patents 2347295 from 09.24.73 and France 1279419 from 11.13.67. According to the FRG patent, the charge is made without a channel, it is very complex and low-tech design with low operational reliability (in part mechanical stress). According to the French patent, the task of reducing degressive residues is mainly solved (but not optimized). Due to the bonding with the engine case, the effect of weighted engine perfection is not achieved, since the recesses on the outer surface of the charge are filled with metal inserts that increase the passive weight of the engine. Moreover, the charge design according to this patent is made bonded on the outer surface with the engine chamber and combustion is carried out only on the channel, which reduces the thrust-to-weight ratio of the engine.

Технической задачей изобретения является уменьшение выброса дегрессивных остатков топлива в конце работы двигателя и повышение несущей способности (прочности) камеры сгорания при работе двигателя, а также обеспечение его высокой тяговооруженности. An object of the invention is to reduce the emission of degressive residual fuel at the end of engine operation and increase the bearing capacity (strength) of the combustion chamber during engine operation, as well as ensuring its high thrust-to-weight ratio.

Указанная задача решается за счет следующих особенностей конструкции заряда (фиг. 3):
1) заряд (3) выполняется вкладным всестороннего горения с профилированным каналом;
2) поперечный профиль канала выполняется звездообразным (5);
3) вдоль образующих наружной поверхности заряда, лежащих на осях симметрии выступов звездообразного профиля канала, выполнены углубления (4);
4) ширина выступов звездообразного канала не превышает толщину свода горения заряда.This problem is solved due to the following design features of the charge (Fig. 3):
1) the charge (3) is performed by an all-round insert with a profiled channel;
2) the transverse profile of the channel is star-shaped (5);
3) along the generators of the outer surface of the charge lying on the axis of symmetry of the protrusions of the star-shaped channel profile, recesses (4) are made;
4) the width of the protrusions of the star-shaped channel does not exceed the thickness of the arch of charge burning.

Наличие углублений на наружной поверхности заряда, ориентированных над выступами канала и по числу им равных, позволяет существенно уменьшить массу выбрасываемых остатков топлива (фиг. 4). В то же время наличие указанных углублений увеличивает площадь свободного прохода газов в зазоре "заряд-камера сгорания", что приводит к уменьшению скорости потока в зазоре, уменьшению прогрева камеры и повышению ее несущей способности. При этом величина реализуемого импульса тяги двигателя не снижается, так как исключаемая из процесса горения (за счет углублений) масса топлива не участвует в создании тяги, а выбрасывается через сопло (фиг. 4). С точки зрения повышения жесткости конструкции число лучей канала (и углублений) выбирается нечетным. С целью уменьшения массы выбрасываемых остатков топлива до минимума профили наружной поверхности между углублениями и поверхности канала между выступами выполнены с совпадающими эволютами (эволюта - геометрическое место центров кривизны для всех точек кривой). Данный отличительный признак - совпадение эволют профилей наружной поверхности и поверхности канала - в конструкциях аналога и прототипа отсутствует. В то же время он имеет принципиальный характер для зарядов рассматриваемого класса. В случае отклонения от данного условия в ту или другую сторону неизбежно возрастает выброс остатков топлива в конце работы: в одном случае за счет увеличения дегрессивных остатков А, в другом - за счет преждевременного перегорания топливного кольца в точках A₁ и А₂ и выброса остатков В и несколько уменьшенных остатков А (фиг. 5). Таким образом, условие совпадения эволют минимизирует выброс остатков топлива. При этом для получения положительного эффекта необходимо дополнительно наложить ограничение на ширину выступов канала (2в), которая не должна превышать толщину свода заряда (2е) между выступами (фиг. 5).The presence of recesses on the outer surface of the charge, oriented above the protrusions of the channel and equal in number to them, can significantly reduce the mass of ejected fuel residues (Fig. 4). At the same time, the presence of these recesses increases the area of free passage of gases in the gap "charge-combustion chamber", which leads to a decrease in the flow rate in the gap, a decrease in the heating of the chamber and increase its bearing capacity. In this case, the value of the realized thrust impulse of the engine does not decrease, since the mass of fuel excluded from the combustion process (due to the recesses) does not participate in the creation of the thrust, but is ejected through the nozzle (Fig. 4). From the point of view of increasing structural rigidity, the number of channel beams (and recesses) is chosen odd. In order to reduce the mass of ejected fuel residues to a minimum, the profiles of the outer surface between the recesses and the channel surface between the protrusions are made with coinciding evolutions (Evolution is the geometric location of the centers of curvature for all points of the curve). This distinguishing feature - the coincidence of the evolute profiles of the outer surface and the channel surface - is absent in the structures of the analogue and prototype. At the same time, it has a fundamental character for the charges of the class under consideration. In case of deviation from this condition in one direction or another, the release of fuel residues inevitably increases at the end of work: in one case, due to an increase in degressive residues A, in the other, due to premature burnout of the fuel ring at points A ₁ and A ₂ and the release of residues B and a few reduced residues A (FIG. 5). Thus, the matching condition evolute minimizes the emission of residual fuel. Moreover, to obtain a positive effect, it is necessary to additionally impose a restriction on the width of the channel protrusions (2c), which should not exceed the thickness of the charge vault (2e) between the protrusions (Fig. 5).

Сравнение патентуемой конструкции по сходным признакам с аналогичными приведено в таблице. Comparison of patentable design for similar signs with similar ones is given in the table.

С учетом выполненного сравнения прототипом заявляемой конструкции является конструкция по патенту 1279419 - Франция, как совпадающая с патентуемой по максимальному числу сходных признаков. Given the comparison, the prototype of the claimed design is the design of patent 1279419 - France, as coinciding with the patent for the maximum number of similar features.

Технический результат патентуемого изобретения характеризуется:
1) уменьшением выброса дегрессивных остатков топлива в конце работы двигателя;
2) повышением несущей способности камеры сгорания, либо повышением импульса тяги двигателя.The technical result of the patented invention is characterized by:
1) reducing the release of degressive residual fuel at the end of engine operation;
2) by increasing the bearing capacity of the combustion chamber, or by increasing the engine thrust momentum.

Последний эффект может также выразиться в уменьшении толщины теплозащитного покрытия (ТЗП) камеры сгорания, в уменьшении длины участка камеры сгорания, покрытого ТЗП и т. п. The latter effect can also be expressed in a decrease in the thickness of the heat-shielding coating (TZP) of the combustion chamber, in a decrease in the length of the portion of the combustion chamber coated with TZP, etc.

На фиг. 1 изображен заряд (поперечное сечение) всестороннего горения с цилиндрическим профилем канала:
1 - заряд.In FIG. 1 shows the charge (cross section) of comprehensive combustion with a cylindrical channel profile:
1 - charge.

На фиг. 2 изображен заряд (поперечное сечение) всестороннего горения с каналом звездообразного профиля:
1 - заряд.In FIG. 2 shows the charge (cross section) of comprehensive combustion with a channel of a star-shaped profile:
1 - charge.

На фиг. 3 показана заявляемая конструкция заряда в камере ракетного двигателя:
1 - заряд;
2 - сопловой блок;
3 - камера сгорания;
4 - углубления на наружной поверхности заряда;
5 - выступы профиля канала.In FIG. 3 shows the claimed charge design in the rocket engine chamber:
1 - charge;
2 - nozzle block;
3 - combustion chamber;
4 - recesses on the outer surface of the charge;
5 - protrusions of the channel profile.

На фиг. 4 приведено сравнение остатков топлива для аналога (а) и заявляемой конструкции (б):
6 - профиль наружной поверхности;
7 - профиль горящей поверхности канала в конце работы заряда;
8 - эволюта горящей поверхности канала;
9 - эволюта наружной поверхности.In FIG. 4 shows a comparison of the residual fuel for analogue (a) and the claimed design (b):
6 - profile of the outer surface;
7 - profile of the burning surface of the channel at the end of the charge;
8 - evolution of the burning surface of the channel;
9 - evolution of the outer surface.

На фиг. 5 продемонстрировано увеличение дегрессивных остатков при отклонении от оптимального профиля поперечного сечения заряда:
А, В - дегрессивные остатки;
A₁, A₂ - точки перегорания топливного кольца в конце работы;
2е - толщина свода заряда между выступами;
2в - ширина выступов канала.In FIG. 5 shows an increase in degressive residues when deviating from the optimal profile of the charge cross section:
A, B - degressive residues;
A ₁ , A ₂ - burnout points of the fuel ring at the end of work;
2e - the thickness of the arch of the charge between the protrusions;
2B is the width of the channel protrusions.

Эффективность технического решения характеризуется:
1. Уменьшением выброса остатков топлива в 5-6 раз по сравнению с аналогами.The effectiveness of a technical solution is characterized by:
1. Reducing the emission of residual fuel by 5-6 times in comparison with analogues.

2. Увеличением площади прохода газов в зазоре до 10%. Это позволяет уменьшить толщину стенки камеры сгорания и снизить массу двигателя в целом. 2. An increase in the area of gas passage in the gap to 10%. This allows to reduce the wall thickness of the combustion chamber and to reduce the weight of the engine as a whole.

Работоспособность патентуемой конструкции заряда проверена в процессе стендовых и летных испытаний в составе двигателя и ракеты. The performance of the patented charge design was tested during bench and flight tests as part of the engine and rocket.

Claims

The charge of solid fuel for a rocket engine with a star-shaped channel and recesses along the generators on the outer surface located along the symmetry axes of the protrusions of the star-shaped channel, characterized in that the charge is plug-in and all-round combustion, while the profiles of the sections of the charge channel between the protrusions of the star-shaped channel and the outer surface between the recesses are made with coinciding evolutions, and the width of the protrusions is not greater than the thickness of the arch of charge burning.