RU2213239C2

RU2213239C2 - Rocket engine expandable nozzle

Info

Publication number: RU2213239C2
Application number: RU2001135938A
Authority: RU
Inventors: М.И. Соколовский; З.М. Флоринская; С.Ф. Власов
Original assignee: Открытое акционерное общество Научно-производственное объединение "Искра"
Priority date: 2001-12-27
Filing date: 2001-12-27
Publication date: 2003-09-27

Abstract

FIELD: rocketry. SUBSTANCE: proposed expandable nozzle of rocket engine contains fixed bell mouth, expandable conical head arranged on guide cylinder, stopper, expansion drive and head fixing members. Additional guide support surface is made on stopper from side of engine combustion chamber whose length is not less than head expansion value. Support ring is installed in bell mouth in contact with stopper. Stopper is connected with guide cylinder by means of rigid member guide base on way of head travel providing its coaxial movement within wide range of disturbing side forces. EFFECT: improved operation reliability. 4 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к ракетной технике, а именно к соплам большой степени расширения с телескопически складываемым раструбом, и может быть использовано при создании РДТТ. The invention relates to rocket technology, namely to nozzles of a large degree of expansion with a telescopically folding bell, and can be used to create solid propellant rocket motors.

Известны сопла с изменяемой геометрией раструба в процессе функционирования двигателя, как правило, имеющие укороченную длину в транспортном положении (с телескопически сложенным насадком раструба) и увеличенную длину раструба с выдвинутым насадком в рабочем положении. Known nozzles with variable geometry of the bell during the operation of the engine, as a rule, having a shortened length in the transport position (with a telescopically folded nozzle of the bell) and an increased length of the bell with the nozzle extended in the working position.

Для установки выдвигаемого насадка раструба в рабочее положение применяют различные приводы и механизмы направленного выдвижения насадков раструба с использованием различных видов энергии. To install the extendable nozzle of the socket in the working position, various drives and mechanisms for the directional extension of the nozzle of the socket using various types of energy are used.

Надежность работы сопел с телескопически выдвигаемым насадком раструба обеспечивается способностью механизма направленного движения насадка противостоять боковым силам, действующим в процессе выдвижения насадка раструба, с обеспечением соосности (что особенно важно в конце пути рабочего хода) насадка с неподвижной частью раструба, что обуславливается требованиями механизма фиксации. The reliability of the nozzles with a telescopically extendable nozzle of the socket is ensured by the ability of the nozzle directed movement mechanism to withstand the lateral forces acting during the extension of the nozzle of the socket, with ensuring alignment (which is especially important at the end of the travel path) of the nozzle with the fixed part of the socket, which is caused by the requirements of the fixing mechanism.

Известен патент США 2967393, НКИ 60-35.6, в котором на неподвижной камере сгорания жидкостного ракетного двигателя установлен конический раструб с участком наружной цилиндрической поверхности, на который опирается своей внутренней цилиндрической поверхностью телескопически выдвигаемый, конический насадок. Привод выдвижения насадка (с использованием энергии сжатого газа) выполнен в виде блока гидроцилиндров, симметрично расположенных по периферии неподвижной камеры, жестко соединенных с ее цилиндрической направляющей поверхностью и кольцевым выступом выдвигаемого конического насадка. Длина направляющей цилиндрической поверхности неподвижной камеры больше длины пути выдвижения насадка, а диаметр цилиндрической направляющей поверхности насадка равен наибольшему диаметру неподвижной части раструба камеры сгорания. Known US patent 2967393, NKI 60-35.6, in which a conical bell with a portion of the outer cylindrical surface, on which a telescopically extendable, conical nozzle rests on its inner cylindrical surface, is mounted on a stationary combustion chamber of a liquid rocket engine. The nozzle extension drive (using the energy of compressed gas) is made in the form of a cylinder block symmetrically located on the periphery of the stationary chamber, rigidly connected to its cylindrical guide surface and the annular protrusion of the extendable conical nozzle. The length of the guide cylindrical surface of the stationary chamber is greater than the length of the extension path of the nozzle, and the diameter of the cylindrical guide surface of the nozzle is equal to the largest diameter of the fixed part of the bell of the combustion chamber.

Фиксация подвижного насадка в рабочем положении осуществляется упорами в гидроцилиндрах в конце рабочего хода поршня. Fixation of the movable nozzle in the working position is carried out by stops in the hydraulic cylinders at the end of the piston stroke.

Недостатками конструкции является то, что конструкция не предусматривает сбрасывание элементов направленного выдвижения раструба в рабочее положение, и это приводит к повышению полетной массы конструкции, ухудшает коэффициент весового совершенства сопла и двигателя в целом. Данная конструкция характеризуется большой трудоемкостью в изготовлении из-за необходимости точного изготовления поршневых пар гидроцилиндров для обеспечения осесимметричного приложения усилия выдвижения на гидроцилиндрах, что увеличивает расходы на изготовление. The disadvantages of the design is that the design does not provide for dropping the elements of the directional extension of the socket in the working position, and this leads to an increase in the flight mass of the structure, worsens the coefficient of weight perfection of the nozzle and the engine as a whole. This design is characterized by great laboriousness in manufacturing due to the need for accurate manufacturing of piston pairs of hydraulic cylinders to ensure axisymmetric application of the extension force on the hydraulic cylinders, which increases manufacturing costs.

Известна конструкция телескопического сопла ракетного двигателя (заявка Японии 60-50259 от 30.07.85, МКИ F 02 K 9/97), которая содержит неподвижный конический раструб, конический сдвигаемый насадок, который в зоне меньшего диаметра скреплен с опорным устройством направленного выдвижения, выполненного в виде тонкостенной направляющей цилиндрической оболочки, скрепленной с выпуклой в сторону неподвижного раструба диафрагмой, с размещенным на ней газогенератором. A known design of a telescopic nozzle for a rocket engine (Japanese application 60-50259 from 07.30.85, MKI F 02 K 9/97), which contains a fixed conical bell, a tapered movable nozzle, which is fastened in the smaller diameter zone with a support device of directional extension made in in the form of a thin-walled guide of a cylindrical shell, fastened with a diaphragm convex towards the stationary bell, with a gas generator placed on it.

В зоне наименьшего диаметра сопла установлена заглушка, образующая замкнутую полость, совместно с внутренней конической поверхностью неподвижного раструба сопла, внутренней поверхностью цилиндрической направляющей оболочки и диафрагмой. Указанная замкнутая полость в совокупности с размещенным газогенератором на выпуклой стороне диафрагмы выполняют роль привода выдвижения насадка. In the zone of the smallest diameter of the nozzle, a plug is installed that forms a closed cavity, together with the inner conical surface of the fixed nozzle socket, the inner surface of the cylindrical guide shell and the diaphragm. The specified closed cavity in conjunction with the placed gas generator on the convex side of the diaphragm act as a drive extension nozzle.

В зоне наибольшего диаметра неподвижного раструба сопла установлен механизм фиксации насадка в рабочем положении, выполненный в виде цангового механизма. In the zone of the largest diameter of the fixed nozzle socket, a nozzle fixing mechanism is installed in the working position, made in the form of a collet mechanism.

Устройство направленного выдвижения сгорает после завершения процесса выдвижения насадка. Крепление сдвигаемого насадка в транспортном положении осуществляется разрывными связями к днищу камеры двигателя. Диаметр цилиндрической направляющей оболочки равен наибольшему диаметру неподвижной части раструба сопла. The directional extension device burns out after completion of the extension process of the nozzle. Fastening the movable nozzle in the transport position is carried out by breaking bonds to the bottom of the engine chamber. The diameter of the cylindrical guide shell is equal to the largest diameter of the fixed part of the nozzle socket.

Недостатком конструкции является то, что единственная кольцевая зона подвижного контакта (база направления) цилиндрической оболочки опорного устройства направленного выдвижения насадка выполнена относительно малой длины в осевом направлении насадка. Это может приводить к нарушению соосного движения насадка под действием боковых сил различного характера, направленных под некоторым углом к оси насадка. Ими могут быть, в частности, массовые силы инерции и скоростного напора (в случае движения в плотных слоях атмосферы). The disadvantage of the design is that the only annular zone of the movable contact (base direction) of the cylindrical shell of the support device for the directional extension of the nozzle is made of relatively small length in the axial direction of the nozzle. This can lead to a violation of the coaxial movement of the nozzle under the action of lateral forces of a different nature, directed at an angle to the axis of the nozzle. They can be, in particular, the mass forces of inertia and velocity pressure (in the case of movement in dense layers of the atmosphere).

Увеличение же направляющей базы в осевом направлении может быть осуществлено увеличением длины цилиндрических направляющих поверхностей, что приводит к воспроизведению конструкции по патенту США 2967393 и соответственно к утяжелению конструкции. The increase of the guide base in the axial direction can be carried out by increasing the length of the cylindrical guide surfaces, which leads to the reproduction of the structure according to US patent 2967393 and, accordingly, to the weight of the structure.

Технической задачей предлагаемого изобретения является устранение указанных недостатков конструкции путем создания направляющего устройства, способного воспринимать возмущающие боковые силы при выдвижении насадка, с обеспечением в конце пути движения насадка соосного подхода его к механизму фиксации на неподвижном раструбе. The technical task of the invention is to remedy these design flaws by creating a guiding device capable of absorbing disturbing lateral forces when extending the nozzle, while ensuring that the nozzle coaxially approaches the fixation mechanism on the fixed bell at the end of the path of the nozzle.

Решение задачи осуществляется тем, что в известном сопле образована дополнительная опорная поверхность на заглушке со стороны камеры сгорания двигателя, например, в виде цилиндра, имеющая длину не менее пути выдвижения насадка, а внутри раструба установлено контактирующее с ней опорное кольцо, при этом заглушка соединена жесткими элементами с направляющим цилиндром. The problem is solved by the fact that in the known nozzle an additional supporting surface is formed on the plug from the side of the combustion chamber of the engine, for example, in the form of a cylinder having a length not less than the extension path of the nozzle, and a support ring contacting it is installed inside the socket, while the plug is connected by rigid elements with a guide cylinder.

Предлагаемое решение технической задачи поясняется фиг.1, где изображено сопло с выдвигаемым насадком, а на фиг.2, 3, 4 изображены варианты его исполнения. The proposed solution to the technical problem is illustrated in figure 1, which shows the nozzle with a retractable nozzle, and figure 2, 3, 4 shows options for its execution.

Раздвижное сопло (см. фиг.1) содержит выдвигаемый насадок 1, коаксиально размещенный относительно неподвижного раструба 2, в котором в зоне наименьшего диаметра при помощи жестких средств крепления установлено опорное кольцо 3. Насадок 1 соединен с опорным устройством направленного выдвижения насадка, выполненным в виде жесткой конструкции направляющего цилиндра 4, соединенного с заглушкой 5 жестким элементом, например, в виде стержней или конической оболочки 6. Заглушка 5 герметизирована шнуром 7 и снабжена направляющей опорной поверхностью 8, подвижно контактирующей с опорным кольцом 3. Длина дополнительной направляющей опорной поверхности 8 больше или равна пути выдвижения насадка,
L_нас≥L_выдв
Приводом выдвижения насадка 1 является заглушка 5, использующая перепад давлений между внутренней полостью двигателя и наружной средой. Перепад давления может быть осуществлен исходным давлением воздуха (например, 1 атм) в камере двигателя, находящимся на момент сборки изделия, и давлением в окружающей среде к моменту начала выдвижения насадка, которое значительно меньше, чем в полости двигателя.The expanding nozzle (see FIG. 1) contains an extendable nozzle 1, coaxially placed relative to a fixed bell 2, in which a support ring 3 is mounted in the zone of the smallest diameter by means of rigid fastening means. The nozzle 1 is connected to a support device of directional extension of the nozzle, made in the form rigid construction of the guide cylinder 4 connected to the plug 5 by a rigid element, for example, in the form of rods or a conical shell 6. The plug 5 is sealed with a cord 7 and provided with a guide bearing surface w 8 slidably contacting the support ring 3. The length of the additional guide bearing surface 8 is greater than or equal to the extension path of the nozzle,
L _us ≥L _ext
The extension drive of the nozzle 1 is a plug 5, using a pressure differential between the internal cavity of the engine and the external environment. The pressure drop can be made by the initial air pressure (for example, 1 atm) in the engine chamber located at the time of assembly of the product and the pressure in the environment at the time the nozzle begins to extend, which is much less than in the engine cavity.

Предлагаемое техническое решение позволяет при отработке конструкции осуществить регулировку движущей силы на насадке 1 для получения заданной кинетической энергии фиксации насадка. Это достигается выполнением дополнительной опорной поверхности 8 с отверстиями 10 (см. фиг.2), которые обеспечивают истечение через них газа с взаимодействием его с конической оболочкой 6, соединяющей заглушку 5 с направляющим цилиндром 4, что изменяет в сторону увеличения или уменьшения движущую силу на насадке. The proposed technical solution allows for the development of the structure to adjust the driving force on the nozzle 1 to obtain a given kinetic energy of fixation of the nozzle. This is achieved by performing an additional supporting surface 8 with holes 10 (see FIG. 2), which allow gas to flow through them with its interaction with a conical shell 6 connecting the plug 5 with the guide cylinder 4, which changes the driving force by increasing or decreasing nozzle.

При выполнении соединения заглушки 5 с направляющим цилиндром 4 в виде конической оболочки 6 (см. фиг.2) в процессе выдвижения к движущей силе от давления на заглушку 5 добавляется сила от давления на коническую оболочку 6 газа, прошедшего через отверстия 10 в дополнительной направляющей опорной поверхности 8. When connecting the plug 5 to the guide cylinder 4 in the form of a conical shell 6 (see FIG. 2), during the extension to the driving force from the pressure on the plug 5, the force from the pressure on the conical shell 6 of the gas passing through the holes 10 in the additional supporting guide is added surface 8.

Для более глубокого регулирования движущей силы по мере выдвижения насадка 1 в конической оболочке 6 могут быть выполнены профилированные отверстия 12 (см. фиг.4). Тем самым при выдвижении насадка 1 к движущей силе от давления на заглушку 5 добавляется сила от истекающего газа, прошедшего через отверстия 10, на коническую оболочку 6 меньшей площади. For deeper control of the driving force as the nozzle 1 extends, shaped holes 12 can be made in the conical shell 6 (see FIG. 4). Thus, when the nozzle 1 is extended to the driving force from the pressure on the plug 5, the force from the outgoing gas passing through the holes 10 is added to the conical shell 6 of a smaller area.

С открытием отверстий 10 в направляющей опорной поверхности 8 и их различным сочетанием с отверстиями 10 в конической оболочке 6 и отверстий 11 в направляющем цилиндре 4 (см. фиг.4) может быть значительно расширена область регулирования скорости движения насадка по пути его движения за счет изменения величины движущей силы. With the opening of the holes 10 in the guide bearing surface 8 and their various combinations with the holes 10 in the conical shell 6 and the holes 11 in the guide cylinder 4 (see Fig. 4), the range of regulation of the speed of the nozzle along its path of movement can be significantly expanded by changing magnitude of the driving force.

Сопло по варианту 1 работает следующим образом. The nozzle according to option 1 works as follows.

После подачи команды на раздвижку до запуска двигателя устраняются жесткие связи насадка 1 с раструбом неподвижным 2 (на фиг.1 не показаны), насадок 1 вместе с направляющим цилиндром 4 и заглушкой 5 с направляющей опорной поверхностью 8 перемещаются до фиксации насадка 1 на раструбе неподвижном 2. Боковые силы, действующие на насадок 1 и стремящиеся вывести его из соосного положения с раструбом неподвижным 2, воспринимаются направляющим устройством на увеличенной направляющей базе L_баз (расстояние между опорным кольцом 3 и срезом раструба неподвижного 2), которая остается постоянной до конца пути выдвижения насадка (см. фиг.1). По окончании раздвижки цилиндр 4 сбрасывается (например, отгоранием в потоке газов или разрушением по калибровочной перемычке от инерционных сил в момент фиксации насадка 1) и одновременно с ним сбрасываются заглушка 5 с направляющей опорной поверхностью 8, коническая оболочка 6 (см. фиг.2).After the sliding command is given, before starting the engine, the rigid connections of the nozzle 1 with the socket fixed 2 (not shown in Fig. 1) are eliminated, the nozzles 1 together with the guide cylinder 4 and the plug 5 with the guide bearing surface 8 are moved until the nozzle 1 is fixed on the socket fixed 2 The lateral forces acting on the nozzles 1 and trying to bring it out of alignment with the bell fixed 2 are perceived by the guiding device on the enlarged guide base L of the _bases (the distance between the support ring 3 and the shear movable 2), which remains constant until the end of the extension path of the nozzle (see figure 1). At the end of the expansion, the cylinder 4 is reset (for example, by combustion in the gas stream or destruction by a calibration jumper from inertial forces at the moment of fixation of the nozzle 1) and at the same time, the plug 5 with the guide supporting surface 8, the conical shell 6 are reset (see Fig. 2) .

В случае раздвижки раструба сопла по варианту 2 (см. фиг.3) после прохождения профилированных отверстий 10 на направляющей опорной поверхности 8 заглушки 5 через опорное кольцо 3 к движущей силе от давления на заглушку добавляется сила от давления на коническую оболочку 6 газа (воздуха), прошедшего в полость 9. In the case of extension of the nozzle nozzle according to option 2 (see FIG. 3), after the profiled holes 10 pass on the guide bearing surface 8 of the plug 5 through the support ring 3, the force from the pressure on the conical shell 6 of the gas (air) is added to the driving force from the pressure on the plug passed into cavity 9.

В конструкции сопла по варианту 3 (см. фиг.3), регулируя давление в полости заглушки с помощью вскрываемых отверстий 10 в направляющей опорной поверхности 8 и отверстий 11 в направляющем цилиндре 4 по мере выдвижения насадка 1, можно задать любой закон движения (скорость) насадка. In the design of the nozzle according to option 3 (see Fig. 3), by adjusting the pressure in the cavity of the plug using the openings 10 in the guide bearing surface 8 and the holes 11 in the guide cylinder 4 as the nozzle 1 extends, any law of movement (speed) can be set nozzle.

Конструкция сопла по варианту 4 (см. фиг.4) предусматривает выполнение отверстий 12 в конической оболочке 6 для сбрасывания давления газа из полости 9. The nozzle design according to option 4 (see figure 4) provides for the holes 12 in the conical shell 6 to relieve gas pressure from the cavity 9.

Данная конструкция направляющего устройства позволяет иметь постоянную направляющую базу на пути движения насадка, обеспечивая его соосное движение в широком диапазоне возмущающих боковых сил, и, тем самым, обеспечивать надежную стыковку с раструбом неподвижным. This design of the guide device allows you to have a constant guide base on the path of movement of the nozzle, ensuring its coaxial movement in a wide range of perturbing lateral forces, and, thus, ensure a reliable connection with the socket stationary.

Использование внутренней полости двигателя для размещения части направляющего устройства на заглушке позволяет не увеличивать габариты сопла и двигателя. The use of the internal cavity of the engine to place part of the guide device on the plug allows you to not increase the dimensions of the nozzle and engine.

Использование заглушки в качестве привода выдвижения насадка исключает необходимость наличия специального приводного устройства и средств его задействования с системой управления. Это ведет к снижению полетной массы сопла и двигателя в целом. Кроме того, сбрасывание частей устройства направленного выдвижения насадка снижает полетную массу сопла. The use of a plug as a drive extension nozzle eliminates the need for a special drive device and means of its involvement with the control system. This leads to a decrease in the flight mass of the nozzle and the engine as a whole. In addition, dropping parts of the device of the directional extension of the nozzle reduces the flight mass of the nozzle.

Claims

1. A sliding nozzle of a rocket engine containing a fixed bell placed on a guide cylinder a retractable conical nozzle, a plug, an extension drive and fixing elements of the nozzle, characterized in that an additional guide bearing surface having a length of at least a path is made on the plug from the side of the combustion chamber of the engine extension of the nozzle, and a support ring contacting it is installed in the socket, while the plug is connected by a rigid element, for example, in the form of a conical shell, with a guide cylinder Indrom.

2. The sliding nozzle of a rocket engine according to claim 1, characterized in that the additional guide bearing support surface is made in the form of a cylinder, on the side surface of which profiled holes are made.

3. The sliding nozzle of a rocket engine according to any one of p. 1 or 2, characterized in that profiled holes are formed on the guide cylinder of the conical nozzle.

4. The sliding nozzle of a rocket engine according to any one of paragraphs. 1-3, characterized in that profiled holes are made on the conical shell.