RU2443897C1

RU2443897C1 - Solid-propellant rocket engine plug

Info

Publication number: RU2443897C1
Application number: RU2010128198/06A
Authority: RU
Inventors: Ефим Исаакович Иоффе (RU); Ефим Исаакович Иоффе; Сергей Викторович Лянгузов (RU); Сергей Викторович Лянгузов; Сергей Витальевич Огнев (RU); Сергей Витальевич Огнев
Original assignee: Открытое акционерное общество Научно-производственное объединение "Искра"
Priority date: 2010-07-07
Filing date: 2010-07-07
Publication date: 2012-02-27

Abstract

FIELD: engines and pumps.

SUBSTANCE: proposed plug is intended for solid-propellant rocket engine operated underwater and started after its expulsion by powder pressure accumulator from launching container. Said plug comprises guide cylinder accommodating emergent flooding valve locked by emergency retainer. The latter is set to operated when external pressure acts on emergent flooding valve that corresponds to tolerable pressure of emergent dive. Guide cylinder is provided with radial openings, while emergent flooding valve is made up of plunger with its shaft extending into rocket engine inner chamber. Shaft diameter is smaller than that of plunger. Nearby guide cylinder outer face arranged is reciprocating piston locked by launch retainer set to operated when external pressure acts on said piston that corresponds to tolerable pressure of emergent dive. Plunger weight exceeds that of the piston.

EFFECT: higher reliability and simplified design.

3 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к ракетной технике и может быть использовано при создании заглушки ракетного двигателя твердого топлива (РДТТ), эксплуатирующегося под водой и запускаемого после его выталкивания пороховым аккумулятором давления (ПАДом) из пускового контейнера.The invention relates to rocket technology and can be used to create plugs for a solid fuel rocket engine (solid propellant rocket engine) operated under water and launched after it is pushed out by a powder pressure accumulator (PAD) from a launch container.

Известно, что в состав РДТТ входит заглушка, герметизирующая его внутреннюю полость [Ерохин Б.Т. Теория внутрикамерных процессов и проектирование РДТТ: Учебник для высших технических учебных заведений. - М.: Машиностроение, 1991. 560 с.: ил., страница 14, рисунок 1.4, позиция 14]. Эксплуатация РДТТ под водой выдвигает необходимость усовершенствования конструкции заглушки. При аварийном погружении РДТТ на глубину, превышающую расчетное значение, наружное гидростатическое давление воды разрушает корпус РДТТ. Таким образом, для исключения перепада давления на корпусе РДТТ, появляется задача разгерметизации заглушки при действии на нее наружного давления, превышающего критическое значение. Такие заглушки известны [Конструкции ракетных двигателей на твердом топливе. /Под общ. ред. Л.Н.Лаврова. - М.: Машиностроение, 1993 - 215 с., ил., страница 163, второй абзац]. Клапан аварийного затопления зафиксирован относительно заглушки фиксатором (например, штифтом или винтом с механически разрушаемым ослабленным звеном). Недостатком указанных заглушек является невозможность их использования в РДТТ, запускаемом после его выталкивания пороховым аккумулятором давления (ПАДом) из пускового контейнера. При воздействии на заглушку давления, развиваемого ПАДом (а это давление может доходить до 10-15 кг/см², т.е. превышать расчетное (3-5 кг/см²) наружное давление разрушения цилиндрической обечайки корпуса), произойдет разгерметизация заглушки вследствие срабатывания клапана аварийного затопления. При наличии стартового ПАДа требуется принудительное вскрытие клапана аварийного затопления пиросредством, используемым в качестве фиксатора.It is known that the composition of the solid propellant rocket motor includes a plug that seals its internal cavity [B. Erokhin Theory of internal chamber processes and design of solid propellant rocket engines: Textbook for higher technical educational institutions. - M.: Engineering, 1991. 560 p.: Ill., Page 14, figure 1.4, position 14]. Operation of solid propellant rocket motors under water makes it necessary to improve the design of the plug. In case of emergency immersion of solid propellant rocket engine to a depth exceeding the calculated value, the external hydrostatic pressure of water destroys the solid rocket motor housing. Thus, in order to exclude the pressure drop across the solid-propellant rocket motor housing, the problem arises of depressurization of the plug when external pressure exceeds a critical value. Such plugs are known [Solid rocket engine designs. / Under the total. ed. L.N. Lavrova. - M .: Engineering, 1993 - 215 p., Ill., Page 163, second paragraph]. The emergency flooding valve is fixed relative to the plug by a latch (for example, a pin or screw with a mechanically destructible weakened link). The disadvantage of these plugs is the inability to use them in a solid propellant rocket, launched after it is pushed out by a powder pressure accumulator (PAD) from the launch container. When the pressure generated by the PAD is applied to the plug (and this pressure can reach 10-15 kg / cm ² , i.e., exceed the calculated (3-5 kg / cm ² ) external fracture pressure of the cylindrical shell of the housing), the plug will be depressurized due to actuation of the emergency flooding valve. In the presence of a starting PAD, a forced opening of the emergency flooding valve is required with the pyro-agent used as a retainer.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому положительному эффекту к предлагаемому изобретению является заглушка узла отсечки тяги [Конструкции ракетных двигателей на твердом топливе. /Под общ. ред. Л.Н.Лаврова. - М.: Машиностроение, 1993 - 215 с., ил., страницы 170, 171, рис.4.8]. Заглушка содержит клапан, установленный, например, в направляющем цилиндре. Клапан зафиксирован фиксатором. Недостатком представленной конструкции является то, что фиксатором является пиросредство, управляемое специальными электрическими командами. Управление клапаном аварийного затопления по электрическим командам и наличие в заглушке пиросредств существенно усложняет конструкцию не только заглушки, а ракеты в целом, снижает их надежность.The closest in technical essence and the achieved positive effect to the proposed invention is a plug knot cutoff thrust [Design of rocket engines on solid fuel. / Under the total. ed. L.N. Lavrova. - M.: Engineering, 1993 - 215 p., Ill., Pages 170, 171, Fig. 4.8]. The plug includes a valve mounted, for example, in a guide cylinder. The valve is locked in place. The disadvantage of this design is that the latch is pyromedicine controlled by special electrical commands. Controlling the emergency flooding valve by electric commands and the presence of pyromedicines in the plug significantly complicates the design of not only the plugs, but the rockets as a whole, and reduces their reliability.

Технической задачей настоящего изобретения является расширение функциональных возможностей заглушки, обеспечение возможности использования клапана аварийного затопления в автоматическом режиме на заглушке, подверженной воздействию стартового ПАДа, при обеспечении простоты конструкции заглушки и повышение ее надежности.The technical task of the present invention is to expand the functionality of the plug, providing the possibility of using the emergency flooding valve in automatic mode on the plug exposed to the starting PAD, while ensuring the simplicity of the design of the plug and increasing its reliability.

Сущность изобретения заключается в том, что в заглушке ракетного двигателя твердого топлива, установленной в сопловом блоке, содержащей направляющий цилиндр с установленным в нем с возможностью продольного перемещения клапаном аварийного затопления, зафиксированным аварийным фиксатором, рассчитанным на срабатывание при воздействии на клапан аварийного затопления наружного давления, соответствующего предельно допустимому давлению при аварийном погружении, причем на направляющем цилиндре выполнены радиальные окна, клапан аварийного затопления выполнен в виде плунжера, имеющего выведенный во внутреннюю полость РДТТ хвостовик, причем диаметр хвостовика меньше диаметра плунжера. В непосредственной близости от наружного торца направляющего цилиндра в нем установлен с возможностью продольного перемещения поршень, зафиксированный стартовым фиксатором, рассчитанным на срабатывание при воздействии на поршень наружного давления, превышающего предельно допустимое давление при аварийном погружении. Масса плунжера превышает массу поршня. Заглушка может быть снабжена обратным клапаном. Заглушка может быть снабжена фиксатором.The essence of the invention lies in the fact that in the plug of the rocket engine of solid fuel installed in the nozzle block containing a guide cylinder with a longitudinal flooding valve installed in it with the possibility of longitudinal movement, it is fixed by an emergency lock, designed to operate when the emergency flooding valve is exposed to external pressure, corresponding to the maximum permissible pressure during emergency immersion, moreover, radial windows are made on the guide cylinder, the valve is emergency of flooding configured as a plunger having outputted the inner cavity SPRM shank, wherein the shank diameter is less than the diameter of the plunger. In the immediate vicinity of the outer end of the guide cylinder, a piston is mounted in it with the possibility of longitudinal movement, which is fixed by a starting lock, designed to operate when the piston is exposed to external pressure that exceeds the maximum permissible pressure during emergency immersion. The mass of the plunger exceeds the mass of the piston. The plug may be equipped with a check valve. The plug may be provided with a latch.

Иными словами, сущность изобретения заключается в том, что клапан аварийного затопления при действии на него высокого давления стартового ПАДа остается закрытым, а при воздействии гораздо меньшего гидростатического давления воды при аварийном погружении автоматически (без дополнительных команд) открывается.In other words, the essence of the invention lies in the fact that the emergency flooding valve, when exposed to the high pressure of the starting PAD, remains closed, and when exposed to a much lower hydrostatic water pressure during emergency immersion, it automatically opens (without additional commands).

Технический результат достигается за счет блокировки плунжера поршнем в результате одновременного срабатывания аварийного и стартового фиксаторов. Одновременное срабатывание аварийного и стартового фиксаторов обусловлено высоким градиентом нарастания давления при работе стартового ПАДа, когда давление от 3-5 кг/см²увеличивается до 10-15 кг/см² за время, не превышающее 0,01-0,05 секунды. С точки зрения механического движения плунжера и поршня такой временной разницей можно пренебречь. Блокировка обеспечивается за счет того, что разные ускорения (соответственно разные перемещения) плунжера и поршня приводят к их встрече в момент, когда перемещение плунжера относительно его исходного положения незначительно (несколько миллиметров) и не приводит к разгерметизации плунжера. Разные перемещения обеспечиваются по двум причинам. Во-первых, отношение площади F поршня к площади f плунжера (по кольцу) больше единицы (зависит от относительного диаметра хвостовика). Во-вторых, отношение массы М плунжера к массе m поршня также больше единицы. Можно показать, что путь L, проходимый поршнем, относится к пути l, проходимым плунжером, какThe technical result is achieved by blocking the plunger with a piston as a result of the simultaneous operation of the emergency and starting clamps. The simultaneous operation of the emergency and starting clamps is due to the high gradient of pressure buildup during the operation of the starting pad, when the pressure from 3-5 kg / cm ² increases to 10-15 kg / cm ² for a time not exceeding 0.01-0.05 seconds. From the point of view of the mechanical movement of the plunger and piston, such a temporary difference can be neglected. Blocking is ensured due to the fact that different accelerations (respectively different movements) of the plunger and piston lead to their meeting at the moment when the movement of the plunger relative to its initial position is insignificant (several millimeters) and does not lead to depressurization of the plunger. Different movements are provided for two reasons. Firstly, the ratio of the piston area F to the plunger area f (along the ring) is greater than unity (depending on the relative diameter of the shank). Secondly, the ratio of the mass M of the plunger to the mass m of the piston is also greater than unity. It can be shown that the path L traveled by the piston refers to the path l traveled by the plunger as

Т.е., если соотношения площадей F/f и масс М/m составляют по 5-10, то, согласно (1), на каждый миллиметр пути, проходимого плунжером, приходится 25-100 мм пути, проходимого поршнем. Соответственно, путь, пройденный плунжером к моменту столкновения, незначителен и не приводит к разгерметизации хвостовика. При высоком давлении клапан аварийного затопления остается закрытым, а при сравнительно низком давлении, соответствующем аварийному затоплению, он открывается. Указанное техническое решение позволят использовать механические фиксаторы, исключив пиросредство, управляемое специальными электрическими командами. Тем самым достигается простота конструкции заглушки и повышение ее надежности.That is, if the ratio of the areas F / f and the masses M / m are 5-10, then, according to (1), for each millimeter of the path traveled by the plunger, there are 25-100 mm of the path traveled by the piston. Accordingly, the path traveled by the plunger to the moment of collision is insignificant and does not lead to depressurization of the liner. At high pressure, the emergency flooding valve remains closed, and at a relatively low pressure corresponding to emergency flooding, it opens. The specified technical solution will allow the use of mechanical clamps, eliminating pyromedicine controlled by special electrical commands. This ensures the simplicity of the design of the stub and increase its reliability.

Данное техническое решение не известно из патентной и технической литературы.This technical solution is not known from the patent and technical literature.

Изобретение поясняется следующим графическим материалом.The invention is illustrated by the following graphic material.

На фиг.1 показан продольный разрез заглушки РДТТ в исходном состоянии.Figure 1 shows a longitudinal section of a solid rocket motor plug in the initial state.

На фиг.2 показан продольный разрез заглушки РДТТ в состоянии, соответствующем началу действия ПАДа при старте (при столкновении плунжера и поршня).Figure 2 shows a longitudinal section of the plug of the solid propellant rocket motor in the state corresponding to the beginning of the action of the PAD at the start (in the collision of the plunger and piston).

На фиг.3 показан продольный разрез заглушки РДТТ в состоянии, соответствующем окончанию действия ПАДа при старте (при поджатии плунжера поршнем).Figure 3 shows a longitudinal section of the plug of the solid propellant rocket motor in the state corresponding to the end of the PAD action at start (when the plunger is pressed by the piston).

На фиг.4 показан продольный разрез заглушки РДТТ в состоянии открытого клапана аварийного затопления.Figure 4 shows a longitudinal section of a solid propellant plug in the state of an open emergency flooding valve.

Заглушка 1 ракетного двигателя твердого топлива установлена в сопловом блоке 2 РДТТ. Заглушка 1 опирается на сопловой блок 2 таким образом, чтобы наружное давление не приводило к ее разгерметизации, а внутрикамерное давление обеспечивало беспрепятственный вылет заглушки 1. Заглушка 1 содержит направляющий цилиндр 3 с установленным в нем с возможностью продольного перемещения клапаном аварийного затопления. Клапан аварийного затопления выполнен в виде плунжера 4, имеющего выведенный во внутреннюю полость РДТТ хвостовик 5. Диаметр хвостовика 5 меньше диаметра плунжера 4. Плунжер 4 зафиксирован относительно крестовины 6 аварийным фиксатором 7, рассчитанным на срабатывание при воздействии на клапан аварийного затопления наружного давления, соответствующего предельно допустимому давлению при аварийном погружении. На направляющем цилиндре 3 выполнены радиальные окна 8. В непосредственной близости от наружного торца направляющего цилиндра 3 в нем установлен с возможностью продольного перемещения поршень 9. Поршень 9 зафиксирован стартовым фиксатором 10, рассчитанным на срабатывание при воздействии на поршень 9 наружного давления, превышающего предельно допустимое давление при аварийном погружении. Масса М плунжера 4 превышает массу m поршня 9. Отношение площади F поршня 9 к площади f плунжера 4 (по кольцу, образованному между диаметром плунжера 4 и диаметром хвостовика 5) больше единицы (зависит от относительного диаметра хвостовика 5). Для предотвращения преждевременной разгерметизации внутренней полости РДТТ в процессе его запуска (до момента, когда заглушка 1 вышибается из сопла продуктами сгорания как единое целое), заглушка 1 снабжена дополнительным узлом. Дополнительный узел может быть выполнен по одному из нескольких вариантов. В одном варианте дополнительным узлом является обратный клапан 11. В другом варианте дополнительным узлом является фиксатор 12. Фиксатор 12 может быть выполнен в виде цанги или подпружиненного элемента. На фиг.1-4 условно одновременно изображены и обратный клапан 11, и фиксатор 12.The plug 1 of the rocket engine of solid fuel is installed in the nozzle block 2 of the solid propellant rocket engine. The plug 1 rests on the nozzle block 2 so that the external pressure does not lead to its depressurization, and the internal chamber pressure ensures the unimpeded departure of the plug 1. The plug 1 contains a guide cylinder 3 with an emergency flooding valve installed in it with the possibility of longitudinal movement. The emergency flooding valve is made in the form of a plunger 4 having a shank 5. The diameter of the shank 5 is smaller than the diameter of the plunger 4. The plunger 4 is fixed relative to the spider 6 with an emergency lock 7, designed to operate when the emergency flooding valve exerts external pressure corresponding to the maximum permissible pressure during emergency diving. Radial windows 8 are made on the guiding cylinder 3. In the immediate vicinity of the outer end of the guiding cylinder 3, a piston 9 is mounted with the possibility of longitudinal movement. The piston 9 is fixed with a starting lock 10, designed to operate when the piston 9 is exposed to external pressure exceeding the maximum permissible pressure during emergency diving. The mass M of the plunger 4 exceeds the mass m of the piston 9. The ratio of the area F of the piston 9 to the area f of the plunger 4 (the ring formed between the diameter of the plunger 4 and the diameter of the shank 5) is greater than unity (depends on the relative diameter of the shank 5). To prevent premature depressurization of the internal cavity of the solid propellant rocket during its start-up (until the plug 1 is knocked out of the nozzle by combustion products as a whole), plug 1 is equipped with an additional unit. An additional node may be performed according to one of several options. In one embodiment, the additional unit is a check valve 11. In another embodiment, the additional unit is a latch 12. The latch 12 can be made in the form of a collet or a spring element. Figure 1-4 conditionally simultaneously depicted and the check valve 11, and the latch 12.

Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.

При штатной эксплуатации РДТТ на него наружное избыточное давление практически не действует. Соответственно, обеспечивается герметичность стыков между сопловым блоком 2 и заглушкой 1, а также между заглушкой 1 и хвостовиком 5.During normal operation of the solid propellant rocket motor, external overpressure practically does not affect it. Accordingly, the joints are tight between the nozzle block 2 and the plug 1, as well as between the plug 1 and the shank 5.

При запуске ракеты срабатывает ПАД, продукты сгорания которого под сравнительно высоким давлением (которое может доходить до 10-15 кг/см²) выталкивают ракету из пускового контейнера. Указанное давление действует на заднее днище корпуса РДТТ (несущая способность которого выше, чем у цилиндрической обечайки корпуса) и на заглушку 1. Под воздействием указанного давления одновременно срабатывают аварийный 7 и стартовый 10 фиксаторы. Плунжер 4 и поршень 9 по направляющему цилиндру 3 перемещаются друг к другу (см. фиг.2). Путь, пройденный плунжером 4 к моменту столкновения с поршнем 9, незначителен (см. выражение (1) и не приводит к разгерметизации хвостовика 5. После столкновения плунжер 4 совместно с поршнем 9 под действием давления на площадь поперечного сечения хвостовика 5 (т.е. на площадь, составляющую разницу площадей поршня 9 и плунжера 4) прижимается к крестовине 6 (см. фиг.3). Клапан аварийного затопления практически сохраняет свое исходное положение. На данный момент заглушка обеспечивает герметичность внутренней полости РДТТ. На следующем этапе полета ракеты подается команда на запуск РДТТ. В начале подъема внутрикамерного давления заглушка 1 продолжает обеспечивать свою герметичность, что обеспечивается следующим. Обратный клапан 11 (если конструкция выполнена по варианту, содержащему обратный клапан 11) остается в закрытом положении и не допускает продукты сгорания к плунжеру 4. В другом варианте конструкции, содержащей фиксатор 12, поршень 9 посредством фиксатора 12 удерживает плунжер 4, не давая ему перемещаться под действием продуктов сгорания. При достижении значения внутрикамерного давления, соответствующего заданному давлению, срабатывания заглушки, продукты сгорания РДТТ вышибают заглушку 1 из соплового блока 2.When a rocket is launched, a PAD is triggered, the combustion products of which under relatively high pressure (which can reach 10-15 kg / cm ² ) push the rocket out of the launch container. The specified pressure acts on the rear bottom of the solid propellant rocket motor housing (the bearing capacity of which is higher than that of the cylindrical shell of the housing) and on the plug 1. Under the influence of the specified pressure, emergency 7 and start 10 latches are simultaneously triggered. The plunger 4 and the piston 9 along the guide cylinder 3 are moved towards each other (see figure 2). The path traveled by the plunger 4 to the moment of collision with the piston 9 is insignificant (see expression (1) and does not lead to depressurization of the shank 5. After the collision, the plunger 4 together with the piston 9 under pressure on the cross-sectional area of the shank 5 (i.e. on the area that makes up the difference between the areas of the piston 9 and the plunger 4) is pressed against the crosspiece 6 (see figure 3). The emergency flooding valve almost maintains its original position. At the moment, the plug provides tightness of the internal cavity of the solid propellant rocket engine. At the next stage of flight p At the beginning of raising of the chamber pressure, the plug 1 continues to ensure its tightness, which is ensured by the following: Non-return valve 11 (if the design is made according to the version containing non-return valve 11) remains in the closed position and does not allow combustion products to the plunger 4 In another embodiment, the design containing the latch 12, the piston 9 by means of the latch 12 holds the plunger 4, preventing it from moving under the action of combustion products. Upon reaching the value of the intracameral pressure corresponding to the given pressure, the operation of the plug, the combustion products of the solid propellant rocket motor knock the plug 1 out of the nozzle block 2.

При нештатной эксплуатации РДТТ происходит его аварийное погружение под водой на глубины, соответствующие гидростатическому давлению 3-5 кг/см². Под воздействием этого относительно низкого давления срабатывает только аварийный фиксатор 7. Плунжер 4 перемещается к неподвижному поршню 9 (см. фиг.4). Происходят разгерметизация хвостовика 5 и открытие окон 8. Если конструкция выполнена по варианту, содержащему обратный клапан 11, то происходит открытие обратного клапана 11. Вода поступает во внутреннюю полость РДТТ, исключая перепад давления на его корпусе. Тем самым исключается разрушение корпуса РДТТ, т.е. обеспечивается его безопасность.During abnormal operation of the solid propellant rocket engine its emergency immersion under water to depths corresponding to hydrostatic pressure of 3-5 kg / cm ² occurs. Under the influence of this relatively low pressure, only the emergency lock 7 is triggered. The plunger 4 moves to the stationary piston 9 (see Fig. 4). Depressurization of the shank 5 and opening of the windows 8 take place. If the design is made according to the embodiment containing the non-return valve 11, then the non-return valve 11 is opened. Water enters the internal cavity of the solid propellant rocket chamber, excluding the pressure drop across its body. This eliminates the destruction of the solid propellant rocket motor, i.e. its safety is provided.

Технико-экономическая эффективность предлагаемого изобретения, по сравнению с прототипом, в качестве которого выбрана заглушка узла отсечки тяги [Конструкции ракетных двигателей на твердом топливе. /Под общ. ред. Л.Н.Лаврова. - М.: Машиностроение, 1993 - 215 с., ил., страницы 170, 171, рис.4.8], заключается в расширении функциональных возможностей заглушки, обеспечении возможности использования клапана аварийного затопления в автоматическом режиме на заглушке, подверженной воздействию стартового ПАДа, при обеспечении простоты конструкции заглушки и повышении ее надежности.Feasibility study of the present invention, compared with the prototype, which is selected as a plug knot cutoff thrust [Design of solid rocket rocket engines. / Under the total. ed. L.N. Lavrova. - M .: Mashinostroenie, 1993 - 215 p., Ill., Pages 170, 171, fig. 4.8], consists in expanding the functionality of the plug, providing the possibility of using the emergency flooding valve in automatic mode on the plug, exposed to the starting PAD, when ensuring the simplicity of the stub design and increasing its reliability.

Claims

1. The plug of a solid propellant rocket engine (RDTT) installed in the nozzle block, containing a guide cylinder with an emergency flooding valve installed in it with the possibility of longitudinal movement, fixed by an emergency lock, designed to operate when an emergency pressure flooding valve is exposed to external pressure corresponding to the maximum permissible pressure during emergency immersion, moreover, radial windows are made on the guide cylinder, characterized in that the emergency flooding valve it is filled in the form of a plunger having a shank withdrawn into the internal cavity of the solid propellant rocket engine, the shank diameter being smaller than the plunger diameter, and in the immediate vicinity of the outer end of the guide cylinder, a piston is mounted with longitudinal movement therein, fixed by a starting lock, designed to operate when the piston is acted upon external pressure exceeding the maximum permissible pressure during emergency immersion, in addition, the mass of the plunger exceeds the mass of the piston.

2. The plug of the rocket engine of solid fuel (RDTT) according to claim 1, characterized in that it is equipped with a check valve.

3. The plug of the rocket engine of solid fuel (RDTT) according to claim 1, characterized in that it is equipped with a latch.