RU2497007C1

RU2497007C1 - Solid-propellant rocket

Info

Publication number: RU2497007C1
Application number: RU2012127517/06A
Authority: RU
Inventors: Александр Сергеевич Жарков; Андрей Владимирович Литвинов; Олег Алексеевич Кривенко; Геннадий Павлович Коваленко; Сергей Николаевич Вагичев; Наталья Макаровна Макарова; Тимофей Викторович Гусев
Original assignee: Открытое акционерное общество "Федеральный научно-производственный центр "Алтай"
Priority date: 2012-07-02
Filing date: 2012-07-02
Publication date: 2013-10-27

Abstract

FIELD: engines and pumps.

SUBSTANCE: proposed engine comprises body with bottoms and solid-propellant charge secured therewith over outer surface and having at least one end uncoupled from said body, central through or dead channel equipped with propellant combustion surface compensator. Said propellant combustion surface compensator is composed of at least one annular slot arranged nearby front or rear bottom. Said annular slot is arranged at direct angle to engine lengthwise axis. Note here that slot vertex radius equals half the slot width facing the charge channel or slot vertex is inclined to engine lengthwise axis at angle smaller than right angle. Note here that slot vertex radius is larger than its half-width facing the charge channel. Slot geometry is formed by nonremovable forming element. Slot inclination angle and direction are selected to suit the required configuration of bottom-propellant system and required shape of "time-pressure" graph curve.

EFFECT: reduced mode of charge deformation and departure of its inner ballistic characteristics.

2 dwg

Description

Изобретение относится к ракетной технике и может быть использовано в конструкции ракетных двигателей на твердом топливе (РДТТ) основного и вспомогательного (модельных двигателей) назначения.The invention relates to rocket technology and can be used in the construction of solid propellant rocket engines (solid propellant rocket engines) for primary and secondary (model engines) purposes.

В конструкции прочно скрепленных по наружной поверхности с корпусом зарядов твердого топлива часто присутствует центральный канал и, по крайней мере, один торец, который раскреплен от днища по прочностным соображениям. При этом торец может быть как горящим, так и забронированным. Использование таких конструкций зарядов позволяет максимально упростить технологическую оснастку для их изготовления, поскольку канал, как правило, цилиндрический, а для формирования частично или полностью горящего торца сложной оснастки не требуется. Однако рассматриваемому классу зарядов присущи определенные недостатки, связанные с наличием значительных текущих отклонений внутрибаллистических характеристик (ВБХ) от среднего значения (до 15-20%), снизить которые без существенного усложнения начальной конфигурации поверхности горения не представляется возможным.A solid channel often has a central channel and at least one end that is detached from the bottom for strength reasons, which are firmly fastened on the outer surface with the body of solid fuel charges. In this case, the end face can be both burning and booked. The use of such designs of charges makes it possible to simplify the technological equipment for their manufacture as much as possible, since the channel is usually cylindrical, and complex equipment is not required to form a partially or completely burning end face. However, the class of charges under consideration has certain drawbacks associated with the presence of significant current deviations of the ballistic characteristics (VBH) from the average value (up to 15-20%), which cannot be reduced without significantly complicating the initial configuration of the combustion surface.

Известен твердотопливный ракетный двигатель по патенту РФ №2154183 (дата публикации 10.08.2000 г.), содержащий корпус с днищами, скрепленный с корпусом заряд, имеющий центральный канал, снабженный кольцевой щелью.A solid propellant rocket engine according to the patent of the Russian Federation No. 2154183 (publication date 08/10/2000), comprising a housing with bottoms, a charge bonded to the housing, having a central channel provided with an annular gap, is known.

Конструкция заряда известного технического решения позволяет частично снизить текущие отклонения ВБХ. Разделение заряда на две части с помощью предусмотренной конструкции манжеты с законцовками, расположение поверхностей, образующих горящую поверхность кольцевой щели, под острым углом друг к другу позволили ликвидировать топливную перемычку между вершиной кольцевой щели и корпусом двигателя и, тем самым, решить прочностные вопросы, связанные с работоспособностью конструкции заряда, и несколько уменьшить ширину щели по всему диаметру.The charge design of the known technical solution allows to partially reduce the current deviations of the VBH. The separation of the charge into two parts using the provided design of the cuff with the tips, the location of the surfaces forming the burning surface of the annular gap, at an acute angle to each other, eliminated the fuel jumper between the apex of the annular gap and the engine housing and, thus, solve the strength issues related to operability of the charge structure, and slightly reduce the width of the gap along the entire diameter.

Однако известное техническое решение обладает рядом недостатков, связанных с технологическими трудностями в процессе изготовления. В частности, применение традиционной схемы изготовления с использованием технологической оснастки для формирования кольцевой щели затруднено необходимостью извлечения технологической оснастки, высота которой превышает диаметр канала. Конструкция оснастки, формирующей кольцевую щель, содержит большое количество элементов, требующих соединения между собой при сборке оснастки в корпусе и последующего извлечения после изготовления заряда. Это является также существенным препятствием для достижения минимизации допустимого для данной конструкции с точки зрения прочности и газодинамики раскрытия компенсатора начальной поверхности горения в виде кольцевой щели, влияющего на повышение объемного заполнения корпуса топливом и, соответственно, на эффективность работы двигателя.However, the known technical solution has several disadvantages associated with technological difficulties in the manufacturing process. In particular, the use of a traditional manufacturing scheme using technological equipment for forming an annular gap is complicated by the need to extract technological equipment, the height of which exceeds the diameter of the channel. The design of the snap-in, forming an annular gap, contains a large number of elements that require connection among themselves when assembling the snap-in in the housing and subsequent extraction after the manufacture of the charge. This is also a significant obstacle in order to minimize the acceptable for this design from the point of view of strength and gas dynamics disclosure of the compensator of the initial combustion surface in the form of an annular gap, which affects the increase in volumetric filling of the casing with fuel and, accordingly, the efficiency of the engine.

Известен РДТТ, принятый за прототип, содержащий корпус с днищами, скрепленный с ним по наружной поверхности заряд твердого топлива с центральным каналом и компенсатором поверхности горения топлива в виде кольцевой щели ("Ракетная и космическая техника", №35, 1980, с.12).Known solid propellant rocket engine adopted for the prototype, comprising a housing with bottoms, a solid fuel charge bonded to it on the outer surface with a central channel and a compensator for the fuel combustion surface in the form of an annular gap ("Missile and space technology", No. 35, 1980, p.12) .

В известной конструкции простая конфигурация канала позволяет обеспечить диаграмму "давление - время" с меньшей степенью отклонения текущих характеристик от средних за счет изменения конфигурации поперечной кольцевой щели.In the known construction, a simple channel configuration allows providing a pressure-time diagram with a lesser degree of deviation of the current characteristics from the average due to a change in the configuration of the transverse annular gap.

Однако конструкция, принятая за прототип, обладает рядом недостатков. В вершине кольцевой щели образуются трещины как в процессе изготовления, так и в процессе эксплуатации, что обусловлено высоким уровнем напряженно-деформированного состояния (НДС) заряда в этой зоне и объясняется тем, что при охлаждении снаряженного корпуса, после полимеризации топлива, в вершине щели возникают высокие напряжения из-за температурной усадки топлива и обратных упругих перемещений днища и цилиндрической части корпуса. Кроме того, в этой зоне наблюдается снижение физико-механических характеристик (ФМХ) топлива, вызванное отжимом из топлива в этой зоне связующего, при поддавливании топливной массы в начальный период полимеризации, диффузией пластификатора в технологический чехол, форму и кольцевую щель. Поэтому требуемый уровень деформационных характеристик топлива для подобной конструкции заряда назначается исходя из обеспечения прочности в вершине кольцевой щели, где действующий уровень НДС на 30-40% выше, чем на канале.However, the design adopted for the prototype has several disadvantages. Cracks form at the top of the annular gap both during manufacturing and during operation, which is due to the high level of stress-strain state (VAT) of the charge in this zone and is explained by the fact that when the curb case is cooled, after fuel polymerization, at the top of the gap high stresses due to temperature shrinkage of the fuel and reverse elastic movements of the bottom and the cylindrical part of the body. In addition, in this zone, a decrease in the physicomechanical characteristics (FMX) of the fuel is observed, caused by squeezing the fuel out of the fuel in this binder zone, while fuel mass is crushed during the initial polymerization period, by diffusion of the plasticizer into the process cover, shape and ring gap. Therefore, the required level of deformation characteristics of the fuel for such a charge design is assigned on the basis of ensuring strength at the top of the annular gap, where the effective level of VAT is 30-40% higher than on the channel.

Задачей предлагаемого изобретения является разработка конструкции РДТТ, позволяющей повысить эффективность работы двигателя за счет одновременного снижения напряженно-деформированного состояния заряда и минимизации отклонений текущих внутрибаллистических характеристик от среднего значения путем обеспечения возможности варьирования как геометрией кольцевой щели, так и ее позиционированием по отношению к конструктивным элементам двигателя в соответствии с существующей потребностью при упрощении требуемой технологической оснастки для изготовления заряда твердого топлива с минимально допустимым раскрытием кольцевой щели.The objective of the invention is the development of the design of the solid propellant rocket motor, which allows to increase the efficiency of the engine by simultaneously reducing the stress-strain state of the charge and minimizing deviations of the current ballistic characteristics from the average value by making it possible to vary both the geometry of the annular gap and its positioning relative to the structural elements of the engine in accordance with the existing need while simplifying the required technological equipment webs for the manufacture of a charge of solid fuel with the minimum permissible opening of the annular gap.

Поставленная задача решается заявляемой конструкцией РДТТ, содержащего корпус с днищами, скрепленный с ним по наружной поверхности заряд твердого топлива, по крайней мере, с одним торцом, раскрепленным от элементов корпуса, и центральным каналом, снабженным компенсатором поверхности горения топлива. Особенность заключается в том, что канал выполнен сквозным или глухим, компенсатор поверхности горения топлива представляет собой, по меньшей мере, одну кольцевую щель, которая размещена у переднего или заднего днища, выполнена под прямым углом к продольной оси двигателя, при этом радиус вершины щели равен размеру ее полуширины, выходящей на канал заряда, или выполнена под углом к продольной оси двигателя, меньшим прямого, при этом радиус вершины щели превышает размер ее полуширины, выходящей на канал заряда, причем геометрия щели сформирована неизвлекаемым формообразующим элементом, а угол наклона щели и направление наклона выбирают исходя из конфигурации системы днище - топливо и обеспечения требований к форме кривой диаграммы "давление - время".The problem is solved by the claimed design of the solid propellant solid propellant rocket engine comprising a housing with bottoms, a solid fuel charge fastened with it on the outer surface, at least one end free from the housing elements, and a central channel equipped with a fuel combustion surface compensator. The peculiarity lies in the fact that the channel is made through or dull, the compensator for the fuel combustion surface is at least one annular gap, which is located at the front or rear bottom, is made at right angles to the longitudinal axis of the engine, while the radius of the apex of the gap is the size of its half width extending to the charge channel, or made at an angle to the longitudinal axis of the engine, smaller than the straight line, while the radius of the apex of the gap exceeds the size of its half width extending to the charge channel, and the geometry of the gap forms Wang non-removable shaper element, and the angle of inclination of the slit and the direction of tilt is selected based on the system configuration the bottom - the fuel and provide the requirements to the shape of the curve diagrams "pressure - time".

Проведенный сопоставительный анализ показывает, что заявляемое техническое решение отличается от прототипа вариабельным сочетанием геометрии кольцевой щели и ее позиционирования по отношению к конструктивным элементам двигателя в соответствии с существующей потребностью; пригодностью как для двигателя с глухим, так и сквозным каналом (в прототипе только глухой канал).A comparative analysis shows that the claimed technical solution differs from the prototype in a variable combination of the geometry of the annular gap and its positioning in relation to the structural elements of the engine in accordance with the existing need; suitability for an engine with a blind channel and a through channel (in the prototype only a blind channel).

Угол наклона кольцевой щели по отношению к продольной оси двигателя может изменяться в диапазоне от 45 до 90° в зависимости от обеспечения требуемой схемы выгорания и минимизации образования пассивных остатков топлива. И в зависимости от указанных условий может изменяться направление наклона кольцевой щели.The angle of inclination of the annular gap with respect to the longitudinal axis of the engine can vary in the range from 45 to 90 °, depending on the provision of the required burnout scheme and minimization of the formation of passive fuel residues. And depending on these conditions, the direction of inclination of the annular gap may change.

Первостепенное значение для реализации такой конструкции имеет материал неизвлекаемого формообразующего элемента. Материал должен отвечать следующим требованиям: высокая химическая стойкость, инертность, антиадгезионные свойства, минимальный коэффициент трения, пригодность к механической обработке, сохраняемость физико-механических свойств в диапазоне температур от минус 190 до плюс 250°С. При этом скорость горения материала должна быть больше или равна скорости горения топлива. Неизвлекаемый формообразующий элемент целесообразно выполнять из композиционного материала (например, фторопласт) или металла (например, алюминий). Специалисту в данной области техники понятно, что указанные материалы не являются исчерпывающими для воплощения изобретения.Of paramount importance for the implementation of such a design is the material of a non-removable form-forming element. The material must meet the following requirements: high chemical resistance, inertness, release properties, minimum coefficient of friction, suitability for machining, the persistence of physical and mechanical properties in the temperature range from minus 190 to plus 250 ° C. In this case, the burning rate of the material should be greater than or equal to the burning rate of the fuel. It is advisable to perform a non-removable forming element from a composite material (for example, fluoroplastic) or metal (for example, aluminum). One skilled in the art will recognize that these materials are not exhaustive for embodying the invention.

Из уровня техники не известно техническое решение поставленной задачи, в котором бы имело место предложенное сочетание признаков.The prior art does not know the technical solution to the problem in which the proposed combination of features would take place.

Предлагаемый РДТТ иллюстрируется графическими изображениями:The proposed solid rocket motor is illustrated by graphic images:

Фиг.1 - часть продольного разреза двигателя с кольцевой щелью, расположенной под прямым углом к его продольной оси и радиусом вершины, равным размеру ее полуширины;Figure 1 - part of a longitudinal section of the engine with an annular gap located at right angles to its longitudinal axis and the radius of the vertex equal to the size of its half-width;

Фиг.2 - часть продольного разреза двигателя с кольцевой щелью, расположенной под прямым углом к его продольной оси и радиусом вершины, превышающим размер ее полуширины.Figure 2 - part of a longitudinal section of the engine with an annular gap located at right angles to its longitudinal axis and the radius of the vertex exceeding the size of its half-width.

Двигатель содержит корпус 1 с днищами (условно не показаны), скрепленный с ним по наружной поверхности заряд 2, по крайней мере, с одним торцом (на чертеже не показано), раскрепленным от элементов корпуса 1, и центральным каналом 3, снабженным, например, одной кольцевой щелью 4. Каждый торец заряда может быть как горящим, так и не горящим, скрепленным с торцевым бронепокрытием. Кольцевая щель 4 размещена под углом α к продольной оси двигателя и характеризуется полушириной b в зоне выхода на канал 3 и радиусом вершины R.The engine comprises a housing 1 with bottoms (not shown conditionally), a charge 2 fastened with it on the outer surface, at least one end (not shown in the drawing), unfastened from the elements of the housing 1, and a central channel 3, provided, for example, one annular gap 4. Each end of the charge can be both burning and non-burning, fastened with an end armor plating. The annular gap 4 is placed at an angle α to the longitudinal axis of the engine and is characterized by a half width b in the exit zone to channel 3 and the radius of the apex R.

Перед заполнением корпуса 1 двигателя топливом внутри него устанавливают оснастку, формирующую торец заряда 2 и его канал 3. На оснастке закрепляют неизвлекаемый формообразующий элемент, форма которого соответствует требуемой геометрии кольцевой щели 4. После полимеризации топлива оснастка из него извлекается за исключением элемента, сформировавшего кольцевую щель 4. После срабатывания воспламенителя (не показан) канал 3 и поверхность щели 4 воспламеняются. Процесс горения происходит параллельными слоями. Скорость горения неизвлекаемого формообразующего элемента и, соответственно, его материал определяют при проектировании конкретного двигателя.Before filling the engine housing 1 with fuel, a snap is installed inside it, forming the end face of charge 2 and its channel 3. An snap-in forming element is fixed on the snap, the shape of which corresponds to the required geometry of the annular gap 4. After the polymerization of the fuel, the snap is removed from it except for the element that formed the annular gap 4. After operation of the igniter (not shown), the channel 3 and the surface of the slit 4 are ignited. The combustion process occurs in parallel layers. The burning rate of an unrecoverable form-forming element and, accordingly, its material is determined when designing a specific engine.

Предложенный ракетный двигатель твердого топлива практически реализуем и позволяет удовлетворить давно существующую потребность в решении поставленной задачи.The proposed solid fuel rocket engine is practically feasible and can satisfy a long-standing need for solving the problem.

Claims

A rocket engine of solid fuel, comprising a housing with bottoms, a solid fuel charge fastened with it on the outer surface, with at least one end detached from the housing elements and a central channel provided with a compensator for the fuel combustion surface, characterized in that the channel is made through or deaf, the compensator of the fuel combustion surface is at least one annular gap, which is located at the front or rear bottom, is made at right angles to the longitudinal axis of the engine, when the radius of the apex of the slit is equal to the size of its half-width extending to the charge channel, or is made at an angle to the longitudinal axis of the engine smaller than the direct one, while the radius of the apex of the slit exceeds the size of its half-width extending to the charge channel, and the geometry of the slit is formed by an indelible forming element, and the slope angle of the slit and the direction of the slope are selected based on the configuration of the bottom-fuel system and the requirements for the shape of the pressure-time diagram curve.