RU2729568C1

RU2729568C1 - Sfre nozzle block

Info

Publication number: RU2729568C1
Application number: RU2019127701A
Authority: RU
Inventors: Юрий Валентинович Апакидзе; Николай Владиславович Пирусский; Анатолий Константинович Проценко; Михаил Григорьевич Смирнов; Станислав Александрович Фрейлехман
Original assignee: Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство обороны Российской Федерации
Priority date: 2019-09-02
Filing date: 2019-09-02
Publication date: 2020-08-07

Abstract

FIELD: astronautics.

SUBSTANCE: disclosed technical solution relates to rocket engineering and can be used in development of nozzle blocks (NB) of rocket engines on solid fuel (SFRE). Proposed NB of SFRE consists of casing, plug of nozzle fixed on body, rigid overrunning nozzles and flexible unfolding nozzle tightly fixed on end of last rigid nozzle and made of thin-walled heat-resistant composite material. Flexible nozzle flange is equipped with end collar and power frame, consisting of heat resistant rods, uniformly installed on outer side of flexible attachment, one end of hinges is rigidly coupled with rocking pins by one end of appropriate holes in end flange and opposite end. Said hinges are fitted on lugs arranged at the edge of last rigid adapter. Output of rods and nozzle into working position is provided by torsion springs located at folded flexible attachment in stressed state, fixed by one end on fixed lugs fixed on end of last rigid nozzle, and by another end - on rockers. In order to hold the flexible attachment in the folded state, the NB structure is equipped with a retainer made in the form of a disc with a central pin installed on the nozzle plug and having a separation mechanism connected to the control system. At withdrawal of previous stage with adapter to mechanism of separation of pin command is given to its separation and release of flexible attachment from retainer. Under action of torsion springs rods turn rods and flexible nozzle to operating position provided by rod turn limiters. All nozzle is brought into working position after engine starting, by pushing nozzle plug with working pressure of engine, which pulls out rigid nozzle flanges with unfolded flexible nozzle.

EFFECT: possibility of increasing NB output diameter to sizes exceeding missile diameter, allows to increase SFRE power characteristics.

1 cl, 4 dwg

Description

Настоящее техническое предложение относится к ракетной технике и может быть использовано, например, при разработке сопловых блоков (СБ) верхних ступеней маршевых ракетных двигателей твердого топлива (РДТТ) при их габаритных ограничениях для увеличения энергетических характеристик.This technical proposal relates to rocket technology and can be used, for example, in the development of nozzle assemblies (SB) of the upper stages of solid propellant rocket engines (solid propellant rocket engines) with their overall limitations to increase energy performance.

Совершенствование РДТТ верхних ступеней, его энергетических характеристик, возможно за счет увеличения степени расширения сопла, однако, это приводит к необходимости увеличивать как продольные размеры сверхзвуковой части сопла, так и диаметр его выходного сечения, что может быть ограничено длиной и диаметром ракеты. Например, раздвижное сопло ракетного двигателя Патент РФ №2309283 с набором коаксиальных насадок, надвигаемых на стационарную часть сопла, с закрепленной на нем заглушкой сопла, связанной с насадками для приведения их в рабочее положение. Однако выходной диаметр раздвижного сопла ограничен внутренним диаметром переходного отсека, что ограничивает энергетическую отдачу соплового блока. Известен также раздвижной сопловой блок ракетного двигателя, Патент №4387564 (прототип), в котором представлен сопловой блок, состоящий из корпуса СБ, жестких телескопических конусообразных насадок и разворачиваемой насадки, закрепленной на свободном торце жесткой раздвижной конической насадки и выполненной из металлического конуса, сложенного «гармошкой» внутрь до стенки сопла. Указанная конструкция разворачиваемой насадки имеет острые углы на сгибах, затрудняющие их разгиб. Когда узел находится не в рабочем состоянии, он складывается внутрь основного соплового насадка двигателя до профиля сопла, но когда двигатель запущен, то раскрываемые компоненты постепенно развертываются в соответствии с улучшенной технологией для обеспечения требуемой увеличенной длины, и увеличения эффективности истечения продуктов сгорания из выходного диаметра сопла.Improvement of the solid propellant rocket engine of the upper stages, its energy characteristics, is possible by increasing the degree of expansion of the nozzle, however, this leads to the need to increase both the longitudinal dimensions of the supersonic part of the nozzle and the diameter of its outlet section, which can be limited by the length and diameter of the rocket. For example, a sliding nozzle of a rocket engine RF Patent No. 2309283 with a set of coaxial nozzles pushed onto the stationary part of the nozzle, with a nozzle plug attached to it, connected to the nozzles to bring them into working position. However, the outlet diameter of the sliding nozzle is limited by the inner diameter of the transition compartment, which limits the energy output of the nozzle assembly. Also known is a sliding nozzle block of a rocket engine, Patent No. 4387564 (prototype), which presents a nozzle block consisting of a SB body, rigid telescopic cone-shaped nozzles and a deployable nozzle attached to the free end of a rigid sliding conical nozzle and made of a metal cone folded " accordion "inward to the nozzle wall. The specified design of the expandable nozzle has sharp corners at the folds, making it difficult to unbend. When the assembly is not in operation, it folds into the main engine nozzle to the nozzle profile, but when the engine is started, the deployable components are gradually deployed in accordance with improved technology to provide the required increased length, and to increase the efficiency of the exhaust of combustion products from the outlet diameter of the nozzle ...

Раскрытие сложенной «гармошкой» насадки производится при работающем двигателе за счет скоростного напора истекающих продуктов сгорания двигателя. Однако продукты сгорания маршевых РДТТ имеют в своем составе 30%-35% конденсированной жидкой фазы, которая, ударяясь о поверхность насадки, осаждается на ней, утяжеляет конструкцию сопла и увеличивает потери тяги и время раскрытия насадки, скапливаясь в ее складках. Кроме того, не исключена возможность пробития (прогара) металлической конструкции насадки конденсированной фазой, имеющей скорость соударения с насадкой свыше 2000 м/с и температуру 2500-3000°С.The opening of the folded "accordion" nozzle is carried out when the engine is running due to the high-speed pressure of the outgoing combustion products of the engine. However, the combustion products of sustainer solid propellants contain 30% -35% of the condensed liquid phase, which, hitting the surface of the nozzle, settles on it, makes the nozzle structure heavier and increases the thrust losses and the time for opening the nozzle, accumulating in its folds. In addition, the possibility of penetration (burnout) of the metal structure of the packing by the condensed phase, which has a speed of impact with the packing over 2000 m / s and a temperature of 2500-3000 ° C, is not excluded.

Задачей настоящего предложения является повышение уровня надежности работы сопловой насадки, связанной с раскрытием гибкой сопловой насадки до запуска РДТТ, что приводит к надежному повышению энергетических характеристик РДТТ, путем создания СБ с выходным диаметром, большим чем диаметр миделя ракеты.The objective of this proposal is to increase the level of reliability of the nozzle attachment associated with the opening of the flexible nozzle attachment before the solid propellant rocket engine is launched, which leads to a reliable increase in the energy characteristics of the solid propellant rocket engine, by creating a SB with an outlet diameter larger than the rocket midsection diameter.

Задача выполняется за счет того, что в известном СБ, состоящем из корпуса, заглушки сопла, закрепленной на корпусе, жестких раздвижных сопловых насадок и разворачиваемой насадки, закрепленной на свободном торце жесткой раздвижной насадки и выполненной из тонкостенного теплостойкого композиционного материала, с возможностью складывания кольцевым и гофрообразным способом внутрь сопла, раструб разворачиваемой насадки снабжен гибким торцевым буртиком и силовым каркасом, состоящим из жаропрочных стержней, равномерно расположенных с внешней стороны гибкой насадки и имеющих форму образующей раструба сопла, одним концом входящими в отверстия в торцевом буртике, а другим концом - жестко скрепленными с качалками, установленными на проушинах, располагающихся поверх кольцевого теплозащитного козырька, установленного на срезе раздвижного насадки, образуя сопряжение с качалками, а на осях проушин расположены пружины кручения, один конец которых закреплен на проушинах, а другой - на качалках, причем заглушка сопла снабжена фиксатором сложенного состояния стержней в виде диска, связанного с заглушкой сопла штифтом с механизмом разделения, а на проушинах установлены ограничители угла разворота жаропрочных стержней в виде регулируемых упоров.The task is accomplished due to the fact that in the known SB, consisting of a body, a nozzle plug fixed on the body, rigid sliding nozzle nozzles and a deployable nozzle fixed at the free end of a rigid sliding nozzle and made of a thin-walled heat-resistant composite material, with the ability to fold annular and in a corrugated way inside the nozzle, the bell of the expandable nozzle is equipped with a flexible end collar and a load-bearing frame consisting of heat-resistant rods evenly spaced on the outside of the flexible nozzle and having the shape of a nozzle bell, one end entering the holes in the end collar, and the other end - rigidly fastened with rockers installed on the lugs, located on top of the annular heat-shielding visor installed on the cut of the sliding nozzle, forming an interface with the rockers, and torsion springs are located on the axes of the lugs, one end of which is fixed on the lugs, and the other - on the rockers, and the nozzle plug is equipped with a lock of the folded state of the rods in the form of a disk connected to the nozzle plug by a pin with a separation mechanism, and on the lugs there are limiters of the angle of rotation of the heat-resistant rods in the form of adjustable stops.

Техническое решение иллюстрируется чертежами:The technical solution is illustrated by drawings:

На фиг. 1 - конструкция СБ в собранном состоянии.FIG. 1 - SB structure in assembled state.

На фиг. 2 - узел стыковки жесткой и гибкой насадки с фиксатором в собранном положении (при эксплуатации).FIG. 2 - unit for joining rigid and flexible attachments with a lock in the assembled position (during operation).

На фиг. 3 - узел стыковки жесткой и гибкой насадки в рабочем положении.FIG. 3 - unit for joining rigid and flexible attachments in working position.

На фиг. 4 - сопловой блок в рабочем положении.FIG. 4 - nozzle block in working position.

Сопловой блок ракетного твердотопливного двигателя, состоящий из корпуса (1), заглушки сопла (2), закрепленной на корпусе (1), жестких раздвижных сопловых насадок (3) и гибкой разворачиваемой насадки (4), закрепленной на свободном торце жесткой раздвижной насадки (3) и выполненной из тонкостенного теплостойкого композиционного материала, с возможностью складывания кольцевым и гофрообразным способом внутрь корпуса сопла (1), раструб гибкой разворачиваемой насадки (4) снабжен гибким торцевым буртиком с отверстиями (5) и силовым каркасом, выполненным из жаропрочных стержней (6), равномерно расположенных с внешней стороны гибкой насадки (4) и имеющих форму образующей раструба сопла, одним концом входящими в отверстия в торцевом буртике (5), а другим концом - жестко скрепленными с качалками (7), установленными на проушинах (8), располагающихся поверх кольцевого теплозащитного козырька (9), установленного на срезе раздвижного насадка (3), образуя сопряжение с качалками (7), а на осях проушин (10) расположены пружины кручения (11), один конец которых закреплен на проушинах (8), а другой - на качалках (7), причем заглушка сопла (2) снабжена фиксатором сложенного состояния насадок (12) в виде диска, связанного с заглушкой сопла (2) штифтом (13) с механизмом разделения (14), а на проушинах (8) установлены ограничители угла разворота (15) жаропрочных стержней в виде регулируемых упоров.The nozzle block of a solid-propellant rocket engine, consisting of a body (1), a nozzle plug (2), fixed on the body (1), rigid sliding nozzle nozzles (3) and a flexible expandable nozzle (4), fixed on the free end of a rigid sliding nozzle (3 ) and made of a thin-walled heat-resistant composite material, with the possibility of folding in an annular and corrugated way inside the nozzle body (1), the bell of the flexible expandable nozzle (4) is equipped with a flexible end collar with holes (5) and a load-bearing frame made of heat-resistant rods (6) uniformly located on the outer side of the flexible nozzle (4) and having the shape of the nozzle forming the bell, with one end entering the holes in the end collar (5), and the other end rigidly fastened to the rockers (7) mounted on the lugs (8) located over the annular heat-shielding visor (9) installed on the cut of the sliding nozzle (3), forming an interface with the rockers (7), and on the axes of the lugs (10) there are torsion springs (11), one end of which is fixed on the lugs (8), and the other on the rockers (7), and the nozzle plug (2) is equipped with a lock for the folded state of the nozzles (12) in the form of a disk connected to the plug nozzles (2) with a pin (13) with a separation mechanism (14), and on the lugs (8) there are limiters of the angle of rotation (15) of heat-resistant rods in the form of adjustable stops.

Приведенная в рабочее состояние конструкция сопла имеет диаметр выходного сечения, больше диаметра миделя ракеты, что значительно увеличивает степень расширения сопла и соответственно его энергетические характеристики (до 3,5%).The nozzle structure brought into working condition has an outlet section diameter that is larger than the rocket midsection diameter, which significantly increases the expansion ratio of the nozzle and, accordingly, its energy characteristics (up to 3.5%).

Приведение соплового блока ракетного твердотопливного двигателя в рабочие положение производится по команде системы управления, по которой, от закрепленной на корпусе сопла (1) заглушки сопла (2) отделяется посредством механизма разделения (14) штифта (13) фиксатор сложенного состояния насадки (12), что позволяет жаропрочным стержням силового каркаса (6), соединенным с качалками (7), установленными на проушинах (8), под действием находящихся в напряженном состоянии пружин кручения (11), вращающихся вокруг осей проушин (10), развернуться, потянув за собой за торцевой буртик (5) раструб гибкой разворачиваемой насадки (4), приведя гибкую разворачиваемую насадку (4) в рабочее положение, фиксацию угла разворота стержней которой ограничивают ограничители угла разворота (15). Гибкая разворачиваемая насадка (4), находясь в рабочем развернутом положении, обеспечивает свободный выход заглушки сопла (2), которая при выходе из сопла вытягивает за собой жесткие раздвижные сопловые насадки (3) с развернутой гибкой насадкой, с установленным на свободном торце жесткой раздвижной насадки (3) кольцевым теплозащитным козырьком (9), защищающим пружины кручения (11) от теплового воздействия продуктов сгорания, протекающих в раструбе соплового блока ракетного твердотопливного двигателя.Bringing the nozzle block of a solid-propellant rocket engine to the operating position is carried out at the command of the control system, according to which, from the nozzle plug (2) fixed on the nozzle body (1), the lock of the folded state of the nozzle (12) is separated by the separation mechanism (14) of the pin (13), which allows the heat-resistant rods of the load-bearing frame (6) connected to the rockers (7) mounted on the lugs (8), under the action of the torsion springs (11) in a stressed state, rotating around the axes of the lugs (10), to turn around, pulling the the end collar (5) the bell of the flexible expandable nozzle (4), bringing the flexible expandable nozzle (4) into the working position, the fixation of the angle of rotation of the rods of which is limited by the limiters of the angle of rotation (15). The flexible expandable nozzle (4), being in the unfolded working position, provides a free exit of the nozzle plug (2), which, when exiting the nozzle, pulls out the rigid sliding nozzle nozzles (3) with the expanded flexible nozzle, with the rigid sliding nozzle installed on the free end (3) an annular heat shield (9) that protects the torsion springs (11) from the thermal effect of combustion products flowing in the bell of the nozzle block of a solid rocket engine.

Таким образом, предлагаемая конструкция соплового блока в рабочем положении с развернутой до начала работы двигателя гибкой насадкой гарантированно сохраняется, не повреждаясь бомбардированием конденсатом, увеличивает энергетические характеристики двигателя за счет увеличения диаметра выходного отверстия сопла, которое в этом случае может превосходить диаметр ракеты. Кроме того, в сложенном положении сопловой блок значительно короче, чем в рабочем положении, что существенно улучшает габаритные характеристики ракеты.Thus, the proposed design of the nozzle unit in the working position with the flexible nozzle deployed before the start of the engine operation is guaranteed to be preserved without being damaged by the bombardment by condensate, increases the energy characteristics of the engine by increasing the diameter of the nozzle outlet, which in this case can exceed the rocket diameter. In addition, in the folded position, the nozzle block is much shorter than in the operating position, which significantly improves the overall characteristics of the rocket.

Claims

Nozzle block of a solid-propellant rocket engine, consisting of a body, a nozzle plug fixed on the body, rigid sliding nozzle nozzles and a flexible expandable nozzle fixed at the free end of a rigid expandable nozzle and made of a thin-walled heat-resistant composite material with the ability to fold in an annular and corrugated way inside the nozzle body characterized in that the bell of the flexible expandable nozzle is equipped with a flexible end collar and a power frame consisting of heat-resistant rods evenly spaced on the outside of the flexible nozzle and having the shape of a nozzle bell, one end entering the holes in the end collar, and the other end rigidly fastened with rockers mounted on the lugs located on top of the annular heat-shielding visor installed on the cut of the sliding nozzle, forming mates with the rockers, and torsion springs are located on the axes of the lugs, one end of which is fixed to the ears, and the other - on rockers, and the nozzle plug is equipped with a lock of the folded state in the form of a disk connected to the nozzle plug by a pin with a separation mechanism, and on the lugs there are limiters of the angle of rotation of heat-resistant rods in the form of adjustable stops.