UA46175C2 - Профіль сопла ракетного двигуна, що уможливлює керування відривом потоку та забезпечує зменшення бічного навантаження - Google Patents

Abstract

Винахід стосується повнопотокового сопла ракетного двигуна, яке має близький до параболічного поздовжній профіль. Щоб забезпечити керування відривом потоку, а також зменшити бічне навантаження, пропонується параболічна форма профілю на ділянці від критичного перерізу сопла до перерізу, де коефіцієнт розширення досягає 50 %, а далі від критичного перерізу переходить у: (і) строго конічну форму, яка має кут до осьової лінії 15°-25°; (іі) невелику кривизну назовні, тобто набуває форми, що має додатну другу похідну від радіуса r; або (ііі) невелику кривизну всередину, тобто має від'ємну другу похідну від r, але так, щоб вони лежали зовні від параболічного профілю і щоб, в останньому випадку, третя похідна від r постійно дорівнювала нулю.

Description

Опис винаходу

Цей винахід стосується повнопотокового сопла ракетного двигуна, яке має близький до параболічного 2 подовжній профіль.

Призначення сопла ракетного двигуна - розширювати і прискорювати газ до високої швидкості, таким чином забезпечуючи високий ККД тяги і вантажопіднімність. Можливість розширювати газ обмежується, бо атмосферний тиск на рівні моря примушує потік відриватися. Відірваний потік спричиняє нестійкі аеродинамічні сили. Ці сили спричиняють обмеження на розмір сопла і, відповідно, обмежують ККД сопла при роботі у вакуумі. 70 Враховуючи існуючі термічні умови, сопла першої ступені можуть працювати в режимі відриву. Це означає, що, якби згадані нестійкі аеродинамічні сили могли б бути зменшені до прийнятного рівня, на землі й під час підйому сопла могли б працювати з постійним відривом потоку. Це дозволило б робити більші і більш ефективні сопла.

Звичайно профіль сопла є безперервним плавним профілем, оптимізованим до мінімального погіршення 12 експлуатаційних показників в умовах поштовхів і відхилень потоку. Такий профіль звичайно описується параболічною функцією. Дотепер профілі сопел не були оптимізовані для відірваних потоків на рівні моря, бо ще не відомі засоби керування бічними навантаженнями.

Мали місце спроби опосередковано впливати на профіль сопла. До таких спроб в рівні техніки, наприклад, належать: застосування вихідного дифузора, описане в ЕР 626 513 А1; розчіплювальне кільце, видалювана або відкидувана вставка, періодично змінюваний радіус, описані в РСТ/ЗЕ96/00176, щілинне сопло, описане в

О-А-5 450 720; вприскування газу, описане в 5 4/947, 644; застосування вихідного ежектора, описане в ЕР 894 031; і механізм для висувного вихідного сопла, описаний в ЕР 924 041. Пристрій для керування відриванням потоку із модифікованим профілем сопла описано в О0О5Б-3 394 549.

Таким чином, в рівні техніки повнопотокові сопла мають обмежений коефіцієнт розширення, що обмежує с експлуатаційні показники. Згадані експлуатаційні показники оптимізують, враховуючи межу відривання потокуі (9 бічні навантаження.

Усі згадані вище заходи пристосовані для використання в комбінації з параболічним або дзвоноподібним профілем. З цієї причини отримують довгі й важкі сопла. У цьому випадку чистий виграш стосовно експлуатаційних показників, включаючи збільшення маси, помірний і зменшується, коли сопла стають дуже о великим. Дзвоноподібне сопло має, в напрямку до виходу, плоский градієнт стінного тиску вздовж осьової ча довжина, що треба враховувати при оптимізуванні експлуатаційних показників. Однак, це несумісне з оптимізуванням бічних навантажень. Маса сопла негативно впливає на масу і складність системи двигуна та. (7 структури тяги ракети. Великий розмір сопла несумісний з простором, доступним у випробувальних комплексах, «о у місцях збирання ракет і в місцях запуску ракет.

Зо Тому головна мета цього винаходу - запропонувати профіль сопла, який виключить згадані вище недоліки. М

Основна ідея цього винаходу полягає в тому, що ефективний параболічний профіль зберігається в тій частині профілю сопла, де тиск залишається високим, і яка сильно впливає на результуючі експлуатаційні показники.

Далі пропонують застосовувати комбінований профіль сопла. Щоб забезпечити керування відривом потоку, а « також зменшити бічне навантаження, пропонується параболічна форма профілю на ділянці від критичного З 70 перерізу сопла до перерізу, де коефіцієнт розширення досягає 5095, а далі від критичного перерізу переходить с у: (Ї) строго конічну форму, яка має кут до осьової лінії 157-257"; (і) невелику кривизну назовні, тобто

Із» набуває форми, що має додатну другу похідну від радіуса г; або (ії) невелику кривизну всередину, тобто форму, що має від'ємну другу похідну від г, але так, щоб вони лежали зовні від параболічного профілю і щоб в останньому випадку третя похідна від г постійно дорівнювала нулю (0).

Відповідно до цього винаходу коефіцієнт розширення сопла, завдяки переходу до зміненого профілю, шк підвищується. Рівень тиску тут нижчий і експлуатаційні показники значно не погіршуються. У цій же зоні бажано

Ге»! зменшити градієнт тиску вздовж сопла, щоб зменшити аеропружний зв'язок - пропонована конструкція це також забезпечує. - За цим винаходом можуть бути розроблені сопла , профілі яких значно відмінні від профілів сопел рівня -і 20 техніки . Винахід дозволяє використовувати на рівні моря більші сопла, що веде до збільшення корисного вантажу. До того ж, винахід мінімізує довжину, таким чином зменшуючи масу, обвідну поверхню і момент бічного сл навантаження механічних сил для збільшеного сопла в порівнянні з незбільшеним.

Нарешті, цей винахід покращує можливості плівкового охолодження, бо довжина плівки зменшується порівняно зі збільшеним дзвоноподібним соплом. 29 Сама лише оптимізація профілю не може на рівні моря забезпечити умови для безперервної роботи сопел у

ГФ) режимі відривання потоку. Однак умови для забезпечення таких умов пристроєм відривання потоку покращуються. о Для типового сопла першої ступені, модифікованого для використання переваг режиму відірваного потоку, покращення експлуатаційних показників, в принципі, можна показати на наведеному нижче прикладі. Наведені 60 дані для трьох пропонованих профілів. Порівняння здійснено між показниками для сопла першої ступені, модифікованого до співвідношення поверхонь на виході 17095. Усі вклади до експлуатаційних показників було зведено до питомого імпульсу, використовуючи наближені комерційні коефіцієнти для пристрою "Миїсаїп 5".

Значення питомого імпульсу (-ів) Ізгр (5) щодо рівня моря збільшується завдяки тому, що тиск у зоні відриву збільшується, коли зона відновлення потоку стає ширшою Значення питомого імпульсу Ізр для рівня 62 моря збільшується, а це збільшення можна звести до невеликого збільшення Ізр для вакууму (зр - питомий імпульс).

Площа вологої поверхні сопла зменшується. Завдяки цьому зменшуються втрати на тертя, що дає додатний вклад до Ізр для вакууму.

Завдяки зменшенню довжини сопла зменшується маса двигуна.

Зменшення маси двигуна можна звести до Ізр для вакууму.

Сумарні значення покращення експлуатаційних показників:

Вклад у Ізр для вакууму 70 А Івр за рахунок можливості керування потоком на рівні моря Додатний

А Івр за рахунок зменшення втрат на тертя Додатний

А Івр за рахунок зменшення маси Додатний

А Івр за рахунок зниження вартості Додатний

Від'ємні вклади (втрати на відхилення) до ігр мас можуть мати місце в межах суми додатних вкладів у економічну ефективність обслуговування ракетного двигуна порівняно з ідеальним, щодо експлуатаційних показників, профілем.

Бічне навантаження також зменшується завдяки збільшенню градієнта осьового тиску на виході.

Усі запропоновані профілі забезпечують більш стрімке розширення газу з поновленням меншого значення тиску на виході сопла. Це означає, що теплове навантаження зменшується. Це може виявитися дуже важливим при застосуванні модифікувальних комплектів у існуючих соплах.

Нижче наведено приклад застосування винаходу, описаний з посиланнями на супровідні малюнки, на яких: фіг1 на графіках ілюструє укорочене дзвоноподібне сопло з додатковою конусоподібною частиною; фіг.2 ілюструє укорочене дзвоноподібне сопло з додатковою частиною з додатною другою похідною від г за су довжиною; на фіг.З показано графіки для укороченого дзвоноподібного сопла з додатковою частиною з від'ємною другою похідною від г за довжиною, але з постійною другою похідною від кута, яка дорівнює нулю, і і) на фіг.4 показано порівняння показників для профілів рівня техніки та профілів відповідно до цього винаходу.

У стандартній практиці визначаючи параболічну форму профілю сопла ракетного двигуна використовують від'ємну другу похідну від г за довжиною. На відміну від цього, конічне сопло є специфічним випадком з (З постійним значенням похідної. Цей винахід пропонує свій варіант застосування конічної частини. Втрата в Ір може бути зменшена, бо ефективна дзвоноподібна форму можна використовувати на більшій частині довжини, в однак забезпечуючи потрібне співвідношення поверхонь на виході. «--

Подібно до цього, як показано на фіг.3, профіль вибирають так, щоб друга похідна від г за довжиною була від'ємна, а постійна друга похідна від кута дорівнювала нулю. ікс,

На фіг.4 графіки, показані в фіг.1-3, накладають один на одний для порівняння. «І

На фіг.1-3 "А" - модифікований профіль сопла, "В" - радіус основного варіанту, "С" - тиск для основного варіанту, "ОО" -тиск для модифікованого варіанту. « ю

Claims (1)

1. Формула винаходу -

   - 1. Профіль сопла ракетного двигуна, що уможливлює керування відривом потоку та забезпечує зменшення а бічного навантаження, що має близький до параболічного поздовжній профіль, який відрізняється тим, що на ділянці від критичного перерізу до перерізу, де коефіцієнт розширення досягає 50 95, профіль сопла параболічний, а ще далі від критичного перерізу переходить у (ї) строго конічну форму, яка має кут до осьової ї5» лінії 1527-25", (ії) невелику кривизну назовні, тобто набуває форми, що має додатну другу похідну від радіуса г, або (ії) невелику кривизну всередину, тобто має від'ємну другу похідну від г, але так, що вони лежать зовні від Ме параболічного профілю і, в останньому випадку, третя похідна від г постійно дорівнює нулю.

   - 2. Профіль сопла ракетного двигуна за пунктом 71, який відрізняється тим, що в перехідній зоні після параболічної форми у профілі сформована конічна форма під кутом 0-6". -І сл Ф) іме) 60 б5