UA79965C2 - Rotary nozzle for jet propulsion - Google Patents

Description

Винахід належить до галузі поворотних сопел ня із сферичним упором, і, зокрема, в розробці для ракетних двигунів. Винахід переважно, але не шарнірного з'єднання, що має достатню тривкість і виключно, застосовний до ракет, зокрема тактич- надійність і забезпечує непроникність для газу них, діаметром менше приблизно 500мм. ділянки стикання поверхонь при будь-якій викори-

Ракетний двигун з поворотним соплом (соплом стовуваній орієнтації сопла. із керованим вектором тяги) містить корпус, що Для вирішення поставленої задачі пропону- оточує камеру згорання з відкритою задньою стін- ється поворотне сопло (сопло з керованим векто- кою, принаймні одне сопло, яке містить рухомий ром тяги) для ракетного двигуна, що містить: кор- дифузор (розширну частину) і нерухому частину, пус, що оточує камеру згорання й має задню шарнірно з'єднувальний пристрій, що сполучає стінку; рухомий дифузор (рухому розширну части- рухомий дифузор (надзвукову частину) з нерухо- ну) й нерухому частину, жорстко прикріплену до мою частиною, і привід, що діє на сопло для зміни задньої стінки; шарнірний з'єднувальний пристрій, його орієнтації та, отже, напрямку вектора тяги, що що зв'язує рухомий дифузор сопла з нерухомою виникає в результаті викиду з камери згорання частиною сопла таким чином, що рухомий дифу- газоподібних продуктів горіння. зор і нерухома частина сопла стикаються відпові-

У відомому шарнірному з'єднувальному при- дними сферичними поверхнями; і приводний при- строї використовується сферичний упор, утворе- стрій, що діє на рухомий дифузор з метою зміни ний стопою прошарків металу або композитного напрямку вектора реактивної тяги двигуна шляхом матеріалу, що чергуються з прошарками еластич- зміни орієнтації сопла при ковзанні сферичних ного матеріалу, причому суміжні прошарки склеєні поверхонь одна по одній. один з одним (ОЕ 3119183). Такий пристрій забез- При цьому поворотне сопло за винаходом до- печує можливість обмеженого переміщення сопла датково містить засоби пружного повернення, роз- відносно корпуса в результаті зсувної деформації ташовані між рухомим дифузором сопла й неру- еластичних прошарків. Багатошаровий упор уста- хомою частиною сопла, що діють на рухомий новлюється таким чином, щоб у нормальному ста- дифузор і притискають його до нерухомої частини ні він відчував стискання, викликане тиском, що сопла з метою збереження взаємного контакту здійснюється на сопло газоподібними продуктами сферичних поверхонь при будь-якій потрібній орі- горіння, оскільки його опірність силам розтягу об- єнтації сопла. межена. Проте в певних конфігураціях багатоша- Завдяки дії пружного повертального зусилля ровий упор може бути підданий дії сил розтягу. забезпечується притискування сферичних повер-

Крім того, багатошарові упори схильні до старіння, хонь одна до одної з приблизно постійним зу- а виготовлення багатошарових упорів, здатних силлям поза залежністю від зсувів, що відбува- витримувати широкий діапазон температур, є ються в процесі роботи. Це дозволяє здійснювати складною задачею. переміщення в будь-якому напрямку без порушен-

Для подолання вищезгаданих хиб було запро- ня газонепроникності з'єднання між даними сфе- поновано сопло з орієнтованим дифузором, що ричними поверхнями. містить сферичну поверхню, яка знаходиться в З'єднувальний пристрій може являти собою безпосередньому контакті з відповідною їй сфери- карданне з'єднання, що містить обід, два перших чною поверхнею, передбаченою в нерухомій час- з'єднувальних елементи, які зв'язують рухомий тині сопла (кульовий шарнір), у якому зміна орієн- дифузор сопла з ободом за допомогою двох пер- тації дифузора сопла супроводжується ковзанням ших шарнірів, і два других з'єднувальних елемен- однієї сферичної поверхні по іншій. Стичні елеме- ти, що зв'язують нерухому частину сопла з ободом нти рухомої частини дифузора й нерухомої части- за допомогою двох других шарнірів. ни сопла звичайно виготовляють з композитного Засоби пружного повернення можуть бути матеріалу типу вуглець/вуглець (С/С), що має ви- вмонтовані у з'єднувальні елементи. Вони можуть соку термомеханічну тривкість, зокрема, при висо- являти собою попередньо стиснуті пружини. ких температурах, і гарну опірність абляції. Такий За іншим варіантом здійснення винаходу за- пристрій дозволяє уникнути хиб пристроїв, що міс- соби пружного повернення можуть принаймні час- тять багатошарові сферичні упори, але породжує тково складатися з пружно деформованої частини проблему, пов'язану із забезпеченням непроник- з'єднувального пристрою (наприклад, ободу кар- ності для газу ділянки розташування сферичних данного з'єднання), підданої пружній деформації поверхонь при будь-якій орієнтації дифузора соп- при складанні. ла. Для її розв'язання необхідно забезпечити пос- Між стичними сферичними поверхнями мо- тійний контакт кульового пальця шарніра з його жуть бути передбачені засоби зниження тертя. муфтою при будь-якому куті встановлення. З та- Засоби зниження тертя можуть являти собою мас- ким поворотним соплом були проведені попередні тильний матеріал, наприклад графітове мастило. випробування. Ці випробування показали життє- За іншим варіантом здійснення винаходу засоби здатність даної концепції, але виявили обмеже- зниження тертя являють собою покриття або про- ність меж керованості у площинах тангажа й рис- кладку, розташовані в зоні стикання сферичних кання при скріпленні елементів кульового шарніра поверхонь, наприклад покриття з матеріалу з ни- за допомогою попередньо напружених домкратів. зьким коефіцієнтом тертя, нанесене на обидві ці

Задача, на вирішення якої спрямовано даний поверхні або на одну з них. винахід, полягає в розробці поворотного сопла для Приводний пристрій може складатися з сило- ракетного двигуна, позбавленого хиб відомих рі- вих циліндрів або лінійних приводних елементів за шень, з що використовують вищезгадане з'єднан- відомими рішеннями. За іншим варіантом здійс-

нення винаходу, згідно з яким з'єднувальний при- тяги відносно кута реального повороту відносно стрій являє собою карданне з'єднання з двома головної осі дифузора. осями повороту, приводний пристрій може містити Рухомий дифузор 20 звичайно має зовнішню приводи повороту, розташовані на осях карданно- стінку 22, виготовлену, наприклад, з металу, що го з'єднання для прямої дії на розташування даних має внутрішнє покриття 23 з абляційного ізолюю- осей. чого матеріалу, наприклад, з композитного матері-

Порівняно до відомих рішень, які використо- алу з посилюючими волокнами з вуглецю або кре- вують багатошарові сферичні упори, конструкція мнію й матрицею з фенолоальдегідного полімеру. поворотного сопла за даним винаходом має значні Передня частина рухомого дифузора 20 має час- переваги: тину 24 у формі внутрішнього кільця, що виготов- - вона стійкіша до впливу навколишнього се- ляється звичайно з композитного матеріалу типу редовища й старіння; С/с. - вона дозволяє одержувати великі кути відхи- Горловина 16 і рухомий дифузор 20 стикають- лення напрямку реактивної тяги завдяки викорис- ся відповідними сферичними поверхнями 16а і танню стичних сферичних поверхонь більшої 24а, центри яких знаходяться на осі 11 сопла. площі у поєднанні з явищем збільшення кута від- Слід зазначити, що елементи 22, 24 і 23 рухо- хилення напрямку реактивної тяги, характерним мого дифузора можуть бути об'єднані в єдиний для пристроїв з рухомим дифузором і викликаним елемент, виготовлений з композитного матеріалу. внутрішніми аегродинамічними ефектами в соплі; Рухомий дифузор сопла з'єднаний з нерухо- - вона менш чутлива до впливу поворотних мою частиною цього сопла за допомогою механіч- сил, тобто сил, які діють на рухомий дифузор у ного карданного з'єднання, що містить обід 30, напрямку його передньої частини і які здатні пош- виготовлений, наприклад, з металу, два кодити багатошарові упори, але поглинаються з'єднувальні елементи 32 і 34, жорстко прикріплені стичними сферичними поверхнями в соплі за ви- до зовнішньої стінки 22 рухомого дифузора сопла находом; й кінці яких з'єднані з ободом 30 за допомогою - вона позбавляє необхідності застосування не шарнірів 36, 38 відповідно, і два інші з'єднувальні тільки відносно дорогих багатошарових сферичних елементи 42, 44, жорстко прикріплені до ободу 30 і упорів, але й елементів термічного захисту, що їх кінці яких з'єднані із задньою стінкою 14 корпуса 10 необхідно використовувати разом з ними. камери згорання й, отже, з нерухомою частиною

Стислий опис креслень сопла за допомогою двох інших шарнірів 46, 48

Інші властивості й переваги даного винаходу відповідно. стануть ясні з нижче-наведеного опису, що містить З'єднувальні елементи 32, 34 і шарніри 36, 38 посилання на додані креслення. На кресленнях: розташовані в точках, взаємно протилежних відно- - Фіг1 схематично зображує в перспективі час- сно до осі 11, причому осі шарнірів 36, 38 визна- тину ракетного двигуна за винаходом; чають вісь 39 повороту, розташовану в площині, - Фіг.2 зображує в подовжньому розрізі частину перпендикулярній осі 11. ракетного двигуна за Фіг.1; Аналогічним чином з'єднувальні елементи 42, - Фіг.3 являє собою поперечний розріз по пло- 44 й шарніри 46, 48 розташовані в точках, взаємно щині ПІ-Ш на Ффіг.2. протилежних відносно до осі 21 камери згорання,

Здійснення винаходу причому осі шарнірів 46, 48 визначають вісь 49

На Ффіг.1-3 наведені схематичні зображення повороту, розташовану в площині, перпендикуля- ракетного двигуна, що має корпус 10, який оточує рній осі 21. Шарніри 36, 38, 46, 48 розподілені по камеру 12 згорання, в якому знаходиться блок ободу 30 з рівномірними кутовими інтервалами твердого ракетного палива (не представлений). таким чином, що осі 39 і 49 взаємно ортогональні.

Камера 12 відчиняється через задню стінку 14 у Опорні поверхні 160, 245 частин 16 і 24 обме- передню частину сопла, що має горловину 16 і жують величину можливого кутового зміщення дифузор 20. осей 11 і 21 одна щодо одної.

Горловина 16, що обмежує не тільки власне Сопло може бути приведене в рух або декіль- критичний переріз сопла, але і його звужувану ча- кома лінійними приводними елементами або си- стину (конфузор) і початкову частину дифузора, ловими циліндрами, один кінець яких упирається в прикріплена, наприклад пригвинчена, до кільця 18, зовнішню стінку 22 рухомого дифузора 20, а інший жорстко прикріпленого до задньої стінки 14 корпу- кінець упирається в корпус 10 камери згорання, са. або декількома обертовими приводними елемен-

Горловину 16 зазвичай виготовляють з компо- тами, розташованими на карданному з'єднанні на зитного матеріалу типу С/С, а кільце 18 звичайно осях 39 і 49 таким чином, щоб здійснювати пряме виготовляють з теплоїзолюючого композитного керування розташуванням осей повороту кардан- матеріалу. На внутрішній поверхні корпуса перед- ного з'єднання. бачені термозахисні прошарки. Така конструкція У наведеному прикладі передбачені тільки два камери згорання добре відома сама по собі. лінійні приводні елементи 50а і 5060, з'єднані з кор-

Дифузор 20 (або принаймні частина його) ру- пусом 10 і зовнішньою стінкою 22 за допомогою хомий і сполучений з нерухомою частиною сопла, шарнірів 52а, 525 і 54а, 54Б, причому між меридіо- зокрема, з горловиною 16. Як також відомо саме нальними площинами, що мають осі 51а і 516 при- по собі, здійснення поворотного сопла шляхом водних елементів 50а і 500, утворюється кут, при- використання рухомого дифузора має ту перевагу, близно рівний 90". що дозволяє збільшувати відхилення реактивної Слід зазначити, що в іншому варіанті здійс- нення приводні елементи можуть бути встановлені між ободом 30 і рухомим дифузором 20 сопла. Попередній стиск пружин 62, 64 розраховано

Також слід зазначити, що кількість приводних таким чином, щоб забезпечити повернення повер- елементів може бути більша за два. хонь ба 24а у позицію взаємного стикання при

Відповідно до винаходу мають бути передба- будь-якій можливій орієнтації дифузора 20 сопла. чені засоби пружного повернення, що впливають При приведені поворотного сопла в рух у ре- на рухомий дифузор 20 сопла в напрямку, проти- зультаті дії на приводні елементи 50а, 506 стичні лежному напрямку течії газового потоку через со- сферичні поверхні 16а, 24а труться одна об одну. пла, і що забезпечують постійне стикання повер- Тертя між частинами 16, 24 може бути сухим. Та- хонь 1ба і 24а поза залежністю від необхідної кож можливо використання засобів зменшення орієнтації дифузора сопла. В результаті непроник- тертя, наприклад покриття або прокладки, перед- ність стику між поверхнями 16а і 24а для газу збе- бачених у зоні стикання сферичного пальця й му- рігається при будь-якій орієнтації осі 21 відносно фти кульового шарніра на одній із сферичних по- осі 11. верхонь або на них обох, виготовлених,

У наведеному прикладі засоби пружного пове- наприклад/ з матеріалу на основі Тефлонуфб (полі- рнення складаються з пружин 62, 64, наприклад, - тетрафторетилену), або мастильного матеріалу, на кшталт пружинних шайб (шайб ВеПеміПе), попе- наприклад графітового мастила, що проникає при- редньо стиснутих і вміщених у з'єднувальні еле- наймні в частину залишкових пір частини 16. менти 32 і 34. Для забезпечення пружного повернення, не-

Конкретніше, кожен із з'єднувальних елементів обхідного для нормальної роботи двигуна при 32, 34 містить стрижень 31, 33, один кінець якого будь-якій можливій орієнтації сопла, можуть бути з'єднаний із шарніром 36, 38, а інший кінець про- використані засоби, відмінні від пружин. Напри- ходить через отвір 26а, 28а вушка 26, 28, прикріп- клад, це повернення може бути забезпечено вико- леного до зовнішньої стінки 22 дифузора сопла. ристанням пружно деформованого елемента з'єд-

Цей інший кінець утримується за допомогою нувального пристрою, що з'єднує рухому частину гайки 45, 47, нагвинченої на кінець стрижня, при- сопла з її нерухомою частиною, причому при скла- чому між гайкою 45, 47 і вушком 26, 28 уставлена данні цей елемент піддається пружній деформації. пружина 62, 64. Наприклад, пружина 62, 64 може Так, за варіантом здійснення, поданим на фіг.2 і 3, бути розташована в розширеній частині втулки 66, повернення забезпечується пружною деформаці- 68, вставленої в отвір 26ба, 28а. єю ободу 30 без використання пружин 62, 64. Для

Втулки 66, 68 уставлені в отвори 2ба, 28а, цього обід 30, виготовлений, наприклад, із сталі, причому стрижні 31, 33 входять у них без зазору, мусить мати таку товщину або мати ділянки такої що дозволяє усунути або принаймні зменшити зменшеної товщини, яка забезпечувала б пружну зазори між стрижнями 31, 33 й отворами 2ба, 28а деформацію під впливом затягування гайок 45, 47. й попередити можливе обертання рухомого дифу- зора навколо його осі 21. о ; 10

І м ск/ х і Моз 70 / Ку А Я

І вав Мей Ф 22, е пед нок Ж : у лз "і ее ЧЕ м х ц ц й стос Мьі

Щ ЇВ тяг пра а віз з дей І р і - М | с Вревттчу ; і їзди 5 | А а у зе ДИ З ух З хідь 5

КИ 52В

ФІГ. 1

ВЕК

КУ Шо. хе / о й

Сх 3939, 32 с ч ПН, 5 іа 36 снеки ноти й

С СІ нен Все ж річка ша и С Зтаді ба ;

ТБ дова з 40500110 8 ї Іва

Ї я-й сор іньі зва до ее а ниню, 7 ур інн ще я ІЙЇЙ с Щи о і зв ст БК МІ» 27 З це 33 Х ов'єВ вк ; у ше 20 7 ст г їй 6, (У ту со шко уд »

ФІГ. 2 ! «-й

Ка виз ша М, вче ів т «г ца: їй й ще м в 25 нн Ще

ААУ «ММК

К ше ой т. З з. вч ох й шк КО ОС

ОА ВАК МКК

ЖК ра й ще о. в ща нь С КИТИ. еч ке КО шк що о що ка аа КК, сх и 5 ее КК ехУ о о ие я, я се УМХ им ОК й рани - -ї

ФГ.

Комп'ютерна верстка В. Клюкін Підписне Тираж 26 прим.

Міністерство освіти і науки України

Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна

ДП "Український інститут промислової власності", вул. Глазунова, 1, м. Київ - 42, 01601