RU2397354C1

RU2397354C1 - Rocket solid-propellant engine

Info

Publication number: RU2397354C1
Application number: RU2009118674/06A
Authority: RU
Inventors: Александр Сергеевич Жарков (RU); Александр Сергеевич Жарков; Сергей Николаевич Вагичев (RU); Сергей Николаевич Вагичев; Олег Алексеевич Кривенко (RU); Олег Алексеевич Кривенко; Геннадий Павлович Коваленко (RU); Геннадий Павлович Коваленко; Наталья Макаровна Макарова (RU); Наталья Макаровна Макарова
Original assignee: Федеральное государственное унитарное предприятие "Федеральный научно-производственный центр "Алтай"
Priority date: 2009-05-18
Filing date: 2009-05-18
Publication date: 2010-08-20

Abstract

FIELD: engines and pumps. ^ SUBSTANCE: solid-propellant rocket engine comprises housing with bottoms, change attached to the housing and having central bore, and crosswise inclined slot dividing said charge into two parts. Outer surface of the slot adjoining the housing is locked by cup made up of two parts jointed to the housing along one of diametres and adjoining each other by tips bent towards the slot and entering slot top. Slot burning surface is formed by smaller base and side surface of n-face truncated pyramid and surface of truncated cone with its smaller diametre limited by charge central bore diametre and its larger diametre limited by outer radius of slot unlocking. Pyramid edge and truncated cone generatrix are spaced apart by channels that pass along charge central bore into slot expanding part. Note here that length of every channel is limited by pyramid edge length to allow minimum tolerable slot opening. ^ EFFECT: higher engine efficiency and ease of charge fabrication. ^ 1 dwg

Description

Изобретение относится к ракетной технике и может быть использовано в конструкциях маршевых ступеней ракетных двигателей на твердом топливе (РДТТ).The invention relates to rocket technology and can be used in the design of the march stages of rocket engines for solid fuel (RTTT).

В конструктивном оформлении современных маршевых РДТТ широко используются канальные конструкции скрепленных с корпусом двигателя крупногабаритных зарядов цилиндрического типа с эллиптическими днищами, у которых в качестве компенсатора начальной поверхности горения применяется наклонная кольцевая поперечная щель (AerospaeDaily, 1980, 5/11, vol.1101, №25, р/188 А (русский перевод - "Ракетная и космическая техника", №35, 1980, с.12).In the design of modern marching solid propellant rocket motors, channel structures of large-sized cylindrical charges with elliptical bottoms fastened to the engine body are used widely, in which an inclined annular transverse gap is used as a compensator for the initial combustion surface (AerospaeDaily, 1980, 5/11, vol. 1101, No. 25 , p / 188 A (Russian translation - "Rocket and Space Technology", No. 35, 1980, p.12).

Использование конструкций таких зарядов позволяет реализовать текущую диаграмму секундного расхода с малыми отклонениями (8-10%) максимального значения от среднего, а также реализовать равномерный по окружности поток продуктов сгорания, что позволяет максимально снизить пассивную массу элементов корпуса и соплового блока. Однако рассматриваемому классу зарядов присущи определенные недостатки, связанные прежде всего с высоким уровнем напряженно-деформированного состояния (НДС) в вершине кольцевой щели, возникающие при охлаждении снаряженного корпуса из-за температурной усадки и упругих перемещений корпуса и днища при нагружении давлением.Using the designs of such charges allows you to implement the current diagram of the second flow rate with small deviations (8-10%) of the maximum value from the average, as well as to realize a uniform flow of combustion products around the circumference, which allows to minimize the passive mass of the elements of the housing and nozzle block. However, the class of charges under consideration has certain drawbacks associated primarily with a high level of stress-strain state (SSS) at the apex of the annular gap that occurs when the curb case is cooled due to temperature shrinkage and elastic movements of the body and bottom under pressure loading.

Кроме того, в этой зоне наблюдается снижение физико-механических характеристик (ФМХ) топлива, вызванное отжимом из топлива связующего при полимеризации заряда, диффузией пластификатора в технологический чехол оснастки, формирующей кольцевую щель. Поэтому требуемый уровень деформационных характеристик топлива для подобной конструкции назначается исходя из прочности в вершине кольцевой щели, что на 30-40% выше, чем на канале.In addition, in this zone, a decrease in the physicomechanical characteristics (FMX) of the fuel is observed, caused by the binder being squeezed out of the fuel during charge polymerization, by the diffusion of the plasticizer into the technological cover of the tool, which forms an annular gap. Therefore, the required level of deformation characteristics of the fuel for such a design is determined based on the strength at the top of the annular gap, which is 30-40% higher than on the channel.

Известен твердотопливный ракетный двигатель по патенту РФ №2154183 (дата публикации 10.08.2000, бюл. №22), принятый за прототип, содержащий корпус с днищами, скрепленный с корпусом заряд, имеющий центральный канал и сквозную поперечную наклонную щель, разделяющую заряд на две части, наружная поверхность которой, примыкающая к корпусу, забронирована с помощью манжеты, выполненной из двух частей, соединенных по одному из диаметров с корпусом, прилегающих друг к другу законцовками, отогнутыми в направлении щели и входящими в ее вершину.A solid propellant rocket engine according to the patent of the Russian Federation No. 2154183 (publication date 08/10/2000, bull. No. 22), adopted for the prototype, comprising a housing with bottoms, a charge bonded to the housing, having a central channel and a through transverse inclined slot separating the charge into two parts , the outer surface of which adjoining the body is reserved with the help of a cuff made of two parts connected in one of the diameters with the body, adjacent to each other with tips, bent in the direction of the slit and entering its top.

Такая конструкция позволяет ликвидировать топливную перемычку между вершиной кольцевой щели и корпусом двигателя и тем самым решить прочностные вопросы, связанные с работоспособностью конструкции заряда.This design allows you to eliminate the fuel jumper between the top of the annular gap and the engine housing and thereby solve the strength issues associated with the operability of the charge structure.

Однако известное техническое решение обладает рядом недостатков, связанных с технологическими трудностями в процессе изготовления. Применение традиционной схемы изготовления с использованием технологической оснастки для формирования кольцевой щели, которая извлекается из корпуса после его заполнения и полимеризации топлива, крайне затруднено в связи с тем, что при размещении оснастки в корпусе он фактически разделяется в поперечном направлении на две части, одна из которых отделена от заливочного устройства, что существенно затрудняет процесс ее заполнения. Кроме того, конструкция оснастки, формирующей кольцевую щель, горящие поверхности которой выполнены в виде двух усеченных конусов, опирающихся на канал, также чрезвычайно сложна, поскольку состоит из большого количества элементов, требующих соединения между собой при сборке оснастки в корпусе и последующего извлечения после изготовления заряда. Это является также существенным препятствием уменьшения раскрытия щели для повышения объемного заполнения корпуса, влияющего на эффективность работы двигателя, которое допустимо для данной конструкции с точки зрения прочности и газодинамики.However, the known technical solution has several disadvantages associated with technological difficulties in the manufacturing process. The use of a traditional manufacturing scheme using technological equipment to form an annular gap, which is removed from the housing after it is filled and the fuel is polymerized, is extremely difficult due to the fact that when the equipment is placed in the housing, it is actually divided in the transverse direction into two parts, one of which separated from the filling device, which greatly complicates the process of filling it. In addition, the design of the snap-in, forming an annular gap, the burning surfaces of which are made in the form of two truncated cones, resting on the channel, is also extremely complicated, since it consists of a large number of elements that need to be connected to each other when assembling the snap-in in the housing and subsequent extraction after charge manufacture . This is also a significant obstacle to reducing the opening of the slit to increase the volumetric filling of the housing, which affects the efficiency of the engine, which is acceptable for this design in terms of strength and gas dynamics.

Задачей заявляемого изобретения является разработка конструкции твердотопливного ракетного двигателя, позволяющей повысить эффективность его работы за счет увеличения коэффициента заполнения корпуса при сохранении преимуществ, обеспечиваемых зарядом со сквозной поперечной щелью, выполненной от корпуса до канала заряда в части минимизации НДС, при одновременном упрощении технологии изготовления заряда, минимизировать, с точки зрения прочности и обеспечения требуемых внутрибаллистических характеристик, раскрытие щели и сохранить при этом схему выгорания заряда и изменения текущих характеристик во времени.The objective of the invention is to develop the design of a solid propellant rocket engine, which allows to increase the efficiency of its operation by increasing the fill factor of the housing while maintaining the advantages provided by the charge with a through transverse gap made from the housing to the charge channel in terms of minimizing VAT, while simplifying the technology for manufacturing the charge, minimize, from the point of view of strength and ensuring the required inter-ballistic characteristics, gap opening and save in this case, the burnout of the charge and changes in the current characteristics in time.

Поставленная задача решается заявляемой конструкцией твердотопливного ракетного двигателя, содержащего корпус с днищами, скрепленный с корпусом заряд, имеющий центральный канал и сквозную поперечную наклонную щель, разделяющую заряд на две части, наружная поверхность которой, примыкающая к корпусу, забронирована с помощью манжеты, выполненной из двух частей, соединенных по одному из диаметров с корпусом, прилегающих друг к другу законцовками, отогнутыми в направлении щели и входящими в ее вершину. Особенность заключается в том, что горящая поверхность щели образована меньшим основанием и боковой поверхностью n-гранной усеченной пирамиды и поверхностью усеченного конуса, меньший диаметр которого ограничен диаметром центрального канала заряда, а больший - наружным радиусом разбронирования щели, ребра пирамиды и образующая усеченного конуса пространственно отделены друг от друга каналами, переходящими в направлении центрального канала заряда в расширяющуюся часть щели, при этом длина каждого канала ограничена длиной ребра пирамиды с обеспечением минимально допустимого раскрытия щели.The problem is solved by the claimed design of a solid propellant rocket engine containing a housing with bottoms, a charge bonded to the housing, having a central channel and a transverse inclined slit that divides the charge into two parts, the outer surface of which adjoining the housing is reserved using a cuff made of two parts connected in one of the diameters with the housing, adjacent to each other with tips, bent in the direction of the gap and entering its top. The peculiarity lies in the fact that the burning surface of the gap is formed by the smaller base and the lateral surface of the n-facet truncated pyramid and the surface of the truncated cone, the smaller diameter of which is limited by the diameter of the central channel of the charge, and the larger by the outer radius of the gap, the edges of the pyramid and the generatrix of the truncated cone are spatially separated from each other by channels passing in the direction of the central channel of the charge into the expanding part of the gap, while the length of each channel is limited by the length of the edges of the peers dy with the lowest allowable slit opening.

Проведенный анализ уровня техники показывает, что твердотопливный ракетный двигатель отличается от ближайшего аналога иной, более простой конструкцией манжеты; иной формой горящей поверхности щели; наличием каналов, пространственно разделяющих горящие поверхности торцов заряда; существенно меньшим раскрытием щели.The analysis of the prior art shows that the solid propellant rocket engine differs from the closest analogue in a different, simpler cuff design; another form of the burning surface of the gap; the presence of channels spatially separating the burning surfaces of the ends of the charge; significantly less gap opening.

Именно совокупность отличительных от прототипа признаков заявляемого решения с остальными существенными признаками позволила достичь вышеуказанный технический результат, который невозможно получить при реализации изобретения по прототипу в силу особенностей конструкции известного твердотопливного ракетного двигателя и решить поставленную задачу.It is the combination of the distinguishing features from the prototype of the features of the proposed solution with the remaining essential features that made it possible to achieve the above technical result, which cannot be obtained when implementing the invention according to the prototype due to the design features of the known solid propellant rocket engine and solve the problem.

Предлагаемый твердотопливный ракетный двигатель иллюстрируется чертежом, на котором показана часть продольного разреза двигателя с расположением сквозной наклонной кольцевой щели у переднего днища.The proposed solid rocket engine is illustrated in the drawing, which shows part of a longitudinal section of the engine with the location of the through inclined annular gap at the front bottom.

Двигатель содержит корпус 1 с днищами 2 (заднее днище на чертеже не показано), скрепленный с корпусом заряд 3, имеющий центральный канал 4 и сквозную поперечную щель 5, разделяющую заряд 3 на две части. Наружная поверхность щели 5, примыкающая к корпусу 1, забронирована с помощью прилегающих друг к другу двух частей манжеты 6 с законцовками 7. Горящая поверхность щели 5 ниже законцовок 7 является одновременно торцевой поверхностью двух частей заряда 3, передней, скрепленной с днищем, и задней, скрепленной с цилиндрической поверхностью корпуса 1. Для задней части заряда поверхность торца (щели) образована поверхностью усеченного конуса, меньший диаметр которого ограничен диаметром центрального канала 4 заряда 3, а больший - наружным радиусом разбронирования щели 5. Торцевая поверхность передней части заряда 3 образована меньшим основанием и боковой поверхностью n-гранной усеченной пирамиды. Ребра 8 пирамиды и образующая 9 усеченного конуса пространственно отделены друг от друга каналами 10, переходящими в направлении центрального канала 4 заряда 3 в расширяющуюся часть щели 5. Каналы 10 и расширяющаяся часть щели 5 сформированы извлекаемыми элементами оснастки (не показаны). Длина каждого канала 10 ограничена длиной ребра 8 пирамиды с обеспечением минимально допустимого раскрытия щели 5, с точки зрения обеспечения максимального заполнения корпуса 1, с одной стороны, и работоспособности двигателя, с точки зрения газодинамической напряженности, с другой стороны.The engine comprises a housing 1 with bottoms 2 (the rear bottom is not shown in the drawing), a charge 3 bonded to the housing, having a central channel 4 and a through transverse slot 5 dividing the charge 3 into two parts. The outer surface of the slit 5 adjacent to the housing 1 is reserved by means of adjacent two parts of the cuff 6 with the tips 7. The burning surface of the gap 5 below the tips 7 is at the same time the end surface of the two parts of the charge 3, the front, bonded to the bottom, and the back, fastened to the cylindrical surface of the housing 1. For the back of the charge, the surface of the end (gap) is formed by the surface of a truncated cone, the smaller diameter of which is limited by the diameter of the central channel 4 of charge 3, and the larger by the outer radius p azbronirovaniya gap 5. The end surface of the front of the charge 3 is formed by a smaller base and the side surface of the n-faceted truncated pyramid. The edges 8 of the pyramid and the generatrix 9 of the truncated cone are spatially separated from each other by channels 10, passing in the direction of the central channel 4 of charge 3 into the expanding part of the gap 5. Channels 10 and the expanding part of the gap 5 are formed by extractable snap-in elements (not shown). The length of each channel 10 is limited by the length of the ribs 8 of the pyramid, ensuring the minimum permissible opening of the gap 5, from the point of view of ensuring maximum filling of the housing 1, on the one hand, and the efficiency of the engine, from the point of view of gas-dynamic tension, on the other hand.

Боковая поверхность n-гранной усеченной пирамиды позволяет аппроксимировать тело вращения набором n плоских граней. После изготовления и полимеризации заряда 3 и извлечения иглы формирующие щель 5 элементы оснастки удаляются из нее через канал 4. Элементы оснастки могут быть, например, плоскими, позволяющими существенно упростить процесс их извлечения из тела заряда после его изготовления, или округлыми, которые предпочтительно использовать при реализации щели 5 методом разрезки для размещения внутри полых стержней оснастки режущей струны, или любой другой приемлемой, с технологической точки зрения, формы их поперечного сечения. Каналы 10 ввиду незначительности их размеров не оказывают практического влияния на изменение схемы выгорания заряда 3.The lateral surface of an n-facet truncated pyramid allows us to approximate the body of revolution by a set of n flat faces. After manufacturing and polymerizing the charge 3 and removing the needle, the snap-forming elements 5 are removed from it through the channel 4. The snap-in elements can be, for example, flat, which can significantly simplify the process of removing them from the charge body after its manufacture, or round, which is preferably used when the implementation of the slit 5 by the cutting method for placement inside the hollow rods of the snap of the cutting string, or any other form, acceptable from a technological point of view, of their cross section. Channels 10 due to the insignificance of their size do not have a practical effect on changing the pattern of burnout charge 3.

После срабатывания воспламенителя (не показан) канал 4 и поперечная щель 5 воспламеняются. Процесс горения происходит известным путем параллельными слоями. С увеличением количества граней пирамиды конструкция по схеме выгорания приближается к горению тела вращения.After operation of the igniter (not shown), the channel 4 and the transverse slot 5 are ignited. The combustion process occurs in a known manner in parallel layers. With an increase in the number of faces of the pyramid, the burnup design approaches the burning of a body of revolution.

Конкретные значения минимально допустимого раскрытия щели определяют при проектировании конкретного твердотопливного ракетного двигателя.The specific values of the minimum permissible opening of the gap are determined when designing a specific solid propellant rocket engine.

Предлагаемое техническое решение практически реализуемо. Создание таких конструкций актуально и перспективно, поскольку предлагаемое техническое решение ориентировано на повышение эффективности ракетных комплексов.The proposed technical solution is practicable. The creation of such structures is relevant and promising, since the proposed technical solution is aimed at increasing the efficiency of missile systems.

Claims

A solid propellant rocket engine comprising a housing with bottoms, a charge bonded to the housing, having a central channel and a through transverse inclined slot separating the charge into two parts, the outer surface of which adjoining the housing is reserved using a cuff made of two parts connected one by one of diameters with a housing adjacent to each other by tips, bent in the direction of the slit and entering at its top, characterized in that the burning surface of the slit is formed by a smaller base and side surface by the n-faceted truncated pyramid, and the surface of the truncated cone, the smaller diameter of which is limited by the diameter of the central channel of the charge, and the larger by the outer radius of the scattering of the gap, the edges of the pyramid and the generatrix of the truncated cone are spatially separated from each other by channels that go towards the expanding channel of the charge into an expanding part of the gap, while the length of each channel is limited by the length of the edges of the pyramid with the minimum permissible opening of the gap.