Описание изобретения.

На чертежах, в частности на рис.1, изображена ракета I0, имеющую камеру сгорания 12, а также сопло I4. Сопло 14 включает критическую часть 16, через которую истекают газовые продукты сгорания из камеры сгорания 12, внешний раструб 18, через который истекают расширяющиеся газы. Как показано на чертежах, сопло 14 включает подвижную секцию 20 и фиксированную секцию 22.

Как показано на рис.2 и 3, а в частности на рис.3, подвижная секция 20 имеет входной воротник 24, имеющий полусферическую поверхность 26, соответствующую полусферической поверхности 28 фиксированной секции 22. Поверхности 26 и 28 разделены малым промежутком, для примера, в несколько тысячных долей дюйма (1 дюйм – 2,54 см), и каждая имеет центром вращения точку 30 на оси 32 двигателя. Обе поверхности 26 и 28 имеют радиус близкий к радиусу R. Входной воротник 24, который может быть, например, изготовлен из подходящего формованного (литого) графита и фенольной смолы, присоединен к корпусу 34, который может быть, изготовлен из стали 4340. Кольцевые поднутрения 36 сделаны в корпусе 34, чтобы удерживать кольцевые манжеты 38. Манжета 38 образует основное газовое уплотнение сопла и герметично скользит по поверхности 28 фиксированной части 22 сопла.

Предполагается, что манжета 38 изготовлена из резины и удерживается в поднутрении 36 посредством силиконовой замазки.

При желании можно установить вторичную прокладку 40 между входным воротником 24 и корпусом 34. Наоборот, манжета 38 может быть исключена, а прокладка 40 может быть использована как первое или главное уплотнение. Однако в любом случае поверхности 26 и 28 снабжены скользящим уплотнением. Корпус 34 навинчен на резьбе 42 на несущее кольцо 44, а чтобы герметизировать промежуток между ними может быть установлена вторичная прокладка 46. Предполагается, что несущее кольцо 44 связано с входным воротником 24.

Несущее кольцо 44, которое может быть изготовлено из стали 4340, имеет конический язык 48 с полусферическими поверхностями 50 и 52. В целях, объяснимых ниже, поверхности 50 и 52 предпочтительно покрыть хромом. Критическое сечение 16 формируется чашей 54, образованной горловиной 56 покрытой кольцом 58. Для примера, чаша 54 и горловина 56 могут быть изготовлены из формованного (литого) графита, а защитное кольцо 58 может быть изготовлено из оксида циркония. Кольца 60 и 62, которые можно изготовить из оксида циркония и молибдена соответственно, надлежащим образом расположены вокруг горловины 56; кольцо 62 посредством герметизирующей прокладки 64 соединяется с несущим кольцом 44. Втулка 66, которая может быть изготовлена из асбестового войлока, установлена между несущим кольцом 44 и кольцом 62 так, что остается маленький зазор между ними, который герметизирован вторичным уплотнением 68.

Кольцо 70, которое может быть изготовлено из кованого оксида циркония, установлено в передней части горловины 56, а между кольцами 58 и 70 и входным воротником 24 залит подходящий упругий компаунд.

Подвижная секция сопла включает также сборочное кольцо 74 навинченное на резьбе 76 на несущее кольцо 44. Герметичность стыка между кольцом 74 и несущим кольцом 44 обеспечена вторичным уплотнением 78. Кольцо 80 смонтировано на сборочном кольце 74 и поддерживает вставки 82 и 84, имеющие форму усеченных конусов.

Кольцо 80 может быть изготовлено из пластика, которому придана необходимая форма, а вставки 82 и 84 могут быть изготовлены из графита. Предпочтительно, чтобы между вставками 82 и 84 был залит упругий компаунд на основе силиконовой резины; вставки вместе с компаундом образуют часть поверхности раструба сопла. Кольцо 88, которое может быть, например, изготовлено из подходящего оксида циркония, расположено на конце вставки 84.

Поддерживающее кольцо 90 навинчено на сборочное кольцо 74 на резьбе 92, и поддерживает кольцо 94, которое в свою очередь герметично соединено с поддерживающим кольцом 90 и сборочным кольцом 74 прокладками 96 и 98 соответственно. Фиксирующее кольцо 100 вложено между сборочным кольцом 94 и поддерживающим кольцом 90 и размещено в кольцевом желобе 102 в кольце 94. Для примера, поддерживающее кольцо 90 может быть изготовлено из подходящего титана, а кольцо 94 предпочтительно изготовить из армированного аблирующего пластика. Вместе кольца 90 и 94 поддерживают кольцо 104, которое в свою очередь поддерживает кольцо 106, которое образует поверхность сопла. Кольцо 104 предпочтительно изготовить намоткой из фенольно-кремниевой ленты, а кольцо 106 предпочтительно изготовить из графитово-фенольной ленты.

Фиксированная часть сопла включает корпус 110, который например, может быть изготовлен из кованого титанового сплава, изолированного изолирующим материалом 112, которым может быть подходящий резиновый компаунд. Поверхность изолирующего материала 112 образует внутреннюю поверхность камеры сгорания 12. Корпус 114 прикреплен к корпусу 110 посредством подходящих зажимов, например, резьбовых деталей 116, он образует консоль 118. Уплотнение 38, удерживаемое корпусом 34, скользит по поверхности 26 корпуса 114.Вторичное уплотнение 120 герметизирует корпус 114 по отношению к поверхности 50 языка 48.Несущее кольцо 122, расположено между корпусами 110 и 114 и скрепленное с ними посредством резьбовых деталей 118, имеет несущую поверхность 124, расположенную напротив поверхности 52 языка 48. Консоль 118 и поверхность 124 вместе образуют нишу в фиксированной секции сопла, приспособленную для приема языка 48 подвижной секции. Вторичные уплотнения 126 и 128 герметично соединяют несущее кольцо 122 с корпусом 110 и 114 соответственно. Корпус 114 и несущее кольцо 122 предпочтительно изготовить из стали 4340, из которой изготовлено несущее кольцо 122. Ниже будет более подробно рассмотрено, что основной узел, воспринимающей нагрузки между подвижной и неподвижной секциями сопла, образует соединение между поверхностями 124 и 52.

Поверхность 28 неподвижной секции сопла образована кольцом 130, встроенным в корпус 114, а также кольцами 132, 134, 136, встроенными в кольцо 130, которые вместе образуют очищающее кольцо 135 для защиты от попадания копоти, крупных абразивных частиц и других посторонних материалов промежутка между поверхностями 26 и 28, куда они проникают снаружи и со стороны главного уплотнения 38. Поддерживающее кольцо 130 предпочтительно изготовить из подходящего литого кремний-фенольного пластика, а кольца 132, 134, 136 предпочтительно изготовить из подходящего компаунда, например литого пластика.

На рис.2 показан подвижной сильфон 140, смонтированный на корпусе 110 и поддерживающем кольце 90 посредством крепежных деталей 142 и 144, соответственно. Предохранительное кольцо 146 может быть смонтировано на поддерживающем кольце 90, чтобы защитить сильфон от засорения посторонними частицами.

Привод 148 соединен с корпусом 154 ракетного двигателя 10 шарниром 150, а с кронштейном 156, выступающем из поддерживающего кольца 90 подвижной секции сопла, шарниром 152. На рис.1 показаны четыре привода, но должно быть ясно, что может быть использовано любое их число.

Сопло, показанное на чертежах, собрано позиционированием несущих колец 122, 44 и корпуса 114 по месту и скреплением кольца 112 и корпуса 114 с корпусом 110 посредством резьбовых крепежных деталей 116. Манжета 38 собрана с корпусом 34, который в свою очередь навинчен на кольцо 44. Затем несущее кольцо 130 может быть скреплено с корпусом 114, а изоляция 112 нанесена на корпус 110 и кольцо 130. Сборочное кольцо 74 навинчено на несущее кольцо 44, а кольцо 80 вместе со вставками 82 и 84 и слоями 86 и 88 собраны с кольцом 74, а фиксирующее кольцо 100 установлено в желобе 102 кольца 94. Поддерживающее кольцо 90 навинчено на сборочное кольцо 74. Затем на сборочном кольце 74 устанавливается кольцо 94 на кольцо 80, а слои 104 и 106 наматываются на поддерживающее кольцо 90, чтобы сформировать поверхность сопла. Горловина в сборе, включающая втулку 66, кольца 62 и 60, горловину 56, чашу 54 и кольцо 58, формируется на кольце 44. Сильфон 140 устанавливается затем на поддерживающее кольцо 90 посредством резьбовых крепежных деталей 144, а предохранительное кольцо 146 устанавливается на сильфон для защиты его от засорения посторонними материалами. Очищающее кольцо 135 вставляется затем в кольцо 130, а входной воротник 24 закрепляется в своем положении. Затем к поддерживающей плоскости 156 подсоединяются приводы 148 и необходимые контролирующие устройства, например сервоприводы.

При управлении соплом, согласно настоящему изобретению, приводы 148 отклоняют подвижную часть сопла в определенное положение по отношению к неподвижной части сопла, например в положение, показанное линиями 16а, 16б на рис.3. Приводы поворачивают подвижную секцию в заданное положение так, что поворот осуществляется вокруг центра 30. Манжета 38 обеспечивает скользящее уплотнение между подвижной и фиксированной секциями сопла, чтобы таким образом предотвратить утечку газовых продуктов сгорания через промежуток между двумя секциями. Очищающее кольцо 135 препятствует копоти и крупным абразивным частицам проникать в область манжеты 38 и этим предотвращает разрушение уплотнения.

Поверхности 52 и 124 подвижной и закрепленной секций сопла воспринимают основные нагрузки, возникающие между секциями.

Поскольку поверхности, воспринимающие нагрузки, возникающие между двумя секциями сопла, не имеют газового уплотнения, то основным уплотнением воспринимаются малые нагрузки или оно совсем не нагружено. Следовательно, сопло, согласно настоящему изобретению, может двигаться так, что угол между осью 32 сопла и осью 160 ракетного двигателя может быть установлен по желанию.

Одним из важных признаков этого изобретения является установка газового уплотнения 38 вблизи критического сечения сопла. Плоскость 162, показанная на рис.2 и 3 является плоскостью перпендикулярной оси 32 сопла и определяется наименьшей площадью в горловине. Как показано на чертежах, манжета 38 установлена касательно к плоскости 162.

Можно показать, что нагрузки от истечения на подвижную секцию сопла равны произведению давления в камере сгорания на площадь газового уплотнения между подвижной и фиксированной секциями сопла за вычетом силы обратного давления на выходной конус. Таким образом:

L_e=P_c*A_s-F_b,

где L_e – нагрузка от истечения, действующая на подвижную секцию сопла,

P_c – давление внутри камеры сгорания,

A_s – площадь манжеты 38 минус площадь критического сечения,

F_b – сила обратного давления на конус сопла.

Далее можно показать, что сила обратного давления является функцией давления в камере сгорания, давление диаметра критического сечения и площади расширяющейся части сопла.

Из уравнения видно, что для данной ракеты и сопловой сборки заданной конструкции диаметры критического сечения, среза сопла и камеры сгорания фиксированы. Чтобы уменьшить нагрузку от истечения на подвижную секцию сопла, необходимо рассмотреть площадь манжеты 38 (A_s).

Поскольку площадь манжеты пропорциональна наружному диаметру уплотнения, то наилучшие результаты обеспечит главное уплотнение наименьшего диаметра. Конечно, манжета должна быть достаточно удалена от поверхности сопла, чтобы не быть испорченной горячими газами, истекающими через сопло. Располагая манжету как можно дальше по поверхности 26, можно уменьшить диаметр манжеты, и нагрузки от истечения на подвижную часть сопла тоже могут быть уменьшены.

Уменьшением площади уплотнения 38 возможно достичь величины P_c*A_s меньшей, чем F_b, так что подвижная часть будет подвержена нулевым нагрузкам или даже отрицательным. Минимизация нагрузок на выходную часть сопла уменьшает трение и шарнирный момент между подвижной и фиксированной секциями сопла, а, следовательно, несущая конструкция, удерживающая подвижную секцию сопла может быть минимизирована. Следовательно, на эту конструкцию не накладывается таких высоких требований по прочности как раньше. А уменьшение требований прочности уменьшает силы, прикладываемые приводами 148 для поворота подвижной секции сопла.

Таким образом, настоящее изобретение предлагает сопло, отклоняемое в любом направлении, в котором оно может быть по желанию установлено; это сопло позволяет не воспринимать нагрузок основному газовому уплотнению. Более того, сопло в настоящем изобретении позволяет уменьшить нагрузки от истечения до нуля и даже до отрицательной величины, так что требования к прочности конструкции, удерживающей подвижную секцию сопла минимальны, что снижает вес сопла.

Это изобретение не ограничивается материальным воплощением, показанным на чертежах и описанным здесь, что сделано для примера, а не для обозначения строгих рамок, а ограничивается содержанием прилагаемых объявлений.

Дата добавления: 2015-09-02