Сопла маршевых РДТТ и системы создания боковых усилий

Под сопловым блоком РДТТ понимают конструкцию собственно сопла и систему создания боковых усилий, они обычно неотъемлемы друг от друга. Конструкция сопла осуществляет разгон рабочего тела, материалы и толщины их определяет уровень воздействия потока продуктов сгорания на элементы тракта. В тоже время конструктивная схема сопла влияет на уровень воздействия, в первую очередь на величину конвективных тепловых потоков и интенсивность высокоскоростного соударения частиц к-фазы с концевыми частями сопел.

Так, например, в 60-е годы прошлого века применялись четырехсопловые блоки (рис 17.1). В начальные моменты времени из канала заряда на сопловую крышку набегал двухфазный поток со скоростью сотни м/с и были проблемы с тепловой защитой - значительный унос массы в окрестности критической точки крышки. Дело доходило до установки пятого сопла на оси крышки, в итоге крышку прикрыли небольшим слоем топлива. К тому же в такой схеме существует интенсивное осаждение к-фазы на периферийный участок концевой части сопла.

А современная схема (рис.17.2) центрального утопленного в канал заряда сопла исключает высокие скорости обтекания заднего эллипсоида корпуса и осаждение к-фазы в сверхзвуковой части. Такая схема позволяет применять эффективные системы создания боковых усилий. Сопло можно сделать раздвижным для уменьшения габаритов ракеты, что и реализовано в маршевых двигателях ракет MX, SS-24. Схема раздвижного сопла двигателя III ступени ракеты MX показана на рис. 17.3: два насадка выдвигаются автономным приводом, выполненным в виде четырех телескопических гидравлических поршневых штанг. Источником энергии служит ПАД.

Собственно конструкцию соплового блока можно разделить на подсистемы, выполняющие разные функции. Таковыми являются силовые элементы, элементы тепловой защиты и элементы ССБУ с приводом. Для схемы сопла рис.17.2 силовыми элементами будут неподвижная и подвижная части, а также элемент "корзина" для передачи усилия от РМ. Их выполняют из титановых сплавов с проведением необходимых прочностных расчетов.

Важнейшей является подсистема тепловой защиты ввиду высокого уровня тепловых потоков в поверхность тракта сопла. Изменение уровня конвективного теплообмена по контуру сопла показано на рис. 17.2 и собственно зависимость а(х) определяет выбор материалов и толщины характерных участков конструкции. Радиационный теплообмен значителен на входе в сопло, его необходимо учитывать и в сверхзвуковой части, но здесь уже роль излучения не столь существенна.

Системы создания боковых усилий и их характеристики представлены на рисунках 17.2 – 17.15.

Рис 17.2. Центральное утопленное сопло РДТТ

1 – заряд ТТ; 2 – ТЗП заднего эллипсоида корпуса; 3 – закладной элемент;

4 – корпус; 5 – несущая конструкция неподвижной части сопла;

6 – эластичный опорный шарнир (ЭОШ); 7 – конструкция подвижной части сопла;

8 – несущая конструкция сверхзвуковой части сопла; 9 – шток РМ;

10 – «корзина»; 11 – крепление насадка; 12 – насадок из УУКМ; 13 – «чехол» насадка (углевойлок); 14 – тепловая защита из углепластика, 15 – тепловая защита ЭОШ; 16 – входная часть сопла (углепластик); 17 – горловина сопла (УУКМ);

18 – раструб сопла (углепластик); 19 – изолятор (ТЗМ); 20 – центр вращения сопла

Рис. 17.3. РДТТ со складывающимся сопловым насадком

1 – насадок в сложенном положении;

2 – насадок в развёрнутом положении

Рис. 17.4. Газовый руль РДТТ

1 – перо руля из сплава на основе W; 2 – тарель; 3 – вал; 4 – стакан;

5 – кронштейн; 6 – уплотнение; 7, 8, 9 – подшипники; 10 – контур пера из-за эрозии

Рис. 17.5. Система вдува газа в сверхзвуковую часть сопла

1 – корпус двигателя; 2 – ТЗП корпуса; 3 – сопловая крышка из стали; 4 – ТЗП крышки; 5 – перегородка из углепластика; 6 – газоход; 7 – блок управления по крену; 8 – сопло, 9 – корпус блока вдува; 10 – регулятор расхода (W-Mo); 11 – манжета заряда; 12 – отверстие газовой связи; 13 – заряд из неметаллизированного топлива; 14 – сопло блока вдува; 15 – передняя граница отрывной области; 16 – отверстие вдува; 17 –линия растекания; 18 – линия вторичного отрыва потока

Рис. 17.6. Схема вдува газа из автономных газогенераторов

1 – кольцевой канал газовой связи ГГ;

2 – ГГ (4 по каждой базе)

Рис 17.7. Схема вдува газа в сверхзвуковую часть сопла из корпуса двигателя

Рис. 17.8. Схема разрезного управляющего сопла

1 – неподвижная часть;2 – кронштейн; 3 – уплотнительная диафрагма; 4 – ось;

5 – подвижная часть; 6 – скачок уплотнения; 7 – центр вращения части сопла

Рис. 17.9. Схема поворотного сопла с элементами привода

1 – двигатель управления по каналу крена; 2 – РМ двигателя крена; 3 – бак с маслом; 4 – РМ;

5 – ГГ; 6 – центр вращения сопла; 7 - ЭОШ

Рис 17.10. Горловина сопла с ЭОШ

1 – входная часть из углепластика; 2,3 – изоляторы из углепластика;

4 – защита шарнира угольной тканью; 5 – защита шарнира резиной;

6 – неподвижная часть сопла из титанового сплава;

7 – ЭОШ; 8 – раструб сверхзвуковой части из углепластика;

9 – элемент конструкции подвижной части сопла из титанового сплава;

10 – несущая конструкция сверхзвуковой части сопла; 11 – вставка из углепластика;

12 – вкладыш из УУКМ; 13 – центр вращения сопла

Рис. 17.11. Сопло на эластичном опорном шарнире с задним центром вращения

1-подвижная часть сопла; 2-неподвижная часть сопла; 3,4-опорные кольца; 5-жесткая тарель; 6-эластомер

Рис 17.12. Гидрокольцевой подвес сопла.

1-подвижная часть сопла; 2-неподвижная часть; 3,4-диафрагмы

Рис 17.13. Диаграммы изменения управляющих сил по времени полёта ракеты:

а – для нижней ступени ракеты; б – для верхней ступени ракеты

Рис 17.14. Схема кинематической передачи РМ – поворотное сопло

а - типичная схема с продольным расположением силовых цилиндров РМ;

б - РМ установлена по нормали к профилю;

в - РМ установлена тангенциально к контуру сопла

Рис. 17.15. Эффективность создания боковых усилий

1 – ПУС; 2 – РУС; 3 – вдув газа; 4 – впрыск жидкости; 5 – газовый руль