Раздвижные и стационарные неохлаждаемые сопловые насадки

[SpaceR]

putnik
Я этот эффект назвал донным подпором.
Всех общепринятых в среде двигателистов терминов как-то не доводилось изучать.

[Bell]

Насколько я помню, за счет этого самого подпора на нижней поверхности сбрасываемого бака на Фрегате-СБ неожиданно (!) удалось получить прибавку импульса порядка 3 сек.
Но вообще все эти сдвижные насадки - лишние сущности, костыли и подпорки там, где уже ничего другого не помогает. Т.е. сие есьм зло.

[Bell]

SpaceR аргументируйте!

о щелевом сопле слышали?
о приросте тяги за счет эжекции?

Ребята, какая эжекция на третьей ступени?

Мда, эжекция вакуума - это было мощно задвинуто...

[Сторонний]

Насколько я помню, за счет этого самого подпора на нижней поверхности сбрасываемого бака на Фрегате-СБ неожиданно (!) удалось получить прибавку импульса порядка 3 сек.
Но вообще все эти сдвижные насадки - лишние сущности, костыли и подпорки там, где уже ничего другого не помогает. Т.е. сие есьм зло.

Тем более, что берём аэроспайк, который ещё и компактный, - и проблем не имеем. :wink:

[Salo]

Отсутствие проблем с аэроспайком откровенно повеселило.  :wink:

[Salo]

Насколько я помню, за счет этого самого подпора на нижней поверхности сбрасываемого бака на Фрегате-СБ неожиданно (!) удалось получить прибавку импульса порядка 3 сек.
Но вообще все эти сдвижные насадки - лишние сущности, костыли и подпорки там, где уже ничего другого не помогает. Т.е. сие есьм зло.

В случае с РД-0124А мне непонятно, почему донный экран предлагается сделать сдвижным? Что мешает его сделать стационарным на верхней ступени при столь незначительной длине?

[Bell]

Это попытка втиснуть его в нынешние габариты (и массу) ПхО УРМ-2.

[Сторонний]

Отсутствие проблем с аэроспайком откровенно повеселило.  :wink:

Нет проблем с выдвиганием сопла для увеличения удельного импульса, а в остальном их выше крыши.

[Salo]

http://www.roscosmos.ru/download/2011_04_14_polik.zip

«Разработка новых специальных конструкционных материалов и технологий получения из них полуфабрикатов, деталей, элементов конструкций для перспективных изделий ракетно-космической техники нового поколения с повышенными тактико-техническими характеристиками, в части формирования эрозионно-стойкой газоплотной керамики на основе нитрида бора, нитрида циркония и карбида кремния для деталей стационарных плазменных двигателей (СПД) и ЖРД». Шифр: ОКР «Материал» (Полик)

Из файла "Требования Полик":

2. Цели и задачи ОКР
2.1 Цель  работы.
Разработка новых специальных конструкционных материалов и технологий получения из них полуфабрикатов, деталей, элементов конструкций для перспективных изделий ракетно-космической техники нового поколения с повышенными тактико-техническими характеристиками, в части формирования эрозионно-стойкой газоплотной керамики на основе нитрида бора, нитрида циркония и карбида кремния для деталей стационарных плазменных двигателей (СПД) и ЖРД.
Работа в рамках ОКР  должна проводиться по направлениям:
Направление 1
Разработка унифицированных технологий газоплотного соединения теплонагруженных деталей и узлов ЖРД из УККМ C-SiC (камер сгорания, сопловых насадков, газоводов) с металлическими элементами конструкции
Направление 2  
Разработка технологического процесса получения  деталей стационарных плазменных двигателей с защитным слоем из нитрида циркония.
Направление 3  
Разработка эрозионостойкой высокотемпературной керамики на основе нитрида бора для разрядных камер стационарных плазменных двигателей  (СПД).


2.2   Задачи, решение которых обеспечивает достижение поставленной цели.
Для достижения поставленной цели в рамках ОКР необходимо решение следующих задач:

Направление 1  
2.2.1.1 Анализ типовых конструкций  ЖРД, подготовка перечня соединительных узлов, требующих замены на соединение «металл-композит». Разработка требований к соединению  «металл-композит» и конструкциям стыковочных узлов.
2.2.1.2  Разработка конструкций соединения «углерод-керамический композиционный материал (УККМ) – металл» и сборных узлов. Проведение прочностных, теплофизических, газодинамических расчетов конструкции. Разработка технологии формирования  сборных узлов.
2.2.1.3 Разработка и изготовление оснастки для отработки технологии формирования сборных узлов с соединением «УККМ-металл». Отработка технологии формирования  сборных узлов. Разработка технологического процесса.
2.2.1.4 Разработка методик испытаний: механических, тепловых, на газопроницаемость, огневых стендовых. Разработка и изготовление оснастки для проведения испытаний.
2.2.1.5  Изготовление образцов сборных узлов с соединением «УККМ-металл». Проведение испытаний. Проведение структурных исследований образцов. Корректировка технологического процесса.
2.2.1.6 Изготовление образцов камер сгорания ЖРДМТ и сопловых насадков ЖРД с узлами стыка«УККМ-металл».  Проведение испытаний. Структурное исследование образцов до и после испытаний.
2.2.1.7 Корректировка (по результатам испытаний) технологии формирования соединения «УККМ-металл» и сборных узлов. Изготовление опытных образцов сборных узлов. Проведение испытаний. Разработка технологических инструкций по изготовлению узлов стыка на камерах сгорания и сопловых насадках ЖРД. Выпуск паспорта на металло-композитные соединения различных типов.

Направление 2
2.2.2.1 Проведение патентных исследований в соответствии с ГОСТ Р.15.011-96. Выбор исходных реагентов и параметров процесса химического осаждения из газовой фазы.
2.2.2.2    Разработка КД и создание опытно-промышленной установки для нанесения  нитрид циркониевого покрытия  на тугоплавкие материалы. Разработка эксплуатационной документации.
2.2.2.3   Разработка  технологического процесса  нанесения на тугоплавкие материалы  и сплавы (молибден, вольфрам)  покрытия  из нитрида циркония. Изготовление образцов. Проведение испытаний.
2.2.2.4   Корректировка технологического процесса. Изготовление опытных образцов. Разработка программы испытаний. Проведение испытаний.  
2.2.2.5    Изготовление опытной партии деталей катода стационарных плазменных двигателей с защитным слоем из нитрида циркония. Проведение комплексных испытаний. Определение ресурсных характеристик. Разработка технологической инструкции и ТУ на детали катода.
2.2.2.6   Проведение испытаний  деталей катода с защитным слоем из нитрида циркония в условиях, имитирующих работу  стационарного плазменного двигателя.
Направление 3  
2.2.3.1 Проведение патентных исследований по методам получения эрозионостойкой высокотемпературной керамики на основе гексагонального нитрида бора в соответствии с  ГОСТ Р.15.011-96.
2.2.3.2 Разработка технологического процесса получения  высокотемпературной керамики с 90% содержанием гексагонального нитрида бора. Разработка и изготовление оснастки для формования компактных образцов керамики. Отработка режимов формирования компактных образцов.
 2.2.3.3 Изготовление опытной партии компактных образцов керамики. Проведение   комплексных испытаний. Определение микроструктуры. Определение эрозионной стойкости.
2.2.3.4  Разработка и изготовление оснастки, отработка рабочих режимов технологических операций по изготовлению заготовок разрядных камер СПД.
 2.2.3.5  Разработка технологического процесса изготовления заготовок разрядных камер СПД. Изготовление опытной партии заготовок разрядных камер СПД. Проведение испытаний.
 2.2.3.6 Разработка технических условий на компактные образцы высокотемпературной керамики и заготовки разрядных камер СПД. Разработка рекомендаций по внедрению и использованию.

3. Тактико-технические требования к изделию.
3.1 Состав изделия
Направление 1  
Элемент сборного узла ЖРД или ЖРДМТ, включающий деталь из УККМ С-SiC соединенную с  металлическим переходником.
Направление 2
Опытная партии деталей катода стационарных плазменных двигателей с защитным слоем из нитрида циркония.
 Направление 3  
Опытная партия заготовок разрядных камер СПД.


3.2. Требования назначения
Направление 1  
Должен быть разработан элемент стыковочного узла ЖРД или ЖРДМТ, включающий деталь из УККМ  С-SiC соединенную с  металлическим переходником, имеющий следующие характеристики:
- температура эксплуатации - до 800, °С;
- прочность соединения «УУКМ-металл» - e30, МПа;  
- газопроницаемость (проницаемость УККМ С-SiC)   -    d10-14 м2.
Направление 2
Защитный слой из пиролитического нитрида циркония на тугоплавкие материалы и сплавы должен обеспечивать следующие эксплуатационные характеристики деталей катода СПД:
- обеспечивать ресурс работы не менее 7000 ч
- рабочие температуры эксплуатации не менее 2300°С,
Направление 3  
Элементы изделий из эрозионостойкой высокотемпературной керамики на основе нитрида бора  должны обеспечивать работоспособность заготовок разрядных камер стационарных плазменных двигателей при следующих условиях:
- максимальная рабочая температура °С,  не менее 1900
- стойкость к термическому удару °С, не менее 250
-  теплопроводность Вт/м град,  не менее 10

4 Технико-экономические требования
Стоимость работ не должна превышать начальной цены государственного контракта. Она может изменяться в пределах, установленных законодательством.
Создаваемая научно-техническая продукция должна отвечать требованиям российских и международных стандартов, востребована на внутреннем и внешнем рынках.

Направление 1
Разработка процесса соединения деталей из УККМ с металлическими деталями (соединения «УККМ-металл») и стыковочных узлов ЖРД или ЖРДМТ, изготовленных с использованием этого соединения должна позволить:
- снизить вес конструкции на >25 %;
- увеличить удельный импульс ЖРД и ЖРДМТ на 10 %.
- снизить себестоимость узлов на 10 %
Направление 2
         Разработка технологического процесса нанесения защитного слоя из пиролитического нитрида циркония на тугоплавкие материалы и сплавы должна обеспечить:
- объем серийного выпуска катодов-нейтрализаторов для электроракетных двигателей на пятилетний период - более 1000 шт.;
- выход годной продукции не менее 90%;
- качество и  надежность работы деталей катода СПД;
- снизить затраты на изготовление на 15-20%;
   - повысить рабочие температуры эксплуатации до 2300 °С;

Направление 3
         Разработка эрозионостойкой высокотемпературной керамики на основе нитрида бора для разрядных камер стационарных плазменных двигателей  (СПД) должна позволить:
    - повысить максимальную рабочую температуру на 25%;
    - повысить стойкость к термоудару на 50%;
    - повысить ресурс работы на 15%;
    - повысить  удельный импульс на 50%;  
    - увеличить максимальное разрядное напряжение на 65%;

[Salo]

http://technique.com.ua/uploads/books/AKTT_17.djvu

ОСОБЕННОСТИ ОТРАБОТКИ СОПЛОВОГО НАСАДКА ИЗ УГЛЕРОД-УГЛЕРОДНОГО КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА И УЗЛА СТЫКА С ОХЛАЖДАЕМОЙ ЧАСТЬЮ КАМЕРЫ ДВИГАТЕЛЯ

[Salo]

СОПЛО С ПЕРЕМЕННОЙ СТЕПЕНЬЮ РАСШИРЕНИЯ Патент Российской Федерации

Суть изобретения:    Сопло с переменной степенью расширения, используемое при создании сопловых блоков ракетных и реактивных двигателей, содержит стационарную часть и складывающийся насадок, образованный набором продольных лепестков, шарнирно соединенных со стационарной частью, и шпангоутом. Шпангоут соединен с лепестками при помощи звеньев, расположенных в радиальных плоскостях. Шарниры в стыке лепестков со стационарной частью и звеньями выполнены сферическими или карданными, а в стыке звеньев со шпангоутом - цилиндрическими с расположением оси вращения перпендикулярно соответствующим радиальным плоскостям сопла. Изобретение позволяет упростить конструкцию сопла и повысить его надежность при максимальном сокращении габаритов в осевом и радиальном направлениях. 5 ил.

Номер патента:    2198315
Класс(ы) патента:    F02K1/06
Номер заявки:   99105019/06
Дата подачи заявки:   10.03.1999
Дата публикации:   10.02.2003
Заявитель(и):   Открытое акционерное общество Научно-производственное объединение "Искра"
Автор(ы):   Соколовский М.И.; Зыков Г.А.; Лянгузов С.В.; Тодощенко А.И.
Патентообладатель(и):   Открытое акционерное общество Научно-производственное объединение "Искра"
Описание изобретения:    Изобретение относится к аэрокосмической технике и может быть использовано при создании сопловых блоков ракетных и реактивных двигателей.
Применение в ракетных двигателях сопла с переменной степенью расширения, которое в транспортном положении занимает минимальные габариты, а после снятия габаритных ограничений (отделение космического аппарата от ракеты-носителя, разделение ступеней, сход с транспортно-пусковых установок и т.п.) превращается в полноразмерное сопло, позволяет решить две задачи:
- уменьшить габариты двигательной установки или (при неизменных габаритах) разместить дополнительное топливо;
- увеличить в условиях космического пространства тягу двигателя за счет использования сопла с диаметром выходного сечения, выходящим за мидель двигателя.
Один из самых эффективных способов решения этих задач реализуют сопла с лепестковыми насадками [Фахрутдинов И. Х., Котельников А.В. Конструкция и проектирование РДТТ: Учебник для машиностроительных вузов. - М.: Машиностроение, 1987. - 328 с.: ил. (см.стр. 145-146)]. Однако большинство известных схем лепестковых насадков требует сложных устройств синхронного раскрытия с одновременным разворотом лепестков (см., например, там же рис.6.20). Топология складки лепестков в известных схемах, проектируемая в угоду стремлению упростить устройства раздвижки, далека от совершенства и слабо реализует потенциальные возможности уменьшения габаритов лепесткового насадка (если лепестки сложить стопкой, они будут занимать габариты и объем в десятки раз меньше, чем сложенный телескопический раздвижной секционный насадок (там же, стр.142, рис.6.14).
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому положительному эффекту к предлагаемому изобретению является решение по заявке Японии N 58-51149 от 15.11.83 (МКИ F 02 K 9/97) "Телескопическое сопло", по которому к стационарной части сопла шарнирно присоединены продольные пластины (лепестки), образующие газовый тракт закритической части сопла. На срезе сопла лепестки шарнирами скреплены со шпангоутом. Уменьшение осевых габаритов сопла происходит за счет деформации лепестков при осевом смещении с поворотом вокруг своей оси шпангоута.
Недостатком этой схемы является деформативность лепестков. Требования деформативности в комплексе с требованиями по эрозионной и тепловой стойкости являются труднореализуемыми, приводящими к снижению надежности и усложнению конструкции.
Технической задачей настоящего изобретения является упрощение конструкции сопла и повышение его надежности при максимальном сокращении габаритов в осевом и радиальном направлениях.
Сущность изобретения заключается в том, что в известном сопле с переменной степенью расширения, содержащем стационарную часть и складывающийся насадок, образованный набором продольных лепестков, шарнирно соединенных со стационарной частью, и шпангоутом, шпангоут соединен с лепестками при помощи звеньев, расположенных в радиальных плоскостях. Шарниры в стыке лепестков со стационарной частью и звеньями выполнены сферическими или карданными, а в стыке звеньев со шпангоутом - цилиндрическими с расположением оси вращения перпендикулярно соответствующим радиальным плоскостям сопла.
Технический результат достигается за счет того, что предлагаемая топология расположения лепестков позволяет
1) выполнять лепестки в виде жестких пластин, т.е. из материалов, обладающих необходимой эрозионной и тепловой стойкостью, а также выполнять все остальные узлы и детали сопла жесткими из традиционных для подобных конструкций материалов;
2) уменьшить осевые габариты сложенного сопла при упрощении кинематики его раздвижки и соответствующем упрощении устройств раздвижки;
3) уменьшить радиальные габариты сложенного сопла за счет введения между лепестком и шпангоутом звеньев при сохранении простоты и надежности раздвижки по п.(2).
Уменьшение осевых габаритов сложенного сопла по п.(2) для простоты рассуждении первоначально будем рассматривать при условии жесткого закрепления звеньев в шпангоуте (т.е. звенья являются частью шпангоута). При этом сферические шарниры позволяют насадку, имеющему коническую (или близкую к конической) форму (см. фиг.1), при провороте шпангоута относительно стационарной части вокруг продольной оси на угол

[Salo]

http://mt2.bmstu.ru/BMR2010/v1/5.pdf

РАЗДВИЖНОЙ СОПЛОВОЙ НАСАДОК ДЛЯ ДВИГАТЕЛЕЙ I И II СТУПЕНЕЙ РАКЕТЫ-НОСИТЕЛЯ ТЯЖЕЛОГО КЛАССА

[Salo]

РАЗДВИЖНОЙ СОПЛОВОЙ НАСАДОК ДЛЯ ДВИГАТЕЛЕЙ I И II СТУПЕНЕЙ РАКЕТЫ-НОСИТЕЛЯ ТЯЖЕЛОГО КЛАССА
 
Беликов Антон Александрович
Россия, г. Пермь, ОАО НПО «Искра»
baa703@iskra.perm.ru
 
Руководитель: Бондаренко Сергей Александрович
 
Дальнейшее развитие и совершенствование средств выведения космических аппаратов на  орбиту  неразрывно  связано  с повышением  энергетических  характеристик  двигателей, входящих  в  состав  маршевых  ступеней  ракет  и  разгонных  блоков.  В настоящее  время  в жидкостных  ракетных  двигателях (ЖРД)  все  чаще  стали  находить  применение  сопловые насадки  из  углеродных  композиционных  материалов,  в  том  числе  и раздвижные  насадки, поскольку  это  единственный  способ повышения  эффективности  таких  двигателей  за  счет увеличения  степени  расширения  сопла.  Все  они  разрабатывались  для двигателей  высотных ступеней.
В  течение  нескольких  лет  успешно  эксплуатируется двухсекционный  углеродный насадок двигателя 11Д58М, применяемый  в разгонном блоке РН «Зенит 3SL»,  запускаемой  в рамках  программы «Морской  старт».  Разработан,  отработан  и готов  к  практическому применению раздвижной вариант этого насадка.
За  рубежом  верхняя  ступень  ракеты-носителя (РН) «Delta IV», представленная двигателем  фирмы Pratt & Whitney «RL10B-2», оснащена  крупногабаритным  раздвижным сопловым  насадком  из углеродного  композиционного  материала  производства  компании Snecma, добавляющим дополнительно около 30 секунд удельного импульса [1, 2].
Настоящая  работа  представляет  новую  ступень  в  истории применения  раздвижных сопел. Впервые  ставится  задача повышения  эффективности  ракеты-носителя  тяжелого  класса за счет применения раздвижных сопел на двигателях стартовых ступеней, работающих в более тяжелых условиях, чем высотные двигатели.
Предпосылками  создания  насадка  является  более  чем тридцатилетний  опыт  НПО «Искра»  в  разработке,  отработке  и успешной  эксплуатации  раздвижных  сопел  ракетных двигателей  на  твердом  топливе (РДТТ)  в  составе  ракетных  комплексов стратегического назначения  наземного  и  морского  базирования.  В  настоящее  время  решены  теоретические вопросы,  связанные  с  созданием  расчетно-методического  и  программного  обеспечения, которое  необходимо  для проектирования  раздвижных  сопел,  решены  не  менее  сложные вопросы по разработке и отработке конструкций узлов фиксации,  герметизации, конструкций насадков, приводов  выдвижения,  созданы  и  внедрены  новые  материалы, созданы промышленная и экспериментальная базы.
Наибольшую  эффективность  от  внедрения  раздвижных  насадков  удалось  получить  в последние  годы  благодаря  широкому применению  композиционных  материалов,  особенно класса «углерод-углерод».  Более  того,  применение  этих  материалов  позволило  начать использование раздвижных насадков в конструкциях ЖРД космического назначения.
Спроектированные  раздвижные  сопловые  насадки  размещаются на  двигателе центрального  блока  РН,  который  функционирует при  работе  обеих  ступеней,  а  также двигателях четырех периферийных блоков первой ступени, размещенных по «пакетной» схеме.
На  первой  ступени  работают  пять  двигателей,  впоследствии боковые  блоки  сбрасываются,  а центральный двигатель с насадком продолжает работу в составе второй ступени (рисунок 1).


Рисунок 1 – Раздвижной сопловой насадок для двигателей I и II ступеней РН тяжелого класса
 
Проектирование насадка связано с рядом особенностей:
  раздвижка  насадков  происходит  в  процессе  работы двигателя  и  не  сразу  после включения,  а  на  высоте  порядка  четырех  километров,  так  как  до  этого  момента применение соплового насадка не дает эффективности;
  одновременно раздвигаются насадки на всех пяти блоках РН;
  высокие значения аэродинамических нагрузок;
  высокие тепловые нагрузки из-за режима работы двигателей I, II ступеней и РН в целом;
  ограничения  по  ударным  нагрузкам  при  фиксации, связанные  с  конструктивными особенностями жидкостных ракетных двигателей;
  вопросы,  связанные  с конструктивными особенностями, такие как установка насадка на готовое  сопло  камеры,  учет расположения  узлов  системы  охлаждения  камеры, необходимость предстартового обслуживания двигателя и др.;
  необходимость специального привода раздвижки.
 
Высокие  требования,  которые  предъявляются  к  энерго-массовым характеристикам двигателей,  предполагают  применение конструкционных  материалов,  работающих  при температурах до 3600 °С.
Углерод-углеродные  композиционные  материалы (УУКМ) благодаря их  уникальной сопротивляемости термоудару, термической, химической и эрозионной стойкости находят все более широкое применение  в  ракетно-космической  технике  для  наиболее теплонапряженных деталей газового тракта сопел РДТТ и сопловых насадков ЖРД.
В настоящее время для повышения жаростойкости и окислительной стойкости УУКМ раструбов  насадков  отрабатывается  технология нанесения  различных  защитных  покрытий, которые  также  могут быть  использованы  при  изготовлении  раструбов.  Хотя  покрытие на основе SiC  обеспечивает  защиту  рабочей  поверхности  от уноса,  однако  при  нанесении покрытия  происходит  повреждение армирующего  каркаса,  что  приводит  к  некоторому снижению прочности основного (защищаемого) материала.
Перспективными  конструкционными  материалами  для  деталей сопловых  насадков являются  углерод-карбидкремниевые композиционные  материалы (УККМ),  изготавливаемые путем высокотемпературного парофазного силицирования.
Из  условий  действующих  нагрузок,  агрессивности  рабочей среды,  эрозионной  и химической стойкости соплового насадка при работе первой ступени РН, большинство УУКМ полностью не обеспечивали предъявляемые к материалу требования. В итоге выбор остановлен на углерод-карбидкремниевом материале с насыщением карбидом кремния.
Конструктивно  сопловой  насадок  представляет  собой  отдельную  сборку  и  состоит  из выдвигаемого  насадка,  механизма выдвижения  насадка  в  рабочее  положение,  привода механизма  выдвижения,  элементов  фиксации  сложенного  и  рабочего  положений  насадка,  а также узла крепления насадка к камере двигателя (рисунок 2).
Диаметр среза насадка составляет 1700 мм, ход выдвигаемой части – 600 мм.


Рисунок 2 – Раздвижной сопловой насадок в рабочем положении
 
Механизм  выдвижения  насадка  представляет  собой  замкнутую  силовую  систему, которая  воспринимает  нагрузки,  возникающие  при  работе  двигателя,  и  обеспечивает направленное,  бесперекосное  выдвижение  насадка.  Механизм  конструктивно  состоит  из силового  набора,  включающего  в  себя  пантографы,  кронштейны  их  крепления,  реечные направляющие и неподвижный силовой цилиндр, на котором закреплены звенья пантографов, направляющие и привод механизма выдвижения.
Пантограф – это  двузвенный  механизм,  звенья  которого  шарнирно  соединены  между собой.  Одно  звено  пантографа  крепится  к  шпангоуту  выдвигаемого  насадка,  а  другое – к неподвижному силовому цилиндру. Материал звеньев – алюминиевый сплав.
Неподвижный  силовой  цилиндр  выполнен  в  виде  тонкостенной  цилиндрической оболочки и  закреплен на кольцевом шпангоуте узла крепления к камере двигателя. Материал направляющих  и  силового  цилиндра –  высокомодульный  углепластик.  На  направляющих установлены пироболты фиксации насадка в сложенном положении.
В  разложенном (рабочем)  положении  насадок  фиксируется  с  помощью  цанг,  а  для смягчения  ударных  нагрузок  при  фиксации  и  для  уплотнения  стыка  в  рабочем  положении применен демпфирующий элемент.
В  зафиксированном  на  цангах  положении  выдвигаемый  насадок  находится  в  течение всего времени работы двигателя.
Из  условий  действия  больших  внешних  нагрузок  и  низких значений  допустимых ударных  нагрузок  при  фиксации, необходимо  регулировать  скорость  насадка  в  процессе движения, так как в противном случае ударные нагрузки при фиксации могут достигнуть более 100  тонн. В  процессе  движения  насадка необходимо  сдерживающее  усилие,  а  для  надежной фиксации насадка в конце пути раздвижки требуется дополнительное усилие. Эти усилия могут быть обеспечены введением в конструкцию насадка специального привода раздвижки.
Предлагаемый  привод  раздвижки  насадка  представляет  собой  объемный гидродвигатель, состоящий из четырех силовых гидроцилиндров с прямолинейным движением поршней. Корпуса гидроцилиндров установлены на неподвижном силовом цилиндре насадка с помощью карданных шарниров крепления. Штоки поршней связаны с выдвигаемым насадком через  шарнирные  соединения.  Для  сокращения  габаритов  конструкции  гидроцилиндры выполнены телескопическими, с двумя движущимися поршнями каждый.
В  качестве  источника  давления  в  напорной  линии  гидропривода (для  создания потребного  усилия  привода  раздвижки)  предлагается  использовать  отбор  мощности  от магистрали подачи горючего двигателя.
Для  обеспечения постоянной  скорости движения поршней  гидроцилиндров (а  с ними, соответственно,  выдвигаемого насадка) независимо от действующих  значений осевых усилий предлагается  использовать  регуляторы  расхода,  устанавливаемые  в  сливную  линию гидропривода.
Раздвижка насадка осуществляется в следующем порядке:
- после  подачи  команды  срабатывает  механизм  фиксации  насадка  в  сложенном положении и включается подача рабочей жидкости в гидроцилиндры;
- насадок под действием осевых сил начинает движение;
- выдвижение  насадка  за  счет  регуляторов  расхода осуществляется  с  постоянной скоростью, при этом ожидаемая скорость выдвижения составит порядка 0,3 м/с;
- в  конце  пути  выдвижения  с  помощью  гидропривода происходит  обжатие  цанг, деформация  демпфера  и  фиксация  насадка  на  цангах,  после  чего  давление  из  напорной магистрали гидроцилиндров может быть сброшено.
Изменение  газодинамического  усилия  по  ходу  выдвижения  насадка  представлено  на рисунке 3.


Рисунок 3 – Изменение газодинамического усилия по ходу движения насадка
 
При  выборе  варианта  конструкции  привода  выдвижения  насадка  были  рассмотрены приводы,  которые  используются  в конструкциях  раздвижных  сопел  РДТТ  и  ЖРД.  Это электромеханический  привод,  газодинамический (за  счет  истекающей  струи  продуктов сгорания),  однако  применение  их  для  данного  насадка  сопряжено  с  рядом  особенностей, которые делают их применение нецелесообразным.
Применение  электромеханического  привода  требует  установки  на  борту электрооборудования  с  характеристиками  по  току I = 200 А,  мощностью 4  кВт  для  участка фиксации.  При  этом  привод  в  режиме  выдвижения  насадка  должен  обладать  свойствами самотормозящего  механизма,  что,  в  свою  очередь,  требует  применения  кинематической передачи «винт-гайка»  с  устройствами  синхронизации.  При  этом  весьма  актуальным становится  вопрос  обеспечения  защиты  кинематической  передачи  от  теплового  и механического воздействия продуктов сгорания в момент старта ракеты.
Использование  газодинамического  привода  из-за  невозможности  регулирования движущей силы в процессе выдвижения насадка приводит к значительным (± 100 тс) ударным нагрузкам, при  этом направляющий механизм,  взаимодействующий  с  газовой  струей, должен быть  сброшен после  завершения процесса раздвижки. Еще одним из недостатков  этой  схемы является необходимость отработки процесса раздвижки на летных испытаниях при совместном действии внешних аэродинамических и внутренних газодинамических сил.
Применение  автономных  источников мощности,  например,  газогенераторов,  баллонов со сжатым газом и т.д. существенно усложнит и повысит стоимость конструкции раздвижного насадка в целом. Поэтому отбор мощности от напорной магистрали горючего с использованием принципа  поддержания  постоянного  расхода  позволяет  решить  главную  задачу  по  отработке привода –  это  возможность  отработки  процесса  раздвижки  насадка  автономно  в  цеховых условиях.
Основные элементы раздвижного соплового насадка представлены на рисунке 4.


Рисунок 4 – Элементы раздвижного соплового насадка
 
Из анализа теплового состояния насадка следует, что наиболее критичными по времени работы  на  максимальном  давлении  являются  условия  работы  насадка I  ступени  при  отрыве охлаждающей завесы в пограничном слое. Температура газа в пограничном слое в этом случае составляет порядка 3550 К по длине насадка.
Расчеты показали, что на момент раздвижки температура по длине насадка составляет порядка 900 °С.  Стационарный  режим  нагрева  насадка  реализуется  на 100 с  при  этом максимальная  температура  рабочей  поверхности  насадка  составляет  порядка 2000 °C.
Распределение  поля  температур  в  заделке  насадка  на двухсотой  секунде  работы  показано  на рисунке 5.


Рисунок 5 – Поле температур в заделке насадка на 200 с

Из сравнения результатов тепловых расчетов сопла с насадком и без него следует, что наличие  насадка  повышает  температуру выходной  части  охлаждаемого  сопла  на 400 °С (рисунок 6).


Рисунок 6 – Максимальная температура концевой части среза сопла ЖРД при работе  с насадком и без него
 
Опыт  отработки  сопел  РДТТ  и  ЖРД  с  насадками  из  УУКМ  показал,  что  одним  из показателей влияющим на работоспособность насадков является величина уноса материала.
По предварительным оценкам можно ожидать, что ожидаемый унос материала раструба насадка  на  максимальном  режиме  составит 0,82 мм.  При  работе  на  номинальном  режиме ожидаемая  величина  уноса  составит 0,47 мм.  Из  расчетов  следует,  что  при  сохранении тепловой завесы максимальный унос материала составляет 0,5 мм на максимальном режиме и 0,19 мм на номинальном режиме (рисунок 7).
 

Рисунок 7 – Изменение величины уноса материала по длине насадка

В  результате  проведенных  работ  показана  возможность  создания  раздвижного соплового  насадка  для  двигателей I  и II  ступеней  ракеты-носителя  тяжелого  класса. Определены  пути  решений  вопросов,  связанных  с  выбором  конструкции  основных  узлов насадка,  выбором материалов  основных  его  элементов и подтверждением работоспособности насадка в составе двигателей стартовых ступеней РН.
 
Список литературы

1.  Статья «Сопловые  насадки  из  высокотемпературных  композитных  материалов,  испытанная  и эффективная  технология  для  улучшения  технических  характеристик жидкостного  ракетного  двигателя верхней  ступени», 43-я  совместная  конференция  и  выставка AIAA/ASME/SAE/ASEE 8-11  июля 2007 года, Цинциннати, Огайо, США.

2.  Статья «Расширение возможностей ракет», журнал Aerospace America, июнь 1999 года.

[Salo]

Модели двигателей КБХА представлены на стенде ГКНПЦ им.Хруничева в Ле-Бурже:




На заднем плане модель РД-0146Д с выдвинутым сопловым насадком.

[Seerndv]

А рис. 6 никого не испугал кроме меня?  :oops:
Оно (сопло) это выдержит? И не потребуется дополнительный тепловой экран с усиливающей обечайкой?  :shock:

[Salo]

[Вован]

Этот насадок выдвигается перед запуском двигателя, поскольку при движении внешнего конуса по внутреннему конусу уплотнение между ними достигается только в конце выдвижения.

[Salo]

Для РБ это допустимо.

[SpaceR]

Для РБ это допустимо.

Угум.
А когда ВСН надвинется  на уже горячий край сопла, то первое время будет прогреваться, а потом появится зазор, и газы попрут в него, разогревая и без того горячую (согласно Рис. 6) кромку основной части сопла.
Зазор как-то выбирать надо, "дожимая" ВСН дальше, а тут уже начнутся сложности, потому что прорвавшийся горячий газ подогреет и механизм выдвижения...

[Salo]

А вот авторы работы так не считают.

Рисунок 5 – Поле температур в заделке насадка на 200 с

Как видим температура в месте стыка сопла и насадка 70 градусов.

Для РБ это допустимо.

Угум.

В приведенной Вами цитате я сказал, отвечая Вовану, что выдвижение насадка до пуска двигателя допустимо для РБ. Что не так? Край сопла прогреется до пуска ЖРД?