Раздвижные и стационарные неохлаждаемые сопловые насадки

[Salo]

А freinir был прав:
http://www.kerc.msk.ru/ipg/patent/2267026.shtml

Маршевая многокамерная двигательная установка с сопловым насадком (варианты)
Патент РФ № 2267026

Изобретение относится к ракетной технике и может быть использовано при создании или модернизации маршевых многокамерных двигательных установок.
Первый вариант конструкции представляет собой маршевую многокамерную двигательную установку с сопловым насадком, снабженную силовым элементом, при этом насадок выполнен двухпозиционным и имеет форму стакана, донная часть которого снабжена отверстиями для сопел, установленных с кольцевым зазором. При этом насадок охватывает сопла и установлен на силовом элементе с возможностью продольного перемещения насадка из транспортной позиции, при которой срез насадка расположен выше или на уровне среза сопел, в рабочую позицию, при котором срез насадка выступает за срез сопел на длину меньшую или равную удвоенной разности между внутренним диаметром насадка у среза сопла и диаметром среза сопла умноженным на корень из числа сопел.
Второй вариант конструкции отличается от первого варианта тем, что насадок имеет форму стакана с выдвижной боковой поверхностью, например, в виде телескопических секций. При переводе насадка из транспортной позиции в рабочую, он выступает за срез сопел на длину меньшую или равную удвоенной разности между внутренним диаметром секции насадка и диаметром среза сопла умноженным на корень из числа сопел.
Изобретение обеспечивает повышение тяги путем создания областей с повышенным давлением, образующих при взаимодействии выхлопных струй двигателя со стенками насадка. Проведенная оценка эффективности использования изобретения показала возможность увеличения тяги маршевой многокамерной двигательной установки до 3 %.

На ту же тему:
http://www.mipt.ru/nauka/conf_mipt/conf49/z49/faki/program/laptev.pdf
http://faki.fizteh.ru/pub/49_science_conf_new/m_2p3oc5/m_2pev7o.html

И.В. Лаптев
Московский физико-технический институт (государственный университет)
Д.М. Борисов, М.Л. Куранов
ФГУП "Исследовательский Центр им. М.В. Келдыша"

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОСТРАНСТВЕННЫХ ТЕЧЕНИЙ В ДОННОМ ЦИЛИНД-РИЧЕСКОМ НАСАДКЕ МНОГОСОПЛОВЫХ ДУ.

Для повышения тяговых характеристик ДУ наряду с сопловыми насадками традиционной формы могут рассматриваться и другие технические решения, а именно: выдвижные элементы в виде цилиндрических насадков. Такие решения могут оказаться целесообразными для модернизируемых четырехсопловых ДУ с плотной компоновкой, т.е. с малыми расстояниями между срезами соседних сопел.
В связи с использованием сдвигаемых донных насадков возникает ряд проблем-ных вопросов, главным из которых является прогнозирование приращения величины пустотного удельного импульса тяги многосопловых ДУ с цилиндрическими донными насадками.
Для оценки дополнительного усилия, создаваемого цилиндрическим донным насадком, а также расчета теплового состояния материалов элементов конструкции насадка требуется нахождение распределения локальных характеристик течения в донной области насадка и расчет некоторых интегральных величин.
Экспериментальное определение характеристик натурного насадка в земных условиях затруднительно, поэтому данные характеристики необходимо рассчитывать. Для подтверждения справедливости подобного расчета были проведены эксперименты и расчеты модельного насадка.
Экспериментальные исследования течения газа проводились на модели четырехсоплового блока с цилиндрическим насадком, схема которого представлена на Рис.1. В эксперименте использовались профилированные сопла со степенью расширения 1.7, что при реализованных в эксперименте давлениях в ресивере обеспечивало давление на срезе сопел значительно превышающих атмосферное.  В качестве рабочего тела был выбран воздух.
В процессе экспериментальных исследований было проведено девять запусков для измерения газодинамических параметров течения в цилиндрическом насадке многосопловой модели. Каждый запуск представлял собой набор режимов – последовательно проходимых значений давления в ресивере. В результате экспериментов было установлено, что на каждом из режимов (при различных значениях  давления в ресивере) распределение давления в донной области насадка является практически изобарным. Кроме того, было установлено, что отношение давления в донной области к соответствующему давлению в ресивере является постоянной величиной. Причем это обстоятельство имеет место не только в рамках одного эксперимента, но справедливо и от опыта к опыту. Таким образом, можно сказать, что распределение давления в донной части насадка является автомодельным. Аналогичная автомодельность наблюдается и в распределении давления вдоль образующих цилиндрического насадка.
Численное моделирование течения в донной области насадка проводилось модифицированным методом крупных частиц. Предполагалось, что начальное сечение (передняя стенка) насадка совпадает с выходным сечением сопла. При нулевом угле поворота имеет место симметрия течения относительно двух плоскостей, поэтому расчет проводился для одной четвертой объема (Рис. 2).
Сравнение результатов расчета с экспериментальными данными показало хорошее согласие. На Рис. 3 представлено сравнение распределений давления вдоль образующей цилиндрического насадка, полученных из эксперимента и из расчета.
Данная работа подтвердила справедливость трехмерного расчета параметров течения применительно к донному цилиндрическому насадку, что позволяет производить численное моделирование течения в натурных ДУ с донными цилиндрическими насадками.

Литература:
1.Абрамович Г.Н. Прикладная газовая динамика. - М., Наука, 1976
2.Белоцерковский О.М., Давыдов Ю.М. Метод крупных частиц в газовой динамике. - М., Наука, 1982. - 392с.
3.Куранов М.Л., Борисов Д.М., Лаптев И.В. Модернизация двигателя 14Д23 в час-ти внедрения сопловых насадков радиационного охлаждения из углеродного композиционного материала и сдвижного донного насадка. / НТО. Центр Келдыша. Инв. № 4277к, 2005г.

[Salo]

Вот ещё одна тема:
http://www.novosti-kosmonavtiki.ru/phpBB2/viewtopic.php?t=2291&start=0&postdays=0&postorder=asc&highlight=vinci

[GREMLIN]

Ещё один характерный пример ОДУ ОК "Буран" Двигатель орбитального маневрирования 11Д12 без насадки



И он же с пустотной, сопловой насадкой радиационного охлаждения из ниобиевого сплава, изготовляемого методом раскатки (без сварки)
 

[Uriy]

А что если в РДТТ на  последующих ступенях сопла делать не раздвижные. Топить их глубоко в заряд.А пространство сопла использовать под контур верхнего днища предыдущей ступени.
Управление с головы.Ракета будет покороче и отпадает необходимость в узлах раздвижки.Возрастает надёжность.

[Salo]

А как будет выгорать та часть заряда которая между соплом и корпусом? С торца? А что будет с соплом при одновременном воздействии горячих газов изнутри и снаружи?

[Гость 22]

Обзор применения выдвижных сопловых насадков радиационного охлаждения на современных и перспективных ЖРД

В настоящее время выдвижной сопловой насадок применяется лишь на двух ЖРД: на RL-10B-2 (Рисунок 7) и RL-10A-4-2 (Рисунок 8 ). Еще на одном двигателе – РД-58М такой насадок находится в стадии летных испытаний. В ЖРД RL-10A-4-2 выдвижной насадок выполнен из ниобиевого сплава [6], а в двигателях RL-10B-2 [7] и РД-58М [8] из УУКМ. На находящихся в данный момент в стадии наземных испытаний перспективных двигателях MB-60, РД-0146 и Vinci также планируется применять выдвижной неохлаждаемый сопловой насадок из УУКМ. Использование насадков радиационного охлаждения больших степеней расширения  из УУКМ позволяет существенно увеличить удельный импульс без значительного повышения массы ЖРД.

Впервые для двигателей разгонных блоков выдвижной неохлаждаемый насадок из УУКМ был применен в 1998 году на двигателе RL-10B-2. Этот насадок изготавливается фирмой Snecma, имеющей большой опыт разработки сопел для РДТТ. Насадок изготавливается из материала Novoltex® Sepcarb® и состоит из стационарной и подвижной части. Начальный диаметр насадка равен 1113 мм, выходной диаметр равен 2136 мм. Длина соплового насадка в разложенном состоянии составила 2525 мм. Степень расширения по площадям была повышена с 77 до 285, что позволило увеличить удельный импульс на 30 сек, до 465 сек. Вероятней всего сопловые насадки перспективного европейского двигателя Vinci и американского RL-60 будут также разработаны и произведены фирмой Snecma.

Применяемый на российском ЖРД РД-58М сопловой насадок из УУКМ изготавливается из материала «Граурис» (Рисунок 9). Этот материал разработан и производится НПО «Искра» и НТХ (г. Пермь), имеющих большой опыт в создании сопел для РДТТ. Для перспективного российского безгенераторного ЖРД РД-0146 также планируется использование соплового насадка из материала «Граурис».


Рисунок 7. Схема выдвижного соплового насадка из УУКМ ЖРД RL-10B-2


Рисунок 9. Двигатель РД-58М с сопловым насадком из УУКМ

Отрывок из статьи "Математическая модель оценки массовых характеристик кислородно-водородного безгенераторного ЖРД по его основным проектным параметрам." (взять можно здесь: http://www.mai.ru/projects/mai_works/articles/num32/article5/article.zip )

[Гость 22]

Еще пара ссылок:

http://www.mai.ru/colleges/fac_2/kaf/k202_Semenov/index.php?id=14


http://www.mai.ru/colleges/fac_2/kaf/k202_Semenov/index.php?id=11

[avmich]

Допустим, УИ некоего ЖРД без соплового насадка - 3500 м/с, а с насадком- 3550 м/с. Пусть пустая (однокамерная) ступень без насадка весит 10 т, а полезный груз ступени - 20 т. Пусть топлива в ступени 150 т.

Получается, что ХС такой ступени раньше был

3500 * ln (180 / 30) = 6271,16

а с насадком стал -

3550 * ln((180 + x) / (30 + x))

Находим x, при котором ХС сравниваются -

(180 + x) / (30 + x) = 5,85048

x = 0,924785 т

То есть, имеем выигрыш в ХС, если масса насадка не выше 925 кг.

[avmich]

C новым годом :) .

[Дмитрий В.]

C новым годом .

Логично! И - аналогично!!!

[Shestoper]

Еще пара ссылок:

http://www.mai.ru/colleges/fac_2/kaf/k202_Semenov/index.php?id=14

Хорошая конструкция для насадков на мощных двигателях первой ступени, которые из-за большой тяги нельзя сделать однокамерными.

[Salo]

Хорошая конструкция для Falcon 9. И насадок в сложенном состоянии может служить частью ХО первой ступени. :roll:

[Salo]

Вот ещё один вариант:
СОПЛО МНОГОКАМЕРНОГО ЖИДКОСТНОГО РАКЕТНОГО ДВИГАТЕЛЯ. Патент Российской Федерации

Суть изобретения: Сопло предназначено для использования в многокамерных ракетных двигателях на жидком топливе. Оно содержит три или четыре укороченных сопла, соединенных между собой по внутренним участкам периметров стенкой. Стенка имеет форму гипоциклоиды с тремя или четырьмя ветвями. Общая расширяющаяся часть сопл соединена с укороченными соплами по внешним участкам периметров и имеет в сечении форму эпициклоиды с тремя или четырьмя ветвями. Выполненное таким образом сопло обладает меньшей массой, позволяет максимально использовать мидель ракеты и регулировать геометрическую степень расширения по высоте полета ракеты, экспериментальным путем подтвердить экономичность двигателя и значительно уменьшить донное сопротивление. 2 ил.  
Номер патента: 2140005  
Класс(ы) патента: F02K9/97  
Номер заявки: 98114146/06  
Дата подачи заявки: 28.07.1998  
Дата публикации: 20.10.1999  
Заявитель(и): Федеральное государственное унитарное предприятие Конструкторское бюро химавтоматики  
Автор(ы): Худиковский В.Л.; Кучин А.П.; Козелков В.П.  
Патентообладатель(и): Федеральное Государственное унитарное предприятие Конструкторское бюро химавтоматики  
Описание изобретения: Изобретение относится к области ракетостроения и может быть использовано в многокамерном ЖРД.
Известны ЖРД (РЛ-107, РД-108, PA-214, РД-0110, РД-0124 и др.), содержащие четыре камеры с круглыми соплами, имеющими сужающиеся и расширяющиеся части оптимальных размеров.
Наиболее близким является ЖРД, описание которого приведено в книге: Алемасов В.Е., Дрегалин А.Ф., Тишин А.П. Теория ракетных двигателей: М., Машиностроение, 1980; стр. 201, стр. 203 - рис. 16.13, 16.14; стр. 204 - рис. 16.15 - прототип.
Указанный ЖРД, выбранный в качестве прототипа, по сравнению с однокамерным имеет значительно меньшую длину, поэтому уменьшены и габариты всей ракеты, что в конечном итоге приводит к заметному выигрышу в массе.
В то же время такая конструкция многокамерного ЖРД обладает следующими недостатками:
не позволяет максимально использовать мидель ракеты; требует сложной конструкции зашиты двигателя;
не позволяет по высоте полета ракеты регулировать геометрическую степень расширения сопла;
не позволяет экспериментальным путем с помощью вакуум-камеры и газодинамических труб подтвердить экономичность высотного двигателя;
расширяющиеся части сопел и зашита двигателя имеют большую массу;
при работе 1 ступени ракеты возникает большое непостоянное донное сопротивление.
Задачей предлагаемого изобретения является устранение указанных недостатков: уменьшение массы сопла, увеличение и регулирование геометрической степени расширения сопла, повышение эксплуатационных характеристик двигателя.
Поставленная задача достигается тем, что в разработанном сопле многокамерного ЖРД, состоящем из нескольких круглых сопел оптимальных размеров, имеющих сужающиеся и расширяющиеся части, корпуса расширяющихся частей выполнены укороченными и в районе выходных сечений по внутренним участкам периметров соединены между собой жестко стенкой, имеющей форму гипоциклоиды, например, с четырьмя ветвями, а по внешним участкам - с панелями, которые жестко соединены между собой, образуя общую расширяющуюся часть, имеющую в сечении, перпендикулярном оси двигателя, форму эпициклоиды, например, с четырьмя ветвями.
Укороченные сопла располагаются между собой значительно ближе (~ на 40%), что дает возможность уменьшить длину газоводов камер, а следовательно и массу двигателя.
Общая часть сопел по сравнению с полноразмерными частями этих сопел имеет на ~34% меньшую массу. Защита двигателя, установленная на общей части сопел, имеет значительно меньшую массу.
Наличие общей части сопел позволяет увеличить удельный импульс тяги (уменьшить длину двигателя) за счет максимального использования миделя ракеты, регулировать по высоте геометрическую степень расширения сопла за счет излома контура, экспериментальным путем подтвердить экономичность двигателя, значительно уменьшить донное сопротивление.
На фиг. 1 представлено предлагаемое сопло многокамерного ЖРД; на фиг. 2 - вид А,
где:
1 - укороченное сопло камеры ЖРД;
2 - стенка;
3 - панель;
4 - общая часть сопел.
Сопло многокамерного ЖРД содержит четыре укороченных сопла 1, одну стенку 2, четыре панели 3, образующие общую часть сопел 4.
Расширяющаяся часть укороченного сопла 1 представляет собой начальный участок расширяющейся части полноразмерного высотного сопла, имеющего контур с равномерной характеристикой. В зависимости от назначения многокамерного ЖРД расширяющаяся часть укороченного сопла может быть выполнена по земному или высотному контуру. Стенка 2, имеющая в плане форму гипоциклоиды с четырьмя ветвями, соединена с укороченными соплами 1 в районе выходных сечений по внутренним участкам периметров и обеспечивает истечение газа через выходное сечение общей части сопел 4. Панели 3 жестко соединены с выходными сечениями укороченных сопел по внешним участкам периметров и между собой, образуя общую расширяющуюся часть сопел 4, которая в сечении, перпендикулярном оси двигателя имеет форму эпициклоиды с четырьмя ветвями.
Контур общей расширяющейся части сопел 4 обеспечивает параллельный поток в выходном сечении с одной и той же величиной скорости в любой точке этого сечения.
Сопло многокамерного ЖРД в месте стыка укороченных сопел с общей частью может быть выполнено без излома и с изломом контура.
Кроме того, сопло многокамерного ЖРД может быть выполнено из трех укороченных сопел, соединенных между собой по внутренним участкам периметров стенкой, имеющей форму гипоциклоиды с тремя ветвями, а по внешним участкам - с панелями, которые образуют общую расширяющуюся часть, имеющую в сечении, перпендикулярном оси двигателя, форму эпициклоиды с тремя ветвями.
Во время работы ЖРД продукты сгорания топлива из камер сгорания поступают в укороченные сопла 1, где расширяются до сверхзвуковой скорости (М = 1,5-2,5). Дальнейшее расширение продуктов сгорания до значительно большей (необходимой) сверхзвуковой скорости происходит в общей части сопел 4. За счет излома контура в месте стыка общей части с укороченными соплами обеспечивается регулирование геометрической степени расширения по высоте полета ракеты.
Применение предложенного изобретения позволяет уменьшить массу двигателя, максимально использовать мидель ракеты для увеличения геометрической степени расширения сопла и уменьшения донного сопротивления, уменьшить длину двигателя и обеспечить регулирование геометрической степени расширения сопла по высоте полета ракеты.
Изготовление предлагаемого устройства не требует специальных технологий и реализуется известными методами.  
Формула изобретения: Сопло многокамерного жидкостного ракетного двигателя, состоящее из нескольких круглых сопл оптимальных размеров, имеющих сужающиеся и расширяющиеся части, отличающееся тем, что в нем корпуса расширяющихся частей выполнены укороченными и в районе выходных сечений по внутренним участкам периметров соединены между собой жестко стенкой, имеющей форму гипоциклоиды, например, с четырьмя ветвями, а по внешним участкам - с панелями, которые жестко соединены между собой, образуя общую расширяющуюся часть, имеющую в сечении, перпендикулярном оси двигателя, форму эпициклоиды, например, с четырьмя ветвями.  

[Гость 22]

Вот ещё один вариант:
СОПЛО МНОГОКАМЕРНОГО ЖИДКОСТНОГО РАКЕТНОГО ДВИГАТЕЛЯ. Патент Российской Федерации

Вот тот же патент с "картинками":
http://www.lpre.de/resources/patents/RU2140005.pdf

[Salo]

Спасибо!

[mescalito]

Грустно смотреть на эти насадки (российские). Насадки разработанные в МАИ уже лет 30 не внедрены хотя всё уже давно доказано и показана их эффективность.

[Salo]

Давайте вспомним не внедрённые НК-31, НК-39, НК-33, НК-43, РД-57, РД-0120. А также ГР-1, Н-1, Н-11, "Подъём", "Зенит" с НК-33, кислородно-керосиновый "Протон" с верхней водородной ступенью, "Энергию"-"Буран", "Энергию-М", энергиевскую "Ангару","Ямал", "Аврору", водородные разгонные блоки С, Р, СР, "Смерч", "Шторм", "Вихрь", "Везувий" и т.д., и т.п. ...

[Salo]

А вот ещё вариант:
http://engine.aviaport.ru/issues/59/page08.html

ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ СОЗДАНИЯ
ЖИДКОСТНОГО РАКЕТНОГО ДВИГАТЕЛЯ С ИЗМЕНЯЕМОЙ СТЕПЕНЬЮ РАСШИРЕНИЯ СОПЛА

Виктор Дмитриевич Горохов, зам. генерального конструктора ОАО "Конструкторское бюро химавтоматики",
доцент Воронежского государственного технического университета, к.т.н.
Владимир Викторович Черниченко, доцент Воронежского государственного технического университета, к.т.н.

Приведены результаты научно-исследовательских работ по созданию камеры жидкостного ракетного двигателя с центральным выдвижным телом, обеспечивающим изменение площади критического сечения сопла в процессе работы двигателя

Развитие современной ракетной техники предъявляет новые требования к жидкостным ракетным двигателям (ЖРД), связанные с дальнейшим повышением эффективности рабочего процесса, увеличением надежности и ресурса. Добиться указанных целей можно, проводя исследования и внедряя технические решения, направленные на оптимизацию конструкции камеры и двигателя в целом, а также применяя новые материалы и технологии.

Основным интегральным показателем экономической эффективности разработок в ракетно-космической технике являются стоимость вывода на орбиту одного килограмма полезного груза и возможность увеличения массы полезного выводимого груза.
Одним из основных параметров, характеризующих степень совершенства ракетного двигателя, является удельный импульс тяги.

Установлено, что потери удельного импульса тяги на 0,1 % для кислородно-водородных двигателей РД0120 (Россия) и SSME (США) космических систем типа "Энергия-Буран" и Space Shuttle приводят к снижению полезной нагрузки на 200...250 кг.
Для достижения максимально возможной величины удельного импульса тяги чрезвычайно актуальным становится вопрос дальнейшего совершенствования внутрикамерных процессов.

Удельный импульс тяги может быть увеличен на 1...5 % при увеличении степени расширения сопла камеры сгорания (КС) путем уменьшения площади критического сечения при выдвижении профилированного охлаждаемого центрального тела, установленного по оси камеры, в критическое сечение при неизменной площади среза сопла.

Технические решения, связанные с созданием и размещением в камере подвижного центрального тела, регулирующего площадь критического сечения, открывают большие возможности при разработке двигателей с регулируемыми круглыми и кольцевыми соплами. Появляется возможность плавного регулирования тяги двигателя и степени расширения сопла по траектории полета, что существенно улучшает его энергетические характеристики, однако практическое использование такого способа в ракетном двигателестроении до настоящего времени сдерживается сложностью обеспечения работоспособности камеры с центральным выдвижным телом и отсутствием экспериментальных данных по эффективности его применения, в связи с чем дальнейшие теоретические и экспериментальные исследования в данной области являются необходимыми и актуальными.

При создании перспективных ЖРД важнейшими задачами являются повышение энергетических характеристик и надежности, увеличение ресурса, обеспечение многоразовости, улучшение массовых характеристик. Эти задачи могут быть решены при проведении исследований по основным агрегатам ЖРД с учетом новейших достижений в области использования экологически чистых компонентов топлива, достижений в области схемных и конструкторско-технологических решений, использования перспективных материалов.

Ракетный двигатель с регулируемой тягой представляет достаточно большой интерес с многих точек зрения. Диапазон использования регулируемых ракетных двигателей с изменяемой тягой начинается от воздушных и земных ракетных снарядов и заканчивается ракетами-носителями и аппаратами для исследования других космических тел.

Возможные методы регулирования тяги двигателей могут быть разделены на следующие основные категории:

ступенчатое изменение тяги. Для получения различных значений тяги в работу включаются несколько двигателей;
дросселирование подачи топлива. Изменение расхода топлива достигается посредством дросселирующих клапанов или регулированием числа оборотов крыльчаток насосов;
дросселирование двигателя изменением общей площади проходных сечений форсунок;
дросселирование двигателя изменением площади критического сечения сопла и др.
Необходимо отметить, что, при глубоком дросселировании резко падает экономичность и ухудшаются условия охлаждения стенок камеры сгорания. Устойчивость, экономичность и охлаждение двигателя взаимосвязаны. Поэтому решение проблемы создания надежно работающего ЖРД неотделимо от успешного решения каждой из этих задач.

Принципиальной особенностью двигателя с переменным критическим сечением сопел, отличающей его от существующих, является повышение удельного импульса тяги при дросселировании.

Анализ этих особенностей показывает, что регулировать тягу однокамерного ЖРД можно двумя путями: изменением расхода топлива и скорости истечения Wa.

В свою очередь, расход можно регулировать изменением геометрических размеров камеры сгорания (Fкр , Fa) и геометрии форсунок.

Необходимо отметить, что способы регулирования тяги путем изменения геометрических размеров форсунок достаточно подробно исследованы.

Можно регулировать тягу изменением площади критического сечения сопла Fкр (при Fa = const). При уменьшении площади критического сечения сопла увеличиваются Рк, другие параметры, а также температура в камере сгорания Тк, термический к.п.д.  и степень расширения сопла.

Изменять Fкр можно двумя способами: механическим и газодинамическим. Механический способ в основном состоит в применении профилированных "игл" - центральных тел, вводимых по специальным направляющим в критическое сечение сопла. Газодинамический способ основывается на уменьшении Fкр путем вдувания газа, подаваемого через отверстия или щели в район критического сечения сопла.

Для сохранения в процессе регулирования тяги высокой экономичности при условии Pк = const следует изменять расход топлива пропорционально изменению площади проходного сечения сопла форсунки Fф и Fкр. А для сохранения расчетного режима работы сопла на определенной высоте полета необходимо также, чтобы степень расширения сопла Fa оставалась постоянной. Для этого следует изменять Fa прямо пропорционально изменению Fкр.

Таким образом, для регулирования тяги при постоянном удельном импульсе Iу необходимо регулировать площади проходного сечения Fф, Fкр, Fа пропорционально изменению.

В литературе представлена модельная двухрежимная камера ЖРД, в которой регулирующий орган выполнен в виде профилированного центрального тела с утолщением на конце. Смесительная головка данной камеры изготовлена из двух частей: неподвижной и подвижной, соосно перемещающихся друг относительно друга, при этом оси однокомпонентных форсунок окислителя и горючего расположены перпендикулярно к оси камеры сгорания. Регулирующий орган соединен с подвижной частью смесительной головки, связанной с исполнительным механизмом.

Перемещение иглы в район критического сечения сопла осущеcтвляется вместе с подвижной частью смесительной головки, что позволяет одновременно с уменьшением критического сечения уменьшить площадь проходного сечения форсунок и, в то же время, приводит к уменьшению объема камеры сгорания и сокращению времени пребывания компонентов топлива. Одновременное изменение проходного сечения форсунок и площади критического сечения сопла позволяют поддерживать постоянным давление в камере при регулировании тяги. Использование смесительной головки, состоящей из подвижной и неподвижной частей, требует применения на исполнительном механизме (в данном случае - гидроцилиндре) значительных усилий и не позволяет достичь высокого давления в камере из-за негерметичности уплотнений между стенкой камеры сгорания и подвижной частью смесительной головки.

Выдан патент на камеру с регулируемой площадью критического сечения, в которой смесительная головка установлена неподвижно в камере сгорания, а регулирование площади осуществляется путем перемещения регулирующего органа, связанного с исполнительным механизмом, в критическое сечение.

В исходном положении регулирующий орган установлен таким образом, что его профилированная выходная часть входит в критическое сечение камеры и перекрывает его, при этом часть регулирующего органа расположена за критическим сечением. Площадь образованного кольцевого критического сечения в этом случае равна разности площадей круглого критического сечения и площади регулирующего органа.

Такое расположение регулирующего органа обуславливает перемещение плоскости критического сечения в закритическую часть сопла, что приводит к нерасчетному истечению продуктов сгорания и, соответственно, значительным потерям экономичности на первом режиме.

Размещение выходной части регулирующего органа в наиболее теплонапряженном месте требует более интенсивного охлаждения выходной части, что также ведет к потерям удельного импульса тяги.

При регулировании площади критического сечения регулирующий орган смещается в сторону закритической части и уменьшает площадь критического сечения. Плоскость критического сечения при этом смещается еще дальше в закритическую часть, что приводит к дальнейшим потерям экономичности из-за нерасчетного режима истечения. При таком конструктивном исполнении камеры с регулируемой площадью критического сечения в ряде случаев эффект от регулирования может быть не достигнут из-за изначальных потерь экономичности на первом режиме и значительного усложнения конструкции.

Комбинация изменения площади проходного сечения сопл форсунок Fф с изменением площади критического сечения сопла камеры сгорания Fкр нашла применение в разработке одного из вариантов двигательной установки посадочной ступени космического аппарата "Викинг".

Необходимо отметить, что механическим путем изменять площадь критического сечения сопла камеры сгорания в процессе работы двигателя можно не только при помощи подвижного центрального тела. В литературе представлена конструктивная схема двухпозиционного сопла с регулируемой площадью критического сечения по патенту США № 3907222. В районе критического сечения сопла установлен специальный профилированный элемент, имеющий форму усеченного конуса со сферическими основаниями. Элемент изготовлен из композиционного материала типа окиси кремния и фенольной смолы; он может поворачиваться на оси с помощью привода. Ось установлена в дозвуковой части сопла. Если элемент расположен основанием конуса к камере сгорания, то обеспечивается минимальная площадь критического сечения. При повороте элемента вокруг оси вращения на 180° площадь критического сечения увеличивается и достигает максимального значения. Если элемент принимает положение под углом к оси, то происходит отклонение вектора тяги. Проведены стендовые испытания ракетного двигателя малой тяги данной конструкции.

Успешно проведенные в ОАО КБХА (Воронеж) огневые испытания модельной кислородно-водородной камеры с охлаждаемым центральным выдвижным телом, при которых впервые в мировой и отечественной практике была изменена площадь критического сечения во время работы камеры, подтвердили возможность создания ЖРД с регулируемым критическим сечением.

На первом огневом испытании модельной камеры продолжительностью 35 с центральное тело не выдвигалось. Во время испытания проверялась общая работоспособность камеры и режимы охлаждения центрального тела. После испытаний проведена дефектация материальной части. Состояние материальной части не изменилось.

На втором огневом испытании модельной камеры продолжительностью 25 с центральное тело по команде управления на 11 с было выдвинуто в критическое сечение сопла. Время выдвижения центрального тела в сопло составило 0,1...0,12 с.
При перемещении во время огневого испытания центрального тела в направлении сверхзвукового сопла (выдвинутое положение) и уменьшении площади критического сечения вдвое давление в камере сгорания возросло в 1,975 раза, как и ожидалось, и дальнейшие испытания проводились при повышенном давлении в камере сгорания. Расходы компонентов топлива при выдвижении центрального тела и уменьшении площади критического сечения изменились незначительно.

После испытаний произведен осмотр модельной камеры и выполнена дефектация состояния материальной части. Состояние материальной части оказалось удовлетворительным.

При определении характеристик экономичности камеры на одном режиме первого испытания и на двух режимах второго испытания использовались параметры, измеренные при работе модельной камеры.

Представленные данные показывают, что при испытаниях камеры были обеспечены режимы, для которых характерны пониженное соотношение компонентов топлива Кm. Расчетная величина давления в выходном сечении сопла является ниже критического значения на всех режимах ра < ркр. В результате этого течение газа в сопле происходило при наличии скачка уплотнения и отрыва потока от стенки сопла.

Учитывая, что охлаждение камеры и центрального тела водой уменьшает температуру продуктов сгорания компонентов топлива и, соответственно, параметры экономичности, было сделано приведение удельного импульса тяги в пустоте Iуп к адиабатным условиям. Кроме того, было сделано приведение этих параметров по соотношению компонентов топлива к номинальному значению Кm = 4.

В результате этих операций было определено приведенное значение удельного импульса тяги в пустоте. Полученные экспериментальные данные позволили выполнить расчет параметров кислородно-водородного ЖРД РД0120 с центральным выдвижным телом.

Таким образом, проведенный анализ имеющейся научно-технической и патентной литературы показал, что до настоящего времени нет созданного и эксплуатируемого ЖРД с центральным телом, а основной проблемой в создании камеры с регулируемой площадью критического сечения является разработка надежной конструкции подвижного центрального тела. Также недостаточно полно исследованы и определены такие параметры камеры ЖРД с регулируемым критическим сечением, как оптимальное месторасположение выходной части центрального тела, и, соответственно, длина центрального тела, его прочность и устойчивость, охлаждение камеры и центрального тела, утечки компонента, применяемого для охлаждения центрального тела, через уплотнительные элементы и др.

Несмотря на вышеперечисленные проблемы, необходимо отметить, что технические решения по созданию и размещению подвижного центрального тела в камере, регулирующего площадь критического сечения, открывают большие возможности по разработке двигателей с регулируемым круглым и кольцевыми соплами. Появляется возможность плавного регулирования тяги двигателя и степени расширения сопла по траектории полета, что существенно улучшает их энергетические характеристики.

Однако практическое использование такого способа в ракетном двигателестроении до настоящего времени сдерживается сложностью обеспечения работоспособности центрального выдвижного тела и отсутствием экспериментальных данных по эффективности его применения.

[Salo]

Двигатель: ОПРАВА ДЛЯ ОГНЯ

[kopiev]

Допустим, УИ некоего ЖРД без соплового насадка - 3500 м/с, а с насадком- 3550 м/с. Пусть пустая (однокамерная) ступень без насадка весит 10 т, а полезный груз ступени - 20 т. Пусть топлива в ступени 150 т.

Получается, что ХС такой ступени раньше был

3500 * ln (180 / 30) = 6271,16

а с насадком стал -

3550 * ln((180 + x) / (30 + x))

Находим x, при котором ХС сравниваются -

(180 + x) / (30 + x) = 5,85048

x = 0,924785 т

То есть, имеем выигрыш в ХС, если масса насадка не выше 925 кг.

Видимо, Ваши расчеты верны, не проверял, но здесь, на мой взгляд, следует учесть следующее:
1) На современных РН используется тепловой экран для защиты двигателя, который очевидно имеет массу. Расширяющей насадки может оказаться достаточно, чтобы от этого экрана избавиться.
2) Если речь о тандемном соединении носителя, то соединение между ступенями без насадки должно быть длиннее, то есть тоже должно иметь большую массу. С насадкой такое соединение должно стать короче, то есть легче.