RU2757311C1

RU2757311C1 - Nozzle attachment

Info

Publication number: RU2757311C1
Application number: RU2020130065A
Authority: RU
Inventors: Михаил Григорьевич Смирнов; Денис Игоревич Сидоров
Original assignee: Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство обороны Российской Федерации
Priority date: 2020-09-11
Filing date: 2020-09-11
Publication date: 2021-10-13

Abstract

FIELD: rocket engineering.

SUBSTANCE: invention relates to rocket engineering, namely to a design of a rocket engine nozzle. The flexible nozzle attachment is comprised of a flexible shell with a pile layer, a flexible sublimating material is located on the inner side of the shell, wherein the threads of the pile of a heat erosion-resistant material pass through said material, wherein the ends of the threads of said pile are directed along the wall of the attachment towards the outlet section of the attachment, the height of protrusion of the threads relative to the inner surface of the stationary part of the nozzle does not exceed the thickness of the turbulent boundary layer in the section of adjoining of the flexible attachment with the stationary part of the nozzle. The flexible nozzle attachment provides a reduction in the longitudinal dimensions of the nozzle in the initial folded transport position and a nozzle thrust with a large expansion in the unfolded operating position. The pile layer is used to protect the flexible shell from the thermal and erosion impact of the fuel combustion products. The limited protrusion of the threads of the pile relative to the inner surface of the stationary part of the nozzle allows reducing the impact of the flow of combustion products with a lower velocity in the boundary layer on the pile layer. The sublimating material prevents thermal destruction of the sealed shell, preventing the temperature of the inner surface of the shell from rising above the sublimation temperature.

EFFECT: invention increases the protection of the flexible nozzle attachment from the impact of the flow of high-temperature fuel combustion products during the entire operating time of the rocket engine.

1 cl, 4 dwg

Description

Предлагаемое изобретение относится к ракетной технике, а именно, к конструкции сопла ракетного двигателя. Гибкий сопловой насадок пристыкован к торцу неподвижной части сопла, выполненной из жестких силовых и теплоэрозионностойких элементов, и обеспечивает в исходном сложенном транспортном положении уменьшение продольных габаритных размеров сопла, а в рабочем развернутом положении тягу сопла с большим расширением.The proposed invention relates to rocketry, namely, to the design of the rocket engine nozzle. A flexible nozzle attachment is docked to the end face of the stationary part of the nozzle, made of rigid power and heat-erosion-resistant elements, and provides a reduction in the longitudinal overall dimensions of the nozzle in the initial folded transport position, and in the working unfolded position of the nozzle thrust with a large expansion.

Известны конструкции сопел с гибкими насадками (патенты США №3933310 кл. 239-265.43, №4426038 кл. 239-265.15, РФ кл. F02K 9/97 №2647022), в которых сопловой насадок пристыкован к неподвижной части сопла и выполнен в виде тканевой гибкой оболочки из тугоплавких волокон (углерода, кварца), покрытой жаростойким волокном. Внутренняя поверхность гибкого соплового насадка, обращенная к потоку продуктов сгорания, образована пучками ворса из углеродных или кварцевых нитей. Наиболее близкой, выбранной в качестве Прототипа, является конструкция сопла с гибким сопловым насадком, известная из патента США №4426038 кл. 239-265.43. Гибкий сопловой насадок, пристыкованный к жесткой неподвижной части сопла, изготовлен из жаростойкого волокна, скрепленного с тканевой оболочкой из тугоплавких волокон углерода или кварца. Для дополнительной защиты от теплоэрозионного воздействия продуктов сгорания твердого топлива на внутренней поверхности использованы пучки ворса, выполненные из углерода, графита или кварца. В нерабочем транспортном положении гибкий насадок располагается над внешней поверхностью неподвижной части сопла. Выдвижение насадка в рабочее положение может осуществляться любыми известными способами.Known designs of nozzles with flexible nozzles (US patents No. 3933310 class 239-265.43, No. 4426038 class 239-265.15, RF class F02K 9/97 No. 2647022), in which the nozzle nozzle is docked to the stationary part of the nozzle and is made in the form of a fabric flexible shell made of refractory fibers (carbon, quartz), covered with heat-resistant fiber. The inner surface of the flexible nozzle, facing the flow of combustion products, is formed by bunches of pile from carbon or quartz filaments. The closest, selected as the Prototype, is a nozzle design with a flexible nozzle head, known from US patent No. 4426038 class. 239-265.43. The flexible nozzle attachment, docked to the rigid stationary part of the nozzle, is made of heat-resistant fiber bonded to a fabric sheath made of refractory carbon or quartz fibers. For additional protection from the thermal erosion effect of the combustion products of solid fuel, bunches of pile made of carbon, graphite or quartz are used on the inner surface. In the non-working transport position, the flexible nozzle is located above the outer surface of the stationary part of the nozzle. The extension of the nozzle into the working position can be carried out by any known methods.

Недостатком известной конструкции является недостаточная защищенность материала гибкого соплового насадка от теплового и эрозионного воздействия продуктов сгорания твердого топлива.The disadvantage of the known design is the insufficient protection of the flexible nozzle material from the thermal and erosion effects of solid fuel combustion products.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение защиты гибкого соплового насадка от воздействия потока высокотемпературных продуктов сгорания топлива на протяжении всего времени работы ракетного двигателя.The objective of the present invention is to improve the protection of the flexible nozzle attachment from the impact of the flow of high-temperature fuel combustion products throughout the entire operation time of the rocket engine.

Решение поставленной задачи достигается тем, что в известном сопле с гибким сопловым насадком на внутренней стороне гибкой оболочки расположен ворсовый слой, свободные концы нитей ворса направлены по потоку вдоль стенки насадка в сторону выходного сечения насадка, а высота выступания нитей относительно внутренней поверхности неподвижной части сопла не превышает толщину пограничного слоя потока продуктов сгорания, что уменьшает воздействие на ворсовый слой. Сублимирующий материал, расположенный в ворсовом слое, например, в виде покрытия на гибкой оболочке, сквозь которое проходят нити ворса, предохраняет оболочку от теплового разрушения.The solution to this problem is achieved by the fact that in the known nozzle with a flexible nozzle nozzle on the inner side of the flexible shell there is a pile layer, the free ends of the filaments of the pile are directed downstream along the wall of the nozzle towards the outlet section of the nozzle, and the height of the protrusion of the threads relative to the inner surface of the stationary part of the nozzle is not exceeds the thickness of the boundary layer of the flow of combustion products, which reduces the impact on the pile layer. The sublimation material located in the pile layer, for example, in the form of a coating on a flexible casing, through which the pile threads pass, protects the casing from thermal destruction.

На фиг. 1 изображено сопло ракетного двигателя с гибким сопловым насадком в исходном транспортном положении.FIG. 1 shows a rocket engine nozzle with a flexible nozzle attachment in the initial transport position.

На фиг. 2 изображено сопло ракетного двигателя с гибким сопловым насадком в развернутом рабочем положении.FIG. 2 shows a rocket engine nozzle with a flexible nozzle attachment in a deployed operating position.

На фиг. 3, 4 изображена структура стенки гибкого соплового насадка.FIG. 3, 4 show the structure of the wall of the flexible nozzle attachment.

Сопло с гибким сопловым насадком состоит из неподвижной части (1), и пристыкованного к ней гибкого соплового насадка (2), содержащего гибкую оболочку (3), с внутренней стороны оболочки расположен гибкий сублимирующий материал (5), сквозь который проходят нити ворса из теплоэрозионностойкого материала (6), направленные вдоль стенки насадка в сторону выходного сечения насадка, причем высота Δ выступания нитей относительно внутренней поверхности неподвижной части сопла не превышает размера δ_Т толщины турбулентного пограничного слоя в сечении стыковки гибкого насадка с неподвижной частью сопла.A nozzle with a flexible nozzle nozzle consists of a stationary part (1), and a flexible nozzle nozzle (2) attached to it, containing a flexible shell (3), on the inner side of the shell there is a flexible sublimating material (5) through which threads of pile from heat erosion-resistant material (6) directed along the wall of the nozzle towards the outlet section of the nozzle, and the height Δ of the protrusion of the threads relative to the inner surface of the stationary part of the nozzle does not exceed the size δ _{T of the} thickness of the turbulent boundary layer in the section where the flexible nozzle is joined with the stationary part of the nozzle.

На внешней стороне оболочки гибкого соплового насадка в местах предполагаемого сгиба расположены кольцевые элементы (4) каркаса, не препятствующие сворачиванию гибкого насадка в транспортное положение.On the outer side of the shell of the flexible nozzle, in the places of the expected bend, there are ring elements (4) of the frame, which do not prevent the flexible nozzle from rolling into the transport position.

Гибкая оболочка, например, из термостойкой резины, выполнена герметичной, что нужно для уменьшения потерь удельного импульса. Оболочка является основой стенки насадка и может служить для закрепления нитей ворса. Кольцевые элементы, расположенные на внешней стороне оболочки, выполняют роль местных шпангоутов и не позволяют существенно исказить профиль гибкого насадка при действии внутреннего статического давления в процессе работы двигателя. Расположение этих шпангоутов в окружном направлении позволяет сложить относительно них гибкий насадок в исходное транспортное положение. Эти шпангоуты могут быть выполнены, например, из углерод-углеродного материала или высокомодульного материала типа СВМ.The flexible shell, for example, made of heat-resistant rubber, is made sealed, which is necessary to reduce the specific impulse losses. The cover is the basis of the wall of the nozzle and can serve to fix the pile threads. The annular elements located on the outer side of the shell play the role of local frames and do not significantly distort the profile of the flexible nozzle under the action of internal static pressure during engine operation. The arrangement of these frames in the circumferential direction allows the flexible attachment to be folded relative to them into the initial transport position. These frames can be made, for example, of carbon-carbon material or high modulus material of the CBM type.

Внутренняя сторона оболочки представляет собой ворсовый слой, свободные концы нитей которого направлены по потоку вдоль стенки насадка в сторону выходного сечения соплового насадка. Высота выступания Δ нитей относительно внутренней поверхности неподвижной части сопла должна быть меньше толщины турбулентного пограничного слоя δ_T в сечении стыка. Эти меры предназначены для уменьшения воздействия на ворсовый слой потока продуктов сгорания, имеющего меньшую скорость V в пограничном слое. Нити могут быть выполнены в виде жгутов из углеродных или кремнеземных волокон. Направление нитей в сторону выходного сечения насадка позволяет увеличить их длину при сохранении размера Δ. Тепловой поток преимущественно распространяется вдоль нитей, поэтому указанное направление нитей позволяет увеличить время начала сублимации материала.The inner side of the shell is a pile layer, the free ends of the threads of which are directed along the flow along the wall of the nozzle towards the outlet section of the nozzle nozzle. The height of the protrusion Δ of the threads relative to the inner surface of the stationary part of the nozzle should be less than the thickness of the turbulent boundary layer δ _T in the joint section. These measures are intended to reduce the impact on the pile layer of the flow of combustion products, which has a lower velocity V in the boundary layer. The threads can be made in the form of bundles of carbon or silica fibers. The direction of the threads towards the outlet section of the nozzle allows them to increase their length while maintaining the size Δ. The heat flow predominantly spreads along the filaments; therefore, the indicated direction of the filaments makes it possible to increase the time for the onset of sublimation of the material.

Высоту Δ выступания нитей в поток продуктов сгорания назначают, исходя из расчета толщины турбулентного пограничного слоя δ_Т в сечении стыка гибкого насадка (например А.П. Мельников. Аэродинамика больших скоростей. М. Воениздат. 1961 г.)The height Δ of the protrusion of the threads into the flow of combustion products is assigned based on the calculation of the thickness of the turbulent boundary layer δ _T in the section of the joint of the flexible nozzle (for example, A.P. Melnikov. Aerodynamics of high speeds. M. Military Publishing. 1961)

где X - расстояние от критического сечения до места стыка насадка;where X is the distance from the throat to the nozzle junction;

V - скорость газового потока;V is the gas flow rate;

ν - кинематический коэффициент вязкости газа.ν - kinematic coefficient of gas viscosity.

По проведенным расчетам для сопел крупногабаритных РДТТ δ_Т=13…18 мм.According to the calculations for the nozzles of large solid propellant rocket motors δ _T = 13 ... 18 mm.

Нити ворса у своего основания проходят через слой сублимирующего материала, например, на основе солей аммония, задачей которого является предохранение герметичной оболочки от теплового разрушения. Температура сублимации определяется температурой теплового разрушения оболочки. Этот материал не должен препятствовать сворачиванию и разворачиванию гибкой оболочки, т.е. должен обладать большой деформативной способностью.The filaments of the pile at their base pass through a layer of sublimating material, for example, based on ammonium salts, the task of which is to protect the hermetic shell from thermal destruction. The sublimation temperature is determined by the temperature of thermal destruction of the shell. This material should not interfere with the folding and unfolding of the flexible shell, i.e. must have great deformability.

Сублимирующий материал также может быть нанесен на нити ворса или выполнен в виде отдельных.The sublimation material can also be applied to the pile filaments or made as separate ones.

Гибкий сопловой насадок работает следующим образом. После поступления команды на приведение гибкого соплового насадка (2) из транспортного в рабочее положение специальные устройства раздвигают насадок. После включения двигателя продукты сгорания заполняют сопло, сверхзвуковой поток обтекает стенки сопла. При обтекании стенок сопла образуется пограничный слой, который воздействует на выступающую часть ворсового слоя, образованного теплоэрозионностойкими нитями (6). За счет ограничения выступания нитей и их ориентации вдоль стенки насадка в сторону выходного сечения возникают слабые возмущения при взаимодействии с потоком, имеющим меньшую скорость V, в результате чего нити сохраняются дольше, не подвергаясь эрозионному воздействию. По мере прогрева тепловой поток поступает вдоль нитей по направлению к внутренней стенке оболочки. При достижении температуры, достаточной для сублимации материала (5), продукты возгонки проходят между нитями и попадают в поток продуктов сгорания. В результате сублимирующий материал предохраняет оболочку (3) от теплового воздействия и разрушения, не допуская повышения температуры внутренней поверхности оболочки больше температуры сублимации.Flexible nozzle works as follows. After receiving the command to bring the flexible nozzle nozzle (2) from the transport to the working position, special devices move the nozzles apart. After the engine is turned on, the combustion products fill the nozzle, and the supersonic flow flows around the nozzle walls. When flowing around the walls of the nozzle, a boundary layer is formed, which acts on the protruding part of the pile layer formed by heat-erosion-resistant threads (6). By limiting the protrusion of the filaments and their orientation along the wall of the nozzle towards the outlet section, weak disturbances arise when interacting with a flow having a lower velocity V, as a result of which the filaments remain longer without being exposed to erosion. As it warms up, the heat flux enters along the filaments towards the inner wall of the shell. Upon reaching a temperature sufficient to sublimate the material (5), the sublimation products pass between the threads and enter the stream of combustion products. As a result, the sublimating material protects the shell (3) from thermal effects and destruction, preventing the temperature of the inner surface of the shell from rising above the sublimation temperature.

Предлагаемое изобретение позволяет повысить защиту гибкого соплового насадка от теплоэрозионного воздействия потока высокотемпературных продуктов сгорания топлива на протяжении всего времени работы ракетного двигателя.The proposed invention makes it possible to increase the protection of the flexible nozzle attachment from the thermal-erosion effect of the flow of high-temperature fuel combustion products throughout the entire operation time of the rocket engine.

Claims

Сопловой насадок, выполненный в виде гибкой оболочки со скрепленным с ней ворсовым слоем, образованным теплоэрозионностойкими нитями, оформляющими внутреннюю поверхность насадка, отличающийся тем, что в ворсовом слое расположен сублимирующий материал, при этом свободные концы нитей направлены в сторону выходного сечения насадка, причем выступание нитей относительно внутреннего профиля оболочки не превышает расчетной толщины пограничного слоя газа во входном сечении насадка.A nozzle nozzle made in the form of a flexible shell with a pile layer attached to it, formed by heat-erosion-resistant threads that form the inner surface of the nozzle, characterized in that a sublimating material is located in the pile layer, while the free ends of the threads are directed towards the outlet section of the nozzle, and the protrusion of the threads relative to the inner profile of the shell does not exceed the calculated thickness of the boundary layer of the gas in the inlet section of the packing.