ракетный летательный аппарат

Формула изобретения

Ракетный летательный аппарат, содержащий корпус, ракетный двигатель с осесимметричным сверхзвуковым соплом, а также установленный на корпусе вокруг двигателя, замкнутый со стороны корпуса и открытый со стороны сопла, складывающийся вдоль продольной оси кожух из мягкого тонкостенного материала в виде усеченного конуса, меньшее открытое основание которого выступает за срез сопла, отличающийся тем, что кожух выполнен из термостойкой плотной ткани, например, на основе кремниевых или углеродных волокон, в меньшем открытом основании ткань, образующая кожух, на его кромке соединена с жестким кольцом из термостойкого материала, например, из углеродно-углеродного композиционного материала, в большем замкнутом основании кожуха выполнен кольцевой трубчатый канал, сообщенный с одной стороны с гибкими трубчатыми каналами из термостойкой плотной ткани, скрепленными с тканью кожуха, расположенными вдоль образующих конуса кожуха от большего основания к меньшему и имеющими калиброванные выходные отверстия в зоне жесткого кольца меньшего основания кожуха, а с другой стороны - с источником высокотемпературного газа, например, на основе порохов или азидов, а в сложенном состоянии кожух притянут к корпусу шнурами из термонестойкого материала, например нейлона, соединенными с жестким кольцом меньшего основания кожуха и расположенными напротив выходных отверстий гибких трубчатых каналов.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к ракетно-космической технике и может быть использовано в конструкциях ракетных летательных аппаратов (РЛА) и ракетных двигателей (РД).

Эффективность РЛА зависит от удельного импульса двигательной установки (ДУ), величина которого определяется удельным импульсом РД, а также, при низком давлении окружающей среды, соответствующим, в частности, условиям космического пространства, при котором истечение из сопла РД можно характеризовать как «истечение с недорасширением», донным давлением - давлением, воздействующим на корпус РЛА или, в частности, ДУ в зоне расположения РД и возникающим вследствие торможения свободно расширяющихся струй истекающего из сопла РД сверхзвукового потока с элементами конструкции ДУ и РЛА в целом, (при этом, как известно, граничные сверхзвуковые струи, согласно модели течения Прандтля-Майера в вакууме могут разворачиваться на кромке сопла на угол >90 градусов). Таким образом, увеличение эффективного удельного импульса ДУ возможно не только за счет увеличения удельного импульса РД, но и за счет увеличения донного давления и эффективной площади взаимодействия граничных струй свободно расширяющегося потока, истекающего из сопла РД с элементами конструкций ДУ (РЛА), что определяется как «донный эффект».

Известно увеличивающее донный эффект устройство РЛА, содержащее корпус РЛА, ракетный двигатель с камерой сгорания и осесимметричным сверхзвуковым соплом, а также установленный на корпусе вокруг двигателя кожух; при этом кромка среза сопла размещена внутри кожуха с зазором относительно внутренней поверхности кожуха (патент US № 4896848, B64G 1/40 от 30.10.90). Недостатком указанного устройства является относительно высокая масса при незначительном приращении удельного импульса за счет донного эффекта, что практически исключает увеличение эффективности РЛА.

Наиболее близким аналогом (прототипом) изобретения является ракетный аппарат и ракетный двигатель по патенту РФ № 2094333 приоритет от 27.10.97 г., B64G 1/40, содержащий корпус, ракетный двигатель с камерой сгорания и осесимметричным сверхзвуковым соплом; установленный на корпусе снаружи двигателя, замкнутый со стороны корпуса и открытый со стороны сопла, складывающийся вдоль продольной оси РЛА кожух в виде усеченного конуса, с меньшим открытым основанием, размещенным со стороны сопла, выполненный из газонепроницаемого эластичного материала, механизм, обеспечивающий развертывание кожуха так, чтобы срез сопла был расположен внутри кожуха на расстоянии от открытого основания кожуха, не меньшем, чем полуразность диаметров среза сопла и открытого основания кожуха.

Конструкция прототипа позволяет существенно увеличить донный эффект и тем самым увеличить эффективный удельный импульс ДУ РЛА: в зависимости от диаметра кожуха и расстояния от среза сопла до открытого основания кожуха прирост удельного импульса может составить величину до 7%.

К недостаткам прототипа следует отнести значительную добавочную массу РЛА (до 60 кг - по оценке авторов прототипа), обусловленную массой 2-слойной оболочки кожуха, включающей оболочку из газонепроницаемого материала, например полиамидной пленки, и массой механизма развертывания кожуха, предполагающего использование привода развертывания, подкрепляющих колец, штанг, шарниров, элементов крепления и т.п.

Предлагаемое изобретение направлено на уменьшение дополнительной массы, обусловленной внедрением кожуха в конструкцию РЛА при сохранении значительного прироста эффективного удельного импульса ДУ за счет создания донного эффекта, и, следовательно, на повышение массового совершенства РЛА. Результат достигается следующими техническими решениями:

Установленный на корпусе РЛА вокруг РД, замкнутый со стороны корпуса и открытый со стороны сопла, складывающийся по продольной оси РЛА кожух выполнен однослойным из мягкой, плотной и термостойкой ткани, например, на основе кремниевых или углеродных волокон. Плотная ткань не является полностью газонепроницаемой, однако при давлениях порядка 10^-3 кг/см² газовой среды, образующейся внутри кожуха при взаимодействии истекающего из сопла РД свободно расширяющегося потока газа с кромкой открытого основания кожуха, утечки через ее неплотности пренебрежимо малы.

Оценка, проведенная применительно к кожуху с длиной и диаметром по 2000 мм, выполненному из плотной ткани, характеризующейся относительной пористостью ~0,1%, предназначенного для экранирования струи, истекающей из сопла диаметром 400 мм РД тягой 2000 кгс при отсутствии противодавления окружающей РЛА среды, показывает, что при давлении внутри кожуха ~0,0015 кгс/см² и расходе через открытое основание кожуха ~6 кг/с утечки через его боковую поверхность составляют - 0,0018 кг/с или ~0,03% от расхода через открытое основание кожуха.

Соответственно, потери удельного импульса за счет утечек составляют 0,1 с при его увеличении за счет экранирования струи ~7,5 с. При этом уменьшение массы за счет исключения герметичной оболочки составит ~20 кг; кроме того, существенно упрощается технология изготовления кожуха, в частности, исключаются проблемы выбора термостойкого материала газонепроницаемой пленки (оболочка кожуха в прототипе предполагается термостойкой до 450°C, что недостаточно).

В меньшем открытом основании ткань кожуха соединена с жестким кольцом из термостойкого материала, например из УУКМ, задающим форму кромки открытого основания, а в большем, примыкающем к корпусу РЛА основании встроен кольцевой трубчатый канал из термостойкого материала, например углеродно-углеродного композиционного материала (УУКМ) или плотной термостойкой ткани, который с одной стороны снабжен трубопроводом, включающим дроссельную шайбу, с источником высокотемпературного газа, например на основе порохов или азидов, а с другой стороны - с гибкими трубчатыми каналами из термостойкой ткани, скрепленными с тканью кожуха, расположенными вдоль его образующих от большего замкнутого основания к меньшему открытому основанию и имеющими калиброванные выходные отверстия на выходах. В свернутом (транспортном) положении кожух притянут к корпусу шнурами из термонестойкого материала, например нейлона, соединенными с жестким кольцом открытого основания и расположенными напротив выходных отверстий гибких трубчатых каналов, расположенных по образующим конуса кожуха. Указанное исполнение кожуха не требует механизмов для его развертывания, что позволяет уменьшить массу РЛА за счет исключения указанного механизма еще на 18 20 кг при дополнительной массе пиропатрона ~0,2 кг и увеличения массы кожуха за счет деталей из УУКМ на 1 1,5 кг и каналов из ткани на 1 кг.

Сущность изобретения поясняется графическими изображениями, представленными на фигурах 1-7.

На фигуре 1 представлен общий вид РЛА с кожухом в развернутом рабочем положении;

на фигуре 2 представлено поперечное сечение кожуха;

на фигуре 3 представлена в большом масштабе конструкция меньшего, открытого основания кожуха после его развертывания;

на фигуре 4 представлен вид РЛА с кожухом в сложенном (притянутом к корпусу РЛА) транспортном положении;

на фигуре 5 представлена в большом масштабе конструкция открытого основания кожуха в сложенном (транспортном) положении;

на фигуре 6 представлена в большом масштабе конструкция крепления кожуха к корпусу РЛА шнурами, в сложенном (транспортном) положении;

на фигуре 7 представлен в большом масштабе вид на взаимное расположение выхода из трубчатого, расположенного вдоль кожуха канала и шнура крепления кожуха к корпусу РЛА в сложенном (транспортном) положении.

На корпусе 1 вокруг РД 2 закреплен большим основанием конический кожух 3. Соединение ткани кожуха и корпуса - герметичное; при этом поверхность корпуса 1 замыкает кожух 3 в его большем основании, образуя дно кожуха; меньшее открытое основание кожуха в рабочем положении выступает за срез сопла РД 2 (см. фиг.1).

Кожух выполнен из термостойкой плотной ткани. В большем основании кожуха 3, вблизи корпуса 1 в его ткань, встроен кольцевой трубчатый канал 4 из термостойкого материала, например из УУКМ или термостойкой ткани (см. фиг.4, 6). Кольцевой трубчатый канал 4 сообщен трубопроводом 5, содержащим дроссельную шайбу 6, с источником высокотемпературного газа - пиропатроном 7 (см. фиг.1) и гибкими трубчатыми каналами 8, выполненными из термостойкой ткани и прикрепленными к ткани кожуха 3 вдоль его образующих от кольцевого трубчатого канала 4 до нижнего открытого основания кожуха 3 (см. фиг.1, 2). На выходах трубчатых каналов 8 в зоне открытого основания кожуха в них выполнены вставки 9 из термостойкого материала, например УУКМ, с калиброванными выходными отверстиями и пересекающими эти отверстия ложементами (для шнуров 11, фиг.3, 5, 7). Для обеспечения жесткости открытого основания ткань кромки кожуха соединена с кольцом 10 (см. фиг.1, 3), выполненным из термостойкого материала, например УУКМ.

На фигуре 4 представлен кожух 3 в свернутом положении: фиксация его обеспечивается шнурами 11, выполненными из термонестойкого материала, например из нейлона, соединенными с кольцом 10 (см. фиг.5, 7) и расположенными в ложементах вставок 9 напротив выходных отверстий трубчатых каналов 8 (см. фиг.7). В транспортном положении (до отстыковки РЛА от ракеты - носителя) кожух 2 сложен и притянут к корпусу 1 закрепленными на кольце 10 шнурами 11, количество которых соответствует количеству трубчатых каналов 8; при этом шнуры расположены напротив выходных отверстий в ложементах вставок 9 трубчатых каналов 8.

Перед началом работы РД подается команда на пиропатрон 7. Заряд пиропатрона 7 воспламеняется и газообразные продукты его сгорания поступают по трубопроводу 5 через дроссельную шайбу 6 в кольцевой трубчатый канал 4 и далее - в сложенные вместе с кожухом трубчатые каналы 8 до калиброванных отверстий, выполненных во вставках 9, через которые истекают в окружное пространство, при этом давление в трубчатых каналах 8 повышается. Истекающие через отверстия во вставках 9 горячие продукты сгорания пережигают расположенные в ложементах вставок 9 напротив выходных калиброванных отверстий нейлоновые шнуры, притягивающие кольцо 10 к корпусу 1, которые фиксируют ткань кожуха в сложенном состоянии, после чего под действием давления трубчатые каналы 8, скрепленные с тканью кожуха 3, распрямляются, разворачивая кожух 3 в рабочее положение. После запуска РД высокотемпературные газообразные продукты сгорания топлива, поступающие из сопла РД, заполняют пространство внутри кожуха 3 с давлением, соответствующим статическому давлению на граничной линии тока струи, проходящей через кромку открытого основания кожуха.

При этом проекция на продольную ось РЛА результирующей силы от давления, действующего на боковую поверхность конического кожуха 3, направлена от большего его основания к меньшему открытому основанию, что обеспечивает стабильное удержание кожуха 3 в раскрытом рабочем положении. Это же давление, воздействуя на замыкающее большее основание поверхности корпуса 1 РЛА, создает дополнительную силу тяги ДУ РЛА (донный эффект), что увеличивает удельный импульс двигательной установки.