О разработке сверхзвукового сопла жидкостного ракетного двигателя с выдвижным насадком Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 621.45

О РАЗРАБОТКЕ СВЕРХЗВУКОВОГО СОПЛА ЖИДКОСТНОГО РАКЕТНОГО ДВИГАТЕЛЯ С ВЫДВИЖНЫМ НАСАДКОМ

С. В. Колоярцев, А. С. Кайгородов

Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева

Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31

E-mail: [email protected]

Рассмотрено сверхзвуковое сопло с выдвижным насадком и его высотная характеристика. Освещены некоторые созданные и перспективные отечественные и зарубежные разработки подобных систем, получившие распространение и развитие.

Ключевые слова: сопло, выдвижной насадок.

DEVELOPMENT OF SUPERSONIC NOZZLE LIQUID-PROPELLANT ROCKET ENGINE WITH EXTENDABLE NOZZLE

S. V. Koloyartsev, A. S. Kaygorodov

Reshetnev Siberian State Aerospace University 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: [email protected]

A closer look at a supersonic nozzle with an extension nozzle and its altitude performance. As well, here is overview of established and perspective Russian and foreign designs of such systems that were especially widespread and evolved.

Keywords: nozzle, extension nozzle.

По мере развития и совершенствования ракетно-космической техники растут требования, предъявляемые к эффективности ракетного двигателя. Эффективный двигатель отвечает большому ряду требований, среди которых максимальный удельный импульс при минимальных массе и габаритах. Среди большого числа факторов, от которых зависят удельный импульс, габариты и масса ракетного двигателя, важную роль играет максимально эффективное использование сопла.

Как известно, наибольший или предельный средний по траектории полёта удельный импульс будет иметь двигатель, снабжённый соплом с идеально регулируемой высотностью (ИРВ). При разработке конструкции такого сопла имеют место значительные конструктивные трудности, и по этой причине его пока нет на практике.

В качестве решения подобных проблем предлагается спектр различных сопловых устройств, одними и которых являются сопла с выдвижным насадком, или раздвижные, двухпозиционные сопла [1].

На рис. 1 условно показана показана высотная характеристика камеры с идеально регулируемым соплом (/у.ид). Там же приведены зависимости 1у = f(H) для двух камер с различными площадями среза сопл Fa. Первым шагом к регулированию по высоте 1у (и, следовательно, тяги Р) может явиться применение сопла с выдвижным насадком 2, площадь среза которого меняется скачком на высоте Нперекл. Преимущества двухпозиционного сопла перед соплом 1 сказываются в области Н > Нперекл, преимущества перед соплом 3 - в области Н < Нперекл [2].

Сопло содержит выдвижной высотный насадок и механизм его выдвижения, а также элементы центрирования и уплотнения [1; 3]. Во многих двигателях механизм выдвижения выполнен по схеме винтового домкрата [7]. Выдвижной насадок может иметь различное исполнение: гофрированный материал, который на определённом участке полёта (высоте раскрытия или переключения) раскрывается из сложенного положения, образуя гладкую поверхность; складывающееся сопло (рис. 2), состоящее из жёстких элементов и работающее по тому же принципу [4]. В результате этого обеспечи-

Секция «Двигателии энергетические установки летательньш и космических аппаратов»

вается дискретное регулирование высотности сопла за счёт ступенчатого увеличения степени расширения [1].

Рис. 1. Высотная характеристика камеры с двухпозиционным соплом

Рис. 2. Камера жидкостного ракетного двигателя с выдвижным насадком. а - в сложенном положении; б - в развёрнутом положении.

Чаще всего насадки не охлаждаемые, а лишнее тепло от них уносится излучением. В качестве материалов обычно используют либо жаростойкие сплавы, либо композитные материалы из углерода [5].

Преимущества данного типа сопл: уменьшение газодинамических потерь; уменьшение линейных размеров; высотная характеристика, приближающаяся к идеальной; относительная простота исполнения.

В Советском Союзе был создан не нашедший применения кислород-водородный двигатель 11Д57М [4] с выдвижным насадком. В настоящее время проводятся работы по созданию двигателя НК-33-1 [3], 11Д58М [5], РД0146Д [6]. За рубежом наибольшее распространение получили двигатели фирмы Pratt&WЫtney семейства КЬ-10 [7], работающие на криогенных компонентах.

Библиографические ссылки

1. Семёнов В. В., Талалаев А. А.. Реактивные сопловые устройства с высотной компенсацией : учеб. пособие к лабораторным работам ; МАИ. М., 2009. С. 4-9; 14-18.

2. Алемасов В. Е., Дрегалин А. Ф., Тишин А. П. Теория ракетных двигателей / под ред. В. П. Глушко. М. : Машиностроение, 1980. С. 338-339.

3. Liquid Propellant Rocket Engines [Электронный ресурс]. URL: http://lpre.de/sntk/NK-33/modif.htm#NK331 (дата обращения: 24.03.2016).

4. Афанасьев И. Выпавшее звено // Новости космонавтики. 2007. № 6.

5. Семенов Ю. П. (ред.). На рубеже двух веков 1996-2001. РКК «Энергия» имени С. П. Королёва. С. 691-693.

6. Работы КБХА по созданию кислородно-водородных жидкостных ракетных двигателей / А. А. Гуртовой, С. Д. Лобов, В. С. Рачук, А. В. Шостак // Космическая техника и технологии. 2014. № 1(4). С. 62-65.

7. Адамс А. Научно-исследовательский центр Флориды. Исследование конструкции производных RL-1O. Заключительный отчёт. Т. II. 1973. С. 1-4; 52-54; 96-97; 125-127.

© Колоярцев С. В., Кайгородов А. С., 2016