Сопла с переменной степенью расширения

Общеизвестно, что максимум тяги (удельного импульса тяги) ракетного двигателя достигается при расширении продуктов сгорания топлива до давления окружающей среды. С учетом конкретной массы конструкции сопла степень расширения сопла, как правило, принимают меньше возможной.

Между тем высокая значимость каждой единицы удельного импульса тяги РДТТ определяет необходимость поиска технических решений по увеличению степени расширения сопла, новых материалов, схем и конструкций. В РДТТ первого поколения применяли сопла неизменной геометрии со степенью расширения, равной 4-5, чтобы не увеличивать длину и диаметр двигателя и ракеты. При изменении степени расширения r _а сопла от 5 до 10 удельный импульс  может быть увеличен на 240-270 м/с, а при увеличении степени расширения с 10 до 15 - дополнительно на 110-120 м/с (рисунок 3.5) [1].

1 - = 2150 м/с; 2 -  = 2550 м/с; 3 -  = 2600 м/с;
4 -  = 2700 м/с (указан расчётный термодинамический удельный импульс тяги различных топлив для стандартного
расширения 40/1 [33])

Рисунок 3.5 - Зависимость  = f (r_а) для различных топлив

Однако конструирование сопел с большими степенями расширения существенно усложняется для РДТТ в связи с габаритными ограничениями.

Варианты размещения сопла большой степени расширения в пространстве между днищами РДТТ приведены на рисунке 3.6 [1]. Размещение сопла удлиняет соединительный отсек и всю ракету на величи-ну ∆. Длина ракеты может быть уменьшена либо путём утапливания сопла в корпус РДТТ, либо применением раздвижного сопла. В настоящее время чаще всего при разработке РДТТ внедряется сочетание одновременного применения утопленного и раздвижного сопел.

1 - сопло; 2 - утопленное сопло; 3 - раздвижное сопло

Рисунок 3.6 - Варианты размещения сопла в пространстве
межступенчатого отсека между днищами РДТТ разных ступеней

Выделим три основных типа конструктивных схем сопел с переменной степенью расширения: с жёсткими и выдвигаемыми насадками; с легкодеформируемыми (гибкими) раструбами; с лепестковыми раструбами.

Сопла с жёсткими выдвигаемыми насадками (рисунок 3.7) называют раздвижными [1].

Рисунок 3.7 - Конструктивная схема сопла с переменной степенью расширения в виде жёсткого выдвигаемого насадка при работе РДТТ во время полёта ракеты (изображено исходное положение насадка)

В сложенном (исходном) положении выдвигаемые насадки размещаются у заднего днища двигателя, а в выдвинутом (рабочем) положении они образуют с неподвижной частью сопла единый газодинамический тракт для продуктов сгорания.

Легкодеформируемый раструб сопла (рисунок 3.8) [1] можно выполнить из тканого материала и закрепить на неподвижной части. Такой раструб может быть выполнен также из легкодеформируемого металла (например, ниобия).

Лепестковый раструб (рисунок 3.9) [1] представляет собой набор профилированных панелей. В современных конструкциях РДТТ пока применяются сопла с жёсткими выдвигаемыми насадками [1].

Выдвижение насадков соплового блока в рабочее положение может осуществляться после разделения ступеней. Различают два способа выдвижения (раздвижки) насадков в рабочее положение: до запуска двигателя (холодная раздвижка) и после запуска двигателя (горячая раздвижка).

На рисунке 3.10 [1] приведены типовые циклограммы подачи команд для обоих способов выдвижения.

Для реализации схемы холодной раздвижки необходим интервал времени между разделением ступеней и запуском двигателя.

В общем случае этот интервал определяется совокупностью таких факторов как относительные скорости разделяемых ступеней, уровень давления наддува соединительных отсеков ракеты (если он применяется на ней), а также величиной скоростного напора при полёте ракеты в атмосфере и составляет для различного класса ракет от 0,05 до 1,0 с. Преимуществом способа хо-лодной раздвижки соплового блока является то, что параметры выдвижения и конструкция привода отра-батываются в процессе автономных испытаний [1].

Выдвижение насадков сопла проводится по команде от системы управления ракеты. Команда подается на разрывной элемент (например, пироболт) узла фиксации выдвигаемого насадка в исходном положении. После расфиксации происходит страгивание и выдвижение насадка под действием сил привода, а также сил, действующих в натурных условиях полёта (аэродинамическая сила, сила трения, сила инерции насадка) [1].