Описание конструкции камеры двигателя РД-107

Первая ступень трехступенчатой ракеты — носителя космического корабля «Восток» состоит из четырех блоков. На каждом из четырех блоков установлен четырехкамерный ЖРД РД-107 с тягой в пустоте кН, работающий на жидком кислороде и керосине. Камера двигателя (рис. 5) представляет собой паяно-сварную неразборную конструкцию. Камера двигателя состоит из смесительной головки и корпуса. Корпус камеры выполнен двухстенным. Стенки корпуса камеры соединены:

— по цилиндрической части корпуса камеры и в нижней половине расширяющейся части сопла гофрированными проставками с продольными вдоль оси
камеры гофрами;

— по сужающейся части сопла и в верхней половине расширяющейся части сопла родольными вдоль оси камеры ребрами.

Соединение осуществляется с помощью пайки. Частые связи обеспечивают высокую жесткость внутренней стенки, уменьшают массу и повышают эффективность проточного охлаждения. Внутренняя стенка (5) имеет малую толщину и хорошо охлаждается. Наружная стенка (4) является несущим элементом.

Стенки цилиндрической части корпуса выполнены из листа, сварены по образующей цилиндра. У головки к наружной стенке приварено упрочняющее кольцо (7). Сужающаяся часть сопла изготавливается штамповкой с вытяжкой в несколько переходов и приваривается к цилиндрической части корпуса. Расширяющаяся часть сопла изготавливается из листов, сваренных по образующей конуса с последующим профилированием. На срезе сопло заканчивается кольцом (1). Между секциями

наружной оболочки сопла вварены сектора коллектора (2), к которому

приварены два патрубка (3) для подвода охладителя — горючего.

Внутренние стенки корпуса камеры свариваются встык, наружные стенки соединяются сваркой с помощью двух раз­резных полуколец (6).

Смесительная головка имеет наружное (10), среднее (9) и внутреннее (15) днища. Среднее и внутреннее днища выполне­ны плоскими, а наружное — сферическим. Внутреннее и сред­нее днища связаны по периферии силовым кольцом (8) и по всей поверхности двухкомпонентными форсунками (14). В верхней полости смесительной головки расположены две сое­динительные перегородки (проставки) (11), которые приваре­ны к среднему и наружному днищам и служат для увеличения жесткости среднего и внутреннего днищ. К наружному днищу приварен входной фланец (12) для подвода окислителя. Внут­реннее и среднее днища образуют полость горючего (16), а по­лость окислителя (13) образована средним и наружным дни­щами.

Распыл компонентов топлива осуществляется с помощью форсунок (рис. 6). На смесительной головке установлено 277 двухкомпонентных центробежных форсунок, равномерно рас­положенных по девяти концентрическим, окружностям (в том числе одна форсунка в центре) и 60 однокомпонентных форсу­нок по периферии. Все форсунки припаяны твердым припоем к внутреннему и среднему днищам. Соотношение компонентов топлива по сечению камеры является одинаковым за исключе­нием пристеночного слоя, который обогащен горючим.

Смесительная головка соединяется с корпусом камеры сваркой.

Тепловая защита корпуса камеры осуществляется внутрен­ним и наружным охлаждением. Проточное охлаждение обеспе­чивается горючим, протекающим по тракту охлаждения. Внут­реннее охлаждение осуществляется горючим, поступающим че­рез периферийные однокомпонентные форсунки.

Рис. 6 Двухкомпонентная центробежная форсунка

Из условий производства и сборки камера выполняется из трех узлов:

— смесительной головки;

— блока цилиндрической части корпуса и сужающейся части сопла;

— расширяющейся части сопла.

Поэтому камера двигателя имеет два соединительных (тех­нологических) узла:

— узел соединения смесительной головки с корпусом камеры (рис. 7);

— узел соединения сужающейся и расширяющейся частей сопла (рис. 8).

Узел соединения смесительной головки с корпусом камеры, представленный на рис. 7, включает:

1 — силовое кольцо;

2 — соединительное кольцо;

3 — сварные швы;

4 — упрочняющее кольцо;

6 — кольцевой бурт;

7 — срез гофр;

10— центровочный пояс;

11— штифты силовой связи внутреннего днища головки с силовым кольцом.

Кроме того, на рис. 7 обозначены следующие конструктив­ные элементы:

5 — наружная стенка корпуса камеры;

8 — гофры;

9 — внутренняя стенка корпуса камеры;

12 — внутреннее днище смесительной головки;

13 — однокомпонентные периферийные форсунки;

14 — среднее днище смесительной головки;

15 — наружное днище смесительной головки;

16 — двухкомпонентные форсунки.

Узел соединения сужающейся и расширяющейся частей сопла (рис. 8) состоит из следующих элементов:

1 — внутренняя стенка корпуса камеры;

2 — кольцевой выступ;

3 — срез ребер;

4 — кольцевой бурт;

5 — соединительные кольца;

6 — соединительное кольцо;

7 — сварные швы.

Соединительные узлы должны обеспечивать:

— удобный подход к свариваемым стенкам;

— достаточную прочность и жесткость соединения;

— надежное охлаждение сварного шва при работе двигателя;

— исключение расплавления припоя при сварке колец;

— отсутствие деформации внутренней стенки корпуса вследствие усадки сварных швов соединительного кольца;

— исключение термообработки после сварки.

Рис. 7 Узел соединения смесительной головки с корпусом камеры

Выполнение перечисленных требований рассмотрим на примере узла соединения частей сопла (рис. 8). Подход к сва­риваемым стенкам обеспечивается кольцевым окном в наружной стенке. Из условия обеспечения прочности внутренней стенки корпуса ширина окна должна быть минимальной и достаточной только для прохода электрода. Уменьшение длины неподкрепленного участка внутренней стенки обеспечивается косым срезом ребер (поз. 3, рис. 8). Прочность и жесткость соединения достигается постановкой соединительных колец 5, которые привариваются к наружной стенке (8) корпуса. Толщина колец 5 выбирается из условия предотвращения расплавления припоя при сварке их с соединительным кольцом 6.

Рис. 8. Узел соединения сужающейся и расширяющейся частей сопла

Надежное охлаждение внутренней стенки достигается с помощью кольцевого выступа 2 соединительного кольца 6, обес­печивающего необходимую скорость движения охладителя на участке сварки. Для удобства сварки силовые кольца 5 имеют кольцевые бурты 4, на которые устанавливается соединительное кольцо без осевого зазора. Отсутствие осевого зазора ис­ключает деформацию внутренней стенки при усадке сварных швов 7. Для исключения термообработки сварных швов кольца 5 и 6 выполняются из стали аустенитного класса 12Х21Н5Т (ЭИ-811), не требующей термообработки после сварки.

Узел соединения смесительной головки с корпусом камеры (рис. 7) отличается от рассмотренного узла (рис. 8) следующими особенностями:

— соединительные полукольца 2 (рис. 7) не имеют выступов для увеличения скорости движения охладителя, т. к. участок сварки надежно охлаждается периферийными форсунками 11;

— для удобства сварки и обеспечения точной установки смесительной головки сварка производится не встык, а внахлест по центровочному поясу 10.

На срезе сопла установлено кольцо (рис. 9), которое служит для точной калибровки выходного сечения сопла и увеличения его жесткости. Кольцо представляет собой точеную деталь из стали 12Х21Н5Т (ЭИ-811), которая пайкой крепится к внутренней стенке и сваркой — к наружной.

В качестве материалов для изготовления камеры двигателя использованы следующие:

—внутренняя стенка корпуса, внутреннее днище смеситель­ной головки, гофры, форсунки изготовлены из медного сплава М-4;

— наружная стенка корпуса выполнена из стали ЭИ-763;

— силовое кольцо, наружное и среднее днища смесительной головки изготовлены из стали 12X21Н5Т (ЭИ-811). Для пайки использован медно-серебрянный припой ПСР-37,5.

Смесительная головка и корпус камеры проходят конт­рольные пневмо- и гидроиспытания на прочность и герметич­ность. Качество пайки и сварки проверяется с помощью рент­геноскопии.