3.1 Типовая конструкция сопла. Применяемые материалы
Типовая конструкция неподвижного, частично утопленного в камеру сгорания сопла РДТТ, имеющего относительно высокое давление в камере сгорания (рк=410 МПа) и большое время работы (τ=30100 с), представлена на рисунке 3.3 [1]. Сопло состоит из силового корпуса 1 с теплозащитным покрытием 2 и газового тракта, включающего в себя: докритическую часть (воротник 3 и входной вкладыш 4), критическую часть (вкладыш 5 с облицовкой 6); сверхзвуковую часть (раструб 7).
Рисунок 3.3 Схема сопла крупногабаритного РДТТ
Габаритные размеры сопла (длина и диаметр раструба) определяют с учетом диаметра корпуса двигателя, степени расширения сопла, компоновки элементов системы управления вектором тяги и рулевого привода, ограничений по углу поворота или качания [1].
Весьма значительные тепловые, механические, химические воздействия на элементы конструкции сопла, а также неравномерность их распределения по газовому тракту обусловливают тот факт, что конструкции сопел РДТТ являются сложными, состоящими из множества теплозащитных, эрозионностойких и силовых элементов. Вместе с тем наличие поверхностей раздела и сочленений между различными элементами, расположенными вдоль газового тракта сопла, приводит к тому, что вблизи этих поверхностей скорость эрозионного и химического уносов материалов существенно превышает эрозию монолитных участков внутренней поверхности сопла. К тому же уносы материалов соседних элементов газового тракта сопла могут отличаться друг от друга. Вследствие этого поверхность газового тракта сопла становится неоднородной, что существенно ухудшает газодинамическую картину течения продуктов сгорания твёрдого топлива по сопловому тракту и в конечном счёте увеличивает потери удельного импульса тяги РДТТ [29].
В развитии и совершенствовании конструкций РДТТ прослеживаются тенденции к повышению давления и температуры в камере сгорания при использовании новых рецептур твёрдых топлив. Вследствие этого изменялись параметры двухфазного потока продуктов сгорания, их химический состав, что требовало применения новых материалов, работоспособных в этих новых условиях. Значительный прогресс был достигнут применением в конструкции сопел композиционных материалов, таких как фенольные стекло- и углепластики, углерод-углерод-ные композиции, разновидности графитов и др. [1].
Воротник и входной вкладыш докритической части сопла изготавливают из углепластика и углерод-углеродных композиционных материалов УУКМ (см. выноску на рисунке 3.3).
В качестве материалов для вкладышей критического сечения сопловых блоков РДТТ используют тугоплавкие металлы (вольфрам, молибден) и их сплавы, пиролитический графит, УУКМ. В качестве подложки облицовки из вольфрамового сплава используют высокоплотные графиты, которые также применяют для изготовления входных вкладышей [1]. Всё большее применение находят сопла с разгораемым критическим сечением из армированных материалов [3].
Материал критического вкладыша сопла должен обеспечивать стабильную скорость уноса в процессе работы двигателя. Скорости уноса пирографитовых и углепластиковых материалов составляют от 0 до 0,5 мм/с [1].
Сверхзвуковую часть сопла (раструб 7) выполняют обычно из углепластиков и вклеивают в металлическую (сталь, титановый или алюминиевый сплав) оболочку, которая может быть изготовлена также из стекло-, угле- и органопластиков [1].
В последние годы при конструировании раструбов широкое при-менение получили материалы класса углерод-углерод. Углерод-углеродные композиционные материалы (УУКМ), представляющие собой систему «углеродное волокноуглеродная матрица» и обладающие рядом уникальных свойств: чрезвычайно высокой теплостойкостью (в инертной среде они сохраняют свои высокие удельные физико-механические свойства вплоть до 2500 К и работают при повышенных температурах в отличие от углепластиков), хорошей стойкостью к термоудару (как тугоплавкие материалы), низкими значениями температурного коэффициента расширения и теплопроводности. Сохранение теплостойкости УУКМ при высоких температурах позволяет существенно упростить конструкцию сопла [7]. На рисунке 3.4 приведена конструкция сопла с максимальным использованием УУКМ в виде монолитных блоков [1].
