2.11.4. Ракетный двигатель твердого топлива (рдтт)

РДТТ – это РД, использующий топливо, находящееся в твердом агрегатном состоянии.

Все топливо, в виде заряда, размещается непосредственно в КС и является не только источником химической энергии, но и элементом конструкции

РДТТ.

Маршевый РДТТ (рис. 2.44) состоит из: 1 – корпуса с фланцами; 2 – соплового блока; 3 – заряда твердого топлива; 4 – воспламенительного устройства; 5 – активного теплозащитного покрытия (ТЗП); 6 – пассивного ТЗП (пирографитового вкладыша); 7 – заглушки СБ; 8 – узлов отсечки тяги.

Рис. 2.44. Схема маршевого РДТТ

Корпус 1 образует камеру сгорания и обычно является корпусом ступени ракеты. Корпус маршевого РДТТ современной стратегической ракеты (СР) выполняют в виде «кокона» с кольцевыми фланцами для соединения с переходными корпусами ступеней.

«Кокон» изготавливается способом намотки органического волокна, протягиваемого через жидкое связующее, на специально изготовленную из песчано-клеевой смеси болванку. Болванка, после полимеризации связующего, разрушается перегретым паром и удаляется из «кокона» через торцевые отверстия.

Сопловой блок (СБ) 2 изготавливается из композиционного материала на основе углеродного волокна. Самое теплонапряженное место РДТТ – критическое сечение СБ (см. рис. 2.44) обычно защищают вкладышем из пирографита (пассивное ТЗП) 6, облицованного молибденом или вольфрамом (пассивное ТЗП). В критическом сечении СБ устанавливается заглушка 7, которая служит для защиты внутренней поверхности заряда от воздействия окружающей среды, а так же позволяет создать рабочее давление внутри КС при запуске РДТТ.

Для уменьшения длины РДТТ СБ частично погружается в КС и крепится к корпусу РДТТ неподвижно, или на специальном шарнире (для управления вектором тяги).

Заряд твердого топлива 3 заливается в корпус и составляет с ним единое целое, повышая жесткость корпуса, защищая его от высоких температур зоны горения, и обеспечивает заданный режим газообразования.

Тепло-защитное покрытие предназначено для защиты элементов конструкции РДТТ от воздействия высоких температур из зоны горения.

Активное ТЗП 5 – это каучуковое покрытие днищ корпуса, которое горит с низкими температурами, отсекая высокие температуры из зоны горения заряда.

Воспламенительное устройство (ВУ) 4 представляет собой навеску с горючим веществом, предназначенным для поджига заряда (запуск РДТТ).

Органы управления (ОУ) предназначены для изменения направления потока газа (вектора тяги) из двигателя. ОУ могут выполняться в виде:

- поворотных газовых рулей, расположенных на выходе из СБ;

- устройства вдува газа в закритическую (сверхзвуковую) часть СБ;

- поворотного соплового блока.

Работа РДТТ

Для запуска РДТТ подается напряжение на электродетонатор воспламенительного устройства. Электродетонатор зажигает топливные навески ВУ, которые формируют форс пламени вдоль внутреннего канала заряда РДТТ и поджигают его. Горение происходит по внутренней поверхности заряда, при этом выделяются газообразные продукты горения, и растет давление внутри КС. После достижения рабочего давления, достаточного для устойчивого горения заряда и создания расчетного удельного импульса тяги, заглушка выдавливается из СБ, освобождая канал истечения газов из РДТТ. В дальнейшем необходимо обеспечивать расчетную постоянную скорость горения u, зависящую от давления р_к в КС

u_р = , (2.40)

где: u_0.т – коэффициент, зависящий от химического состава и начальной температуры Т₀ ТРТ; k ≈ 1,25 – показатель адиабаты продуктов сгорания (ПС) ТРТ.

Постоянное давление р_к поддерживается равенством расхода газов, истекающих через критическое сечение СБ и массовым расходом выделяющихся продуктов горения М_ПС.

М_ПС = u_р S_гор ρ_т, (2.41)

где: ρ_т – плотность ТРТ; S_гор – площадь горения.

Для сохранения постоянного массового расхода продуктов горения М_ПС необходимо поддерживать постоянной площадь горения S_гор, но по мере выгорания заряда происходит увеличение площади цилиндрической поверхности горения. Поэтому, для сохранения постоянства площади горения S_гор делают внутреннюю коническую проточку либо конические отверстия (звездообразный заряд). В этом случае при увеличении цилиндрической поверхности горения одновременно уменьшается площадь горения по конической проточке или отверстиям, и суммарная площадь горения S_гор сохраняется неизменной.

После выгорания топлива ступень ракеты вместе с РДТТ отделяется и производится запуск двигателя следующей ступени. Для быстрого выключения двигателя последней ступени ракеты-носителя (РН) при достижении заданной скорости полета, используют узлы отсечки тяги 8 . С этой целью в переднем днище корпуса РДТТ размещают по окружности ряд пирозаглушек с выхлопными патрубками. При подаче напряжения на пирозаглушки в днище выжигаются отверстия, через которые происходит сброс газов из КС и давление р_к в ней резко падает, что приводит к прекращению горения. Одновременно срабатывают пироболты соединяющие последнюю ступень РН с головной частью (ГЧ). При сбросе давления через выхлопные патрубки создается реактивная тяга, отводящая ступень РН от ГЧ.

Достоинства РДТТ:

- простота конструкции;

- нетоксичность топлива;

- отсутствие необходимости заправки ракеты при эксплуатации;

- простота и быстрота запуска;

- высокая жесткость конструкции, обеспечивающая высокие допустимые перегрузки при транспортировке, пуске ракеты и маневрах на траектории полета.

Высокая жесткость конструкции РДТТ позволила создать мобильные (грунтовые и железнодорожные) ракетные комплексы, в которых ракета на боевом дежурстве размещается горизонтально в транспортно-пусковом контейнере (ТПК) на подвижной пусковой установке. Пуск может быть произведен в любой точке маршрута движения, для чего ТПК с ракетой переводится в вертикальное положение.

Недостатки РДТТ:

- меньший, чем у ЖРД удельный импульс тяги (меньшая энергетика твердого топлива);

- отсутствие возможности управления величиной тяги;

- зависимость прочности корпуса и топлива от условий эксплуатации (температура, влажность).

Контрольные вопросы

1. Почему воздушно-реактивные двигатели вытеснили поршневые силовые установки из авиации?

2. На чем основан принцип создания тяги в турбореактивном двигателе?

3. Чем определяется величина тяги ТРД и как можно ее увеличить?

4. Чем вызвано появление двухвальных ТРД?

5. Поясните принцип «саморегулирования» двухвального компрессора.

6. В чем заключается преимущество двухконтурных двигателей?

7. Поясните особенности схем турбовальных и турбовинтовых ВРД.

8. Назовите и объясните преимущества и недостатки прямоточного ВРД.

9. Чем отличается ракетный двигатель от ВРД?

10. Охарактеризуйте различные виды ракетных топлив.

11. Поясните принцип работы жидкостных ракетных двигателей различных схем.

12. Особенности конструкции и работы твердотопливного ракетного двигателя?