Исследование и расчет РДТТ. Ч. 1. Исследование и расчет автономного горения воспламенителя (120

Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана

И.О. Толкачева, М.А. Максимов, И.Е. Никитина

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАСЧЕТ РДТТ

Часть 1

Исследование и расчет автономного горения воспламенителя

Рекомендовано Научно-методическим советом МГТУ им. Н.Э. Баумана

в качестве учебного пособия по курсам «Проектирование энергетических установок ракетного оружия»,

«Специальные двигатели ракетного оружия»

Москва Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана

2011

УДК 621.454(075.8) ББК 39.62я73

Т52

Рецензенты: В.Е. Смирнов, Е.А. Андреев

Толкачева И.О.

Т52 Исследование и расчет РДТТ: учеб. пособие по курсу «Проектирование энергетических установок ракетного оружия», «Специальные двигатели ракетного оружия». — Ч. 1: Исследование и расчет автономного горения воспламенителя / И.О. Толкачева, М.А. Максимов, И.Е. Никитина. — М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2011. — 40 с.; ил.

В первой части учебного пособия изложена общая характеристика, представлены классификация и конструкции воспламенительных устройств РДТТ, применяемых в настоящее время в образцах тактических и оперативно-тактических ракет, а также расчетные зависимости для их проектирования.

Для студентов, изучающих дисциплины «Проектирование энергетических установок ракетного оружия», «Специальные двигатели ракетного оружия», а также для аспирантов и преподавателей, проводящих аудиторные занятия по указанным дисциплинам.

УДК 621.454(075.8) ББК 39.62я73

Учебное издание

Толкачева Ирина Олеговна Максимов Михаил Александрович Никитина Ирина Евгеньевна

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАСЧЕТ РДТТ

Часть 1

Исследование и расчет автономного горения воспламенителя

Редактор Э.Я. Ахадова

Корректор Е.В. Авалова Компьютерная верстка И.А. Марковой Подписано в печать 12.04.2011. Формат 60×84/16.

Усл. печ. л. 2,33. Тираж 100 экз. Изд № 85. Заказ

Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана. Типография МГТУ им. Н.Э. Баумана. 105005, Москва, 2-я Бауманская ул., 5.

© МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2011

2

ВВЕДЕНИЕ

Программой курса «Проектирование энергетических установок ракетного оружия» предусмотрены 34 ч лабораторных работ, проводимых в IX семестре, которые включают следующие темы:

«Теоретические и экспериментальные методы подбора массы навески воспламенителя» — работы № 1 и 2 (18 ч) — Часть 1;

«Теоретическое и экспериментальное определение характеристик двигательных установок» — работы № 3 и 4 (16 ч) — Часть 2.

Проведение данных лабораторных работ позволит:

привить студентам навыки самостоятельной практической работы, связанной с подготовкой и проведением экспериментальных исследований, а также с обработкой и анализом их результатов;

более глубоко усвоить материал лекционного курса, физические основы функционирования двигательных установок, математическое описание происходящих процессов, определение основных выходных характеристик двигателей;

закрепить у студентов навыки программирования и работы

свычислительной техникой при решении конкретных задач, характерных для специализации «Проектирование ракетного оружия».

Предлагаемое учебное пособие является необходимой составляющей частью учебно-методического комплекса по дисциплине «Проектирование энергетических установок ракетного оружия».

Запуск двигательной установки (ДУ), или период воспламенения, является одним из наиболее важных периодов работы ДУ. Надежность и быстрота воспламенения заряда твердого топлива (ТТ) определяют надежность и быстродействие всего комплекса. Требования технического задания на проектирование ДУ по тем-

пературному диапазону функционирования –50…+50 С накла-

дывают дополнительные сложности при выборе типа и определении массы воспламенителя. Даже небольшая нехватка воспламенителя приводит к таким нежелательным последствиям, как неустойчивое воспламенение, частичное воспламенение или отсутствие воспламенения вообще. Избыток воспламенителя обу-

3

словливает значительный выброс давления в камере, что снижает надежность ДУ и увеличивает ее массу.

Поскольку к настоящему времени исследованы еще не все сложные тепловые и физико-химические процессы, протекающие при запуске ДУ, уровень организации запуска характеризует совершенство ДУ. В связи с этим вопросы, связанные с проведением запуска, имеют важное значение.

Работы № 1, 2. Теоретические и экспериментальные методы подбора массы навески воспламенителя

Цели работ:

ознакомление с расчетными и экспериментальными методами подбора массы навески воспламенителя;

изучение стендового и измерительного оборудования, используемого для исследования автономного горения воспламенителя;

оценка влияния параметров заряжания ДУ и характеристик воспламенителя на кривую автономного горения воспламенителя;

получение практических навыков при проведении огневых испытаний и обработке экспериментальных данных.

Работа № 1 состоит из следующих этапов:

изложение преподавателем теоретических основ подбора воспламенителя — 1 ч;

самостоятельное ознакомление с материалами методических указаний и подготовка исходных данных для работы на ЭВМ — 2 ч;

оценка влияния различных факторов на кривую автономного горения воспламенителя и подбор массы навески воспламенителя — 2 ч;

обработкарезультатоввычисления иоформлениеотчета — 3 ч; Работа № 2 состоит из следующих этапов:

изложение преподавателем основ проведения огневых испытаний и методов обработки экспериментальных данных — 4 ч;

самостоятельное изучение экспериментальной установки и подготовка к проведению эксперимента — 2 ч;

проведение эксперимента и обработка экспериментальных данных — 3 ч;

собеседование с преподавателем по результатамработы— 1 ч.

4

1. ВОСПЛАМЕНИТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА

1.1. Общая характеристика систем запуска

Запуск ракетного двигателя твердого топлива (РДТТ) осуществляется с помощью воспламенительных устройств. Под запуском РДТТ понимается режим работы от момента подачи первой команды на запуск двигателя до выхода его на основной режим. Характерной особенностью запуска РДТТ является изменение в широком диапазоне за очень короткое время параметров рабочего процесса: давления p, температуры T и скоростей течения продуктов сгорания v. За время запуска, составляющее десятые доли секунды, давление в камере изменяется до нескольких мегапаскалей, температура газов достигает нескольких тысяч градусов, тяга — от нуля до сотен килоньютонов (для РДТТ малой тяги).

Надежность воспламенения основного заряда обеспечивается правильным выбором и расчетом воспламенительных устройств. При этом количество теплоты, подводимое к поверхности твердотопливного заряда, определяется физико-химическими свойствами воспламенителя, а также скоростью течения, давлением и температурой продуктов сгорания.

Уровень организации процесса запуска РДТТ характеризует совершенство двигателя. При воспламенении основного заряда РДТТ вначале на поверхности твердотопливного заряда образуются горячие очаги, затем происходит локальное воспламенение в окрестностях этих очагов и, наконец, пламя распространяется по всей поверхности горения основного заряда. В зависимости от количества теплоты, подводимого от воспламенительного устройства к топливному заряду, возможны различные виды запуска РДТТ (рис. 1). Сплошные линии на рис. 1 соответствуют горению воспламенителя, а штриховые — горению основного заряда.

Для надежного воспламенения заряда ТТ в процессе запуска РДТТ необходимо:

нагреть поверхность заряда до температуры, равной температуре воспламенения (вспышки) твердого топлива T Tвсп, т. е.

сообщить начальный тепловой импульс топливному заряду, а также требуемый градиент температуры в топливе;

5

создать в камере двигателя давление, большее или равное нижнему пределу устойчивого горения заряда ТТ, т. е. pв pкmin ,

для нормального горения заряда ТТ после его воспламенения;воспламенять заряд ТТ по всей поверхности горения одно-

временно, например, за счет увеличения количества очагов воспламенения.

Рис. 1. Виды запуска РДТТ:

1 — осечка при запуске; 2 — запуск с выбросом давления; 3 — запуск нормальный; 4 — запуск затяжной; 5 — осечка

Таким образом, воспламенители предназначены для нагрева поверхности заряда до температуры воспламенения твердого топ-

лива T Tвсп и быстрого повышения давления в камере сгорания до pв pкmin , обеспечивающего нормальное горение основного

топлива. Поставленные условия выполняются при правильно организованном процессе передачи теплоты от потока продуктов сгорания топлива воспламенительного устройства к поджигаемой поверхности основного заряда. В связи с изложенным выше следует отметить, что имеются особенности воспламенения нитроцеллюлозных и смесевых топлив.

Нитроцеллюлозные топлива отличаются относительно низкими температурами воспламенения (Tвсп 600 K), но устойчиво

6

горят при сравнительно высоких ( pк 3,0 МПам2 ) давлениях.

Ввиду низких температур воспламенения нитроцеллюлозные ракетные топлива легко воспламеняются. Давление, которое должен создать воспламенитель, приходится выбирать достаточно высоким, чтобы процесс горения не прекратился при переходе от горения при давлении, созданном воспламенителем, к стационарному горению при выходе на основной режим работы ДУ.

Поскольку смесевые твердые ракетные топлива имеют более высокую температуру воспламенения, чем нитроцеллюлозные

(Tвсп 900 K), их устойчивое горение возможно при сравнительно

низких давлениях. В связи с этим давление, создаваемое воспламенителем, может быть выбрано значительно ниже, чем для нитроцеллюлозных топлив. Для воспламенения поверхности заряда требуется некоторое время, в течение которого происходят прогрев поверхности топлива до температуры воспламенения и установление необходимых температурных полей в прогретом слое заряда. В некоторых случаях время прогрева, или, как его еще называют, период воспламенения, должно быть очень малым, например для тактических ракет — 10...20 мс. Для РДТТ баллистических ракет большой дальности в ряде случаев при давлении в камере около 5,0 МПа период воспламенения может составлять 50…200 мс.

1.2. Требования к системе воспламенения РДТТ

Система воспламенения РДТТ должна обеспечивать следующее: надежность и безотказность воспламенения ТТ; расчетное время выхода двигателя на основной режим; отсутствие пиков давления; стабильность периода воспламенения; минимальную массу и размеры воспламенительного устройства; безопасность и удобство при эксплуатации и хранении в различных условиях; невосприимчивость к воздействию токов наводки, возникающих от бортовых и наземных систем; возможность обнаружения неисправностей электроцепей запуска при подготовке РДТТ к боевому применению. Кроме того, система воспламенения должна быть простой по конструкции и обладать необходимой механической прочностью, обеспечивающей ее сохранность при транспортировке и в период горения воспламенителя.

7

1.3. Воспламенительные составы

Для воспламенения могут быть использованы жидкие или газообразные самовоспламеняющиеся составы, а также электрические и пиротехнические системы. Несколько возможных двухкомпонентных топливных композиций, которые самовоспламеняются при взаимном контакте и, следовательно, могут обеспечить как одноразовый, так и многоразовый запуск, приведены в табл. 1.

Воспламенение осуществляется путем впрыска жидкости в свободную полость заряда. Помимо указанных окислителей также исследовались фторнитрат и газообразный фтор. Установлено, что наиболее эффективным является трехфтористый хлор.

Таблица 1

Жидкие топлива, используемые при запуске, должны:

иметь максимальную плотность;

воспламеняться со временем задержки менее 50 мс;

быть химически стабильными;

быть совместимыми с выбранными полимерами и металлами;

иметь вязкость не более 10–5 м2/с при всех условиях;

оставаться жидкими по крайней мере до температуры 450 K;

иметь низкое давление парообразования;

отличаться хорошими характеристиками теплопередачи. Разработанные самовоспламеняющиеся системы не обладают

одновременно всеми указанными свойствами. Исследование некоторых систем показало, что их реакционную способность можно изменять с помощью каталитических добавок.

Самовоспламеняющиеся системы имеют следующие недостатки:

необходимость раздельного и герметичного хранения компонентов;

наличие устройства для подачи компонентов и их впрыска, что усложняет конструкцию;

повышенное время задержки воспламенения у некоторых составов, достигающее нескольких секунд.

Время задержки самовоспламенения можно уменьшить путем усовершенствования системы впрыска жидкости, а также путем увеличения площади поверхности заряда, реагирующей с самовоспламеняющейся жидкостью.

Электрическое устройство воспламенения представляет собой набор электрических проводов из нихрома и хромеля с высоким удельным сопротивлением, соединенных параллельно и расположенных вдоль поверхности топливного заряда. Иногда используется только один провод, намотанный по спирали на воспламеняемую поверхность заряда. Провод может находиться на поверхности и быть слегка углубленным в заряд или полностью помещаться в топливной массе у поверхности заряда. В последнем случае провод монтируется в заряде в процессе его изготовления. При подаче напряжения провод накаляется и обеспечивает воспламенение поверхности заряда. Несмотря на такое преимущество этой системы воспламенения, как слабая чувствительность к механическим воздействиям и к образованию зарядов статического электричества, подобные системы имеют ряд недостатков: низкое давление в каме-

9

ре РДТТ в момент воспламенения заряда, большое время задержки воспламенения и др. В двигателях боевых ракет электрические системы воспламенения до настоящего времени не применялись.

Фирмой Lockheed Propulsion (США) были проведены разработки и исследования биметаллических воспламенителей в виде шнура, укрепляемого на части поверхности заряда РДТТ. Сердечник шнура был изготовлен из алюминия, а наружный слой — из состава на основе палладия. Оба металла были плотно прижаты друг к другу. При прохождении через шнур тока происходило расплавление алюминия, сопровождающееся экзотермической реакцией при образовании сплава с тепловым эффектом 1367 кДж/кг. Биметаллические воспламенители также можно изготавливать из свинца и лития или магния и платины.

В настоящее время наиболее распространенной системой воспламенения, отвечающей предъявляемым к ней требованиям, является пиротехническая система. Ее можно устанавливать на ракетах всех классов. Пиротехнические воспламенители состоят из трех основных элементов: инициирующего устройства, передаточного устройства и основного заряда. Инициирующее устройство создает первоначальный форс пламени, которое вызывает воспламенение передаточного заряда, горение которого обеспечивает зажигание основного заряда воспламенителя. Основой заряд состоит из пиротехнического состава, представляющего собой смесь окислителя и горючего, при нагреве которых до температуры воспламенения происходит экзотермическая самоподдерживающаяся реакция. Таким образом, основной заряд воспламенителя генерирует большую часть тепловой энергии, необходимой для воспламенения заряда ТТ. Существует много вариантов этого заряда: от гранулированного черного пороха в простом коробчатом воспламенителе из жести до твердотопливного заряда, который применяется в сравнительно сложных пирогенных воспламенителях, являющихся по сути небольшими РДТТ.

Для уменьшения времени задержки воспламенения заряда РДТТ и повышения надежности его запуска может быть использован дополнительный передаточный заряд, состоящий из различных комбинаций порошкообразных, гранулированных или таблетированных пиротехнических смесей. Необходимость в подобной системе может возникнуть, например, при запуске РДТТ в условиях низких температур и давлений окружающей среды, а также в

10