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

тех случаях, когда необходим достаточно длительный и устойчивый подвод тепловой энергии от воспламенителя для предотвращения вибрационного горения. Обеспечить требуемое время выхода двигателя на режим можно расчетом массы воспламенителя, подбором зерен пороха определенных размеров, а также выбором его состава. Герметичность воспламенителя достигается его размещением в герметичном корпусе.

1.4. Инициирующие устройства

Инициирующие устройства подразделяют на две основные группы:

электрические в виде мостика накаливания;

механические (ударные, фрикционные и др.), в которых первичным является механический импульс.

Всуществующих РДТТ, как правило, применяются электрические инициирующие устройства (электрозапалы или электропиропатроны). Электрозапал состоит из элементов электрической цепи (контакты, проводники, мостики накаливания), корпуса, изоляции (прокладки) инициирующего заряда, передаточного заряда и основного заряда (рис. 2).

Характеристиками электрозапала являются:

пусковой ток;

максимальный допустимый ток, не вызывающий зажигания;

Рис. 2. Электрозапал:

1— металлический корпус; 2 — прокладка; 3 — инициирующий заряд; 4 — передаточный заряд; 5 — основной заряд; 6 — мостик накаливания

11

минимальное и максимальное время работы, время задержки срабатывания;

параметры выхода на расчетное и максимальное давления, определяемые в закрытой камере (бомбе);

температура самовоспламенения (для электрозапала с замедлителем);

чувствительность к удару;

надежность срабатывания в различных условиях использования.

1.5. Классификация и конструкции воспламенительных устройств

Воспламенительные устройства чрезвычайно разнообразны по месту расположения, по конструкции и по составу. Это связано с необходимостью выполнения требований по обеспечению надежного запуска РДТТ разного назначения, различающихся формой и габаритами заряда твердого ракетного топлива, конструкцией отдельных элементов и условиями их работы (рис. 3).

Рис. 3. Классификация воспламенительных устройств

Место расположения воспламенительного устройства, а также форма и конструкция заряда ТТ во многом определяют физическую картину процесса воспламенения и последовательность включения заряда ТТ в горение, а следовательно, характер изме-

12

нения параметров рабочего процесса на начальной стадии работы РДТТ. С учетом этого процесс воспламенения может осуществляться со стороны:

1)переднего днища РДТТ;

2)соплового блока РДТТ;

3)канала заряда.

В первом случае, который является наиболее распространенным, воспламенительное устройство расположено со стороны переднего днища РДТТ (рис. 4). При этом имеются наиболее благоприятные условия для надежного воспламенения заряда ТТ и обеспечения минимального времени выхода РДТТ на основной режим, так как все продукты сгорания воспламенителя проходят через канал заряда ТТ прежде, чем выйдут из РДТТ.

Рис. 4. Воспламенительное устройство типа «двигатель в двигателе»:

1 — металлический или пластмассовый корпус; 2 — разрывная диафрагма; 3 — пиротехнические таблетки; 4 — пирозапал; 5 — высокоэнергетичное смесевое топливо; 6 — заряд основного двигателя; 7 — сопловой насадок

При воспламенении со стороны сопла воспламенитель может быть выполнен как единый узел с сопловой заглушкой или прикреплен к сопловому днищу. Поскольку в крупногабаритных РДТТ воспламенительные устройства имеют относительно большие размеры и массу, для первых ступеней ракет целесообразно не связывать их с ДУ, а размещать вне РДТТ на стартовом сооружении (рис. 5). При этом массовые характеристики РДТТ первой ступени улучшаются.

13

Рис. 5. Установка для зажигания РДТТ со стороны сопла:

1 — сопловая заглушка из пластмассы;

2 — основной двигатель; 3 — воспламенительное устройство типа «двигатель в двигателе»; 4 — крепление воспламенительного устройства; 5 — пиропатрон

Если горение заряда ТТ происходит по внутреннему каналу, его воспламенение возможно путем введения в канал распределенного по его длине воспламенителя (рис. 6). В этом случае обеспечиваются наиболее благоприятные условия для практически одновременного воспламенения всей поверхности горения заряда. Воспламенение заряда торцового горения обусловливает определенную схему расположения воспламенительного устройства. Оно может быть прикреплено к заряду, к сопловому днищу или к сопловой заглушке либо размещаться снаружи двигателя.

Рис. 6. Трубчатый перфорированный воспламенитель, подводимый

вканал заряда:

1— перфорированная трубка из картона; 2 — герметизирующее покрытие из пластика; 3 — инициаторы; 4 — опора из пористой резины; 5 — электрические провода; 6 — пиротехнические таблетки

Некоторой спецификой отличается воспламенительное устройство для многократного воспламенения РДТТ, хотя в этом случае применяются те же воспламенительные устройства, например конструкция, изображенная на рис. 7.

14

Рис. 7. Блок воспламенителей для пятикратного запуска РДТТ:

1 — пиропатрон для инициирования воспламенителя; 2 — корпус из композиционного материала (смола и асбест); 3 — сопло из пресс-материала на основе графита; 4 — двойная разрывная мембрана; 5 — заряд из полиуретанового топлива; 6 — сечения канала заряда

Рассмотрим конструктивные особенности воспламенительных устройств, используемых в настоящее время.

Первым широкое применение нашел так называемый картузный воспламенитель, представляющий собой мешочек с черным порохом и пирозапалом. Более сложным по конструкции является коробчатый воспламенитель, имеющий небольшой легкий металлический или пластиковый корпус, в котором находятся электрозапал и основной заряд черного пороха. В конструкциях, разработанных в более позднее время, порох заменен таблетированным пиротехническим составом. Характер разрушения корпуса воспламенителя при этом был вполне определенным, но скорость выделения энергии воспроизводилась плохо. Воспламенители этого типа были успешно использованы в небольших РДТТ, однако для крупногабаритных РДТТ вследствие появления пиков давления и невоспроизводимого выхода на режим они оказались непригодными.

Рулонный воспламенитель (рис. 8) представляет собой полый рулон из ткани, пластика или бумаги, покрытый внутри пиротехническим составом. Он характеризуется малой пассивной массой и крепится со стороны сопла. В центре цилиндра размещены пирозапалы и инициатор. Фиксация воспламенителя осуществляется с помощью торцовых уплотнителей. Применение такого воспламе-

15

нителя позволяет повысить эффективность использования свободного объема камеры сгорания РДТТ. При этом осколки отсутствуют или их бывает очень мало. К недостаткам таких воспламенителей относятся хрупкость и сложность фиксации, особенно в очень больших РДТТ, возникновение высоких ударных нагрузок в период их работы и сложность изготовления.

Рис. 8. Рулонный воспламенитель:

1 — электрические провода; 2 — пиротехническое полотно, намотанное на оправку; 3 — инициаторы; 4 — резиновые крепления; 5 — ткань, покрытая пиротехническим составом

В последнее время широкое распространение получили воспламенители с полузамкнутым объемом, в которых горение пиротехнического состава происходит внутри корпуса при определенном давлении. Из корпуса продукты сгорания поступают в камеру РДТТ. Ввиду хорошего обеспечения заданных внутрибаллистических характеристик их применяют в более сложных и ответственных РДТТ. Примерами таких воспламенителей являются «корзиночный» воспламенитель (рис. 9) и воспламенитель с регулируемым истечением (рис. 10).

«Корзиночные» воспламенители изготовляют из крупной проволочной сетки, перфорированного металлического листа или стеклопластика. Перфорированный контейнер удерживает пиротехнические таблетки в процессе их горения. Применение таких воспламенителей позволяет уменьшить вероятность повреждения заряда ТТ вследствие неконтролируемого повышения давления при горении воспламенительного состава.

Корпус воспламенителя с регулируемым истечением сохраняет свою целостность во время всего периода его работы. В результате истечения продуктов сгорания в камеру РДТТ через многочисленные отверстия диафрагмы корпуса воспламенителя полное давление потока значительно уменьшается. Путем изменения раз-

16

меров и количества отверстий можно не только устранить пусковой пик давления, но и отрегулировать давление и скорость его повышения в камере РДТТ, увеличить время воздействия нагретых продуктов сгорания воспламенителя на поверхность заряда РДТТ и обеспечить контроль направления форса пламени. При этом количество не полностью сгоревших частиц воспламенительного состава, вынесенного в камеру РДТТ, также уменьшается. Все это способствует улучшению процесса запуска РДТТ.

Рис. 9. «Корзиночный» воспламенитель:

1 — переходник; 2 — инициатор; 3 — таблетки воспламенительного состава; 4 — корзинка; 5 — разъем

Для воспламенения крупногабаритных РДТТ были разработаны устройства типа «двигатель в двигателе». Такие устройства пред-

ных воспламенительных составов, а воспламенительные устройства можно изготавливать с такой же точностью и по той же технологии, что и основной РДТТ. Недостаток таких устройств состоит в том, что они срабатывают от другого воспламенителя.

В последнее время разработан ряд вариантов открытых, или бескорпусных, воспламенителей (рис. 11).

Рис. 11. Бескорпусный воспламенитель из электропроводной пленки, нанесенной на поверхность горения заряда ТТ:

1 — проводники; 2 — электропроводная пленка с пиротехнической смесью; 3 — ТТ

В таких воспламенителях пиротехнические элементы сочетаются с техникой печатных схем. Они имеют полоски из электропроводного материала, нанесенные параллельно оси заряда на поверхности горения и соединяющие элементы огневой цепи, которые ориентированы в окружном направлении и изготовлены из электропроводного пиротехнического состава, прикрепленного непосредственно к поверхности заряда. Обычно воспламенительные элементы в этих воспламенителях объединены в одну замкнутую огневую цепь или в несколько параллельных цепей. Проводники и пиротехнические элементы образуют решетку на поверхности горения заряда; воспламенение происходит при подаче тока в цепь. В состав пиротехнической смеси обычно входят горючее (бор), кристаллический окислитель (перхлорат калия), электропроводящий материал (серебро) и полимерное связующее, которое можно применять и в ТТ. Последние разработки направлены на увеличение количества непроводящей смеси под проводящей пленкой. Это позволяет уменьшить требуемое для воспламенения количество тепловой энергии. Использование защитного слоя из алюминиевой фольги дает возможность снизить чувствительность воспламенителя к механическим воздействиям. Преимущества воспламенителей состоят в том, что их применение позволяет обеспечить низкие пики давления и эффективное использование пространства; они не чувствительны к электромагнитному воздействию. Их недостатки заключаются в отсутствии возможности демонтажа и удаления из РДТТ, трудности нанесения на поверхность

18

заряда, необходимости большого количества электроэнергии для приведения их в действие, повышенной чувствительности к трению и статическим нагрузкам, трудности контроля качества.

1.6. Пиротехнические составы и их свойства

Требования, предъявляемые к компонентам состава

Компоненты пиротехнических смесей должны легко воспламеняться и обеспечивать самоподдерживающуюся реакцию горения с высоким экзотермическим эффектом. Эти свойства зависят от химического состава и физического состояния компонентов и являются важнейшими факторами при проектировании воспламенителя. Выбор компонентов определяется выполняемой ими функцией в воспламенителе, например тем, применяется ли компонент в передаточном или основном заряде, а также требованиями к воспламенителю и условиям окружающей среды при эксплуатации. Выбор химического состава воспламенительной смеси обычно основан на этих факторах. Кроме того, большое значение имеют форма и размеры частиц компонентов, которые могут применяться в воспламенителе в разном виде — от мелкодисперсных порошков и гранул до таблеток, зарядов и блоков заданной формы. Вместе с тем необходимо учитывать свойства, влияющие на воспламеняемость, содержание газовой и конденсированной фаз в продуктах сгорания, температуру пламени, скорость горения, стабильность состава при хранении. Желательно, чтобы при производстве можно было обеспечить простой и точный контроль заданных размеров и формы пиротехнических элементов. Это является условием получения требуемых и воспроизводимых рабочих характеристик воспламенителя. Компоненты элементов должны быть экономически доступными. Заданное соотношение между генерируемой энергией и временем срабатывания воспламенителя позволяет установить конкретные требования к компонентам.

Размеры и формы пиротехнических элементов

Размеры и формы являются важными характеристиками пиротехнических элементов воспламенителя, так как, варьируя их, даже без изменения химического состава компонентов можно обеспечить различные характеристики пиротехнических устройств. Воспламенительные составы могут использоваться в виде

19

порошков, таблеток, полотен, пропитанных пиротехническими составами, зарядов, подобных форме топливных зарядов РДТТ. В настоящее время порошки обычно используют в качестве передаточных зарядов. При этом требуются быстрая воспламеняемость и высокая скорость горения. Их применение в качестве основного заряда приводит к возникновению больших пиков давления при воспламенении.

Для улучшения воспроизводимости внутрибаллистических характеристик и обеспечения более длительного и контролируемого по сравнению с горением порошков горения в воспламенителях часто используют прессованные элементы в виде таблеток. Для облегчения грануляции и таблетирования в состав таблеток кроме порошкообразных компонентов вводят связующее. Возможны различные формы таблеток, но их разнообразие ограничивается определенными характеристиками пуансонов и матриц для вращающихся таблеточных прессов. Основные формы таблеток показаны на рис. 12. Диаметр и высота таблеток могут изменяться в пределах 1,27…25 мм и более. Как правило, таблетки имеют цилиндрическую форму, а различия состоят лишь в форме контура торцов. Форма (площадь поверхности), плотность, скорость горения таблеток оказывают существенное влияние на массовый расход воспламенителя.

Рис. 12. Формы таблеток

Пиротехнические элементы диаметром более 2,7 мм условно называют зарядами, или блоками. Применение зарядов в воспламенителях типа «двигатель в двигателе» позволяет упростить их конструкцию, улучшить баллистические характеристики и увеличить время горения по сравнению с соответствующим временем при использовании воспламенителя с таблетками. При проектировании таких воспламенителей применяют те же методики, что и для РДТТ. Основные формы пиротехнических зарядов показаны на рис. 13 и 14. Заряды, которые изготавливают глухим прессованием, обычно

20