Проектирование и отработка ракетных двигателей на твердом топливе

топлива. Они представляют собой порошкообразные смеси окислителя, связующего и металлического горючего (Al, Mg, B, Zr) с содержанием конденсированной фазы в продуктах сгорания до 90 %. Эти воспламенители обеспечивают местный прогрев и воспламенение заряда, откуда потом фронт пламени распространяется по всей поверхности горения, поэтому их масса существенно меньше. Изготавливают эти составы в виде порошка (от 2 до 50 мкм), таблеток (диаметр от 6,5 до 9,5 мм, высота от 2 до 3 мм), петард (диаметр от 20 до 35 мм, высота от 8 до 15 мм) и шашек. Формы шашек воспламенителя из пиротехнического состава приведены на рис. 3.21.

Рис. 3.21. Формы шашек воспламенителя из пиротехнического состава: а – таблетка; б – петарда; в – шашка

Оценку массы воспламенительного состава можно сделать с помощью формулы

где σ – доля конденсированной фазы в продуктах сгорания воспламенителя,

Pê – необходимое начальное давление в камере сгорания,

Vê – свободный объем камеры сгорания,

(RT )â – величина комплекса «силы топлива» для воспламенительного состава.

101

Необходимо отметить, что существует очень большое количество методик оценки массы навески воспламенителя, но все они отличаются недостаточной точностью. Поэтому в практике проектирования чаще всего используют конструкцию воспламенителя серийного двигателя и при необходимости дорабатывают его по результатам первых огневых стендовых испытаний двигателя.

Конструкции воспламенителей с использованием дымного пороха приведены на рис. 3.22, 3.23, воспламенителей на основе пиротехнических составов – на рис. 3.24, 3.25.

Воспламенители могут устанавливаться на передней крышке двигателя, в предсопловом объеме, в сопловом блоке, на стенке камеры сгорания, на специальных штангах, вводиться в канал заряда. Традиционная и наиболее часто встречающаяся схема установки – на передней крышке двигателя. Ориентация выходных

отверстий воспламенителя на основе дымного пороха не имеет большого значения, так как их работоспособность зависит от создания во всей камере сгорания определенных температуры и давления, хотя предпочтительно, чтобы выходные отверстия были направлены на поверхность заряда. Пиротехнические воспламенители направляют перпендикулярно или под углом к поверхности заряда, так как здесь происходит очаговое воспламенение. Однако нельзя допустить, чтобы продукты сгорания воспламенителя размывали поверхность горения заряда, поэтому выбирают определенное расстояние, исходя из опыта отработки аналогичных изделий.

102

Рис. 3.23. Воспламенитель трубчатого типа: 1 – пиропатрон; 2 – опора; 3 – прочный корпус; 4 – футляр; 5 – порох; 6 – отверстия для истечения продуктов сгорания воспламенителя

Рис. 3.24. Воспламенитель корзиночного типа: 1 – опора; 2 – основание воспламенителя; 3 – усилитель; 4 – петарды; 5 – пленочный футляр; 6 – амортизатор; 7 – пиропатрон; 8 – корпус, выполненный из стеклопластиковых жгутов

103

Рис. 3.25. Воспламенитель на основе пиротехнического состава в прочном корпусе:1 – опора; 2 – прочный корпус; 3 – усилитель; 4 – петарды; 5 – пленочный футляр; 6 – отверстие для истечения продуктов сгорания воспламенителя; 7 – пиропатрон; 8 – резиновое кольцо

Кроме перечисленных конструкций могут быть воспламенители, выполненные в виде кольца, полусферы и т.д. Для двигателей с массой заряда порядка десятков грамм применяют пленочный (плоский) воспламенитель, представляющий собой пакетик из полимерной пленки, заполненный пиротехническим составом.

Для зарядов малой массы для воспламенения может использоваться непосредственно сам пиропатрон. Для на- учно-исследовательских испытаний модельных двигателей часто используют картуз – мешочек из хлопчатобумажной ткани, заполненный дымным порохом, внутрь которого помещен мостик накаливания. Для крупногабаритных дви-

гателей применяют пускозажигательные устройства,

которые представляют собой небольшой двигатель, установленный в сопловом блоке основного двигателя и обращенный соплом внутрь. Этот ПЗУ снабжен обычным воспламенителем.

Пиропатрон имеет достаточно небольшие размеры: диаметр 20…30 мм, высоту – 40…60 мм. Во внутреннем

104

объеме пиропатрона развивается большое давление – 5…15 МПа, время его срабатывания может быть от 10 до 15 мс. В качестве рабочего вещества используется взрывчатое вещество, воспламеняющееся при подаче электрического импульса. Например, бездымный порох 50 %, перхлорат калия 25 % и соли свинца 25 %. Все системы воспламенения имеют механические системы предохранения, предотвращающие самопроизвольный пуск двигателя, обычно это металлические пластины, которые перекрывают канал между пиропатроном и собственно воспламенителем, или специальные пиропатроны. Иногда для запуска двигателя применяют механические запалы, которые работают следующим образом: боек ударяет по капсюлю, который поджигает навеску воспламенителя, далее загорается заряд твердого топлива. На воспламенитель обычно ставят один пиропатрон, лишь иногда – дополнительный. Это необходимо в редких случаях, так как надежность одного пиропатрона очень велика по сравнению с надежностью двигателя, и установка еще одного пиропатрона практически не влияет на надежность двигателя и ракеты.

105

ГЛАВА 4. КОНСТРУКЦИЯ РДТТ

Требования к конструкции ракетного двигателя полностью определяются теми целями и задачами, которые ставятся при создании летательного аппарата. Этот аппарат является сложной технической системой с единой целью, алгоритмом функционирования и определенной структурой, то есть системой устойчивых связей между элементами конструкции. Под функционированием системы понимается выполнение определенных операций для достижения заданных целей в заданное время. Эффективностью летательного аппарата будет количественная оценка его функционирования при заданной структуре и внешних воздействиях. Для обеспечения выполнения заданных целей осуществляется процедура управления, то есть переработка информации для обеспечения функционирования системы

ивыработка управляющих воздействий. Структура летательного аппарата основана на иерархическом принципе, который предполагает вертикальное расположение подсистем, причем существует приоритет воздействия подсистем верхнего уровня на подсистемы нижнего уровня. Это означает, что работа систем нижнего уровня определяется задачами системы верхнего уровня. Значит, конструкция ракетного двигателя полностью определяется целями создания соответствующей ракеты и условиями ее эксплуатации. Ракеты можно классифицировать по их назначению. Они мо-

гут быть народно-хозяйственного, исследовательского, космического и военного назначения. По месту старта и це-

ли их делят на следующие группы: поверхность-поверх-

ность, поверхность-воздух, воздух-поверхность, воздух-

воздух. Беспилотные летательные аппараты делятся на баллистические, движущиеся по баллистической траектории,

икрылатые ракеты, имеющие самолетную схему. Ракеты могут быть управляемыми, их двигатель, как правило, имеет высокую эффективность, и неуправляемыми, при их создании основное внимание обращается на высокую технологичность. По виду целей, для поражения которых предна-

106

значены ракеты, их можно разделить на следующие группы: противотанковые (ПТУР), противоракетной обороны (антиракеты), ракеты систем противовоздушной обороны, ракеты для поражения спутников (антиспутники) и т.д. В зависимости от области применения ракеты делят на

тактические, оперативно-тактические и стратегические

[1, 26, 27].

При проектировании летательного аппарата, частью которого является РДТТ, необходимо учитывать нагрузки, действующие на конструкцию. Нагрузки могут быть внешними (аэродинамические силы, тепловые нагрузки от внешних источников, сила тяжести, сюда обычно относят и силу тяги) и внутренними (давление, тепловые нагрузки от внутренних источников). Кроме этого, на летательный аппарат воздействует воздушная и водная среда, в которой он находится. Турбулентность атмосферы, в которой могут быть вертикальные порывы ветра от 8 до 20 м/с и горизонтальные – от 10 до 50 м/с, может привести к возрастаниям перегрузок на летательный аппарат в полтора раза. Влажность воздуха вызывает коррозию. Осадки в виде дождя усиливают коррозию, кроме того, они оказывают силовое воздействие на конструкцию с удельным давлением до 0,2 МПа. Пыль и песок, которые постоянно присутствуют в воздухе, приводят к износу трущихся поверхностей и эрозии корпуса. Гравитационные и инерционные силы, а также тяга двигателя приводят к появлению перегрузок, воздействующих на все узлы конструкции. Тепловые потоки от солнца, поверхности земли и от источников внутри летательного аппарата способствуют возникновению нестационарных тепловых полей в конструкции и появлению температурных напряжений. Кроме того, они изменяют посадочные и установочные размеры, что наиболее опасно для статически неопределимых систем, какими является большинство узлов летательного аппарата. Высокие температуры вызывают ускоренное старение полимеров, а это твердое топливо, резиновые уплотнения, амортизаторы и т.д. Электромагнитные и магнитно-газодинамические поля

107

приводят к появлению в конструкции блуждающих токов. Солнечная радиация является причиной разложения полимеров (топливо, резина) и нагрева корпуса. Статическое электричество, накопленное конструкцией, может быть причиной самопроизвольного запуска двигателя. Все эти факторы действуют на конструкцию РДТТ. Основной же нагрузкой является внутреннее давление в камере сгорания.

Основным требованием к конструкции двигателя является обеспечение работоспособности (т.е. обеспечение прочности, жесткости, устойчивости и выносливости конструкции), надежности, технологичности и экономической эффективности конструкции. Специфическое требование, предъявляемое к ракетным двигателям, – это обеспечение минимальной массы конструкции. От этого зависит достижение максимальной дальности полета ракеты или максимальной массы полезной нагрузки.

4.1. Конструкция обечайки

Корпус РДТТ состоит из обечайки, днищ, стыковочных узлов, теплозащитных покрытий и, в случае прочноскрепленного заряда, защитно-крепящего слоя. Элементы двигателя чаще всего являются тонкостенными конструкциями. При расчете их на прочность обычно применяется

безмоментная теория оболочек, в которой моменты, воз-

никающие в оболочке, не учитываются. В отдельных случаях необходимо применение моментной теории.

Обечайка представляет собой тонкостенный цилиндр (иногда конус), к которому посредством соединительных узлов крепятся переднее и заднее днища. На внутреннюю поверхность обечайки наносится теплозащитное покрытие. Обечайка находится под действием внутреннего давления. Наружные тепловые потоки и действие аэродинамических сил не учитывается, так как они слишком малы. Обечайки могут быть металлические, композиционные, комбинированные. Чаще всего используют металлические обечайки. Применяемые для этого материалы: легированные и высо-

108

копрочные стали (с пределом прочности более 1,5 ГПа), титановые сплавы и композиционные материалы. Композиционные материалы применяются сравнительно редко, так как они газопроницаемы при высоких давлениях, обладают низкой удельной жесткостью и высокой стоимостью. Их применяют обычно для тех изделий, где требуется высокая эффективность.

Металлические обечайки изготавливают с помощью обработки металла давлением (раскатка, вытяжка и т.д.). При больших диаметрах обечайки используется сварка листов стали. Толщина обечайки при пренебрежении радиальными и осевыми напряжениями определяется следую-

сгорания, R – наружный радиус обечайки, σв – предел прочности материала, ηñâ – запас прочности на ослабление кон-

струкции из-за наличия сварного шва ( 1,2), f – коэффициент безопасности (1,15…1,5). Вблизи торца обечайки напряжения возрастают (краевой эффект). Напряжение изгиба

сона [27].

Краевой эффект возникает вследствие изгиба обечайки в районе его торцов под действием внутреннего давления. Для пластичных материалов это не очень опасно – материал деформируется и большой концентрации напряжений не возникает. Для хрупких материалов краевой эффект опасен, так как он ведет к большим концентрациям напряжений. Для уменьшения напряжений в оболочке применяют шпангоуты, выполняют соединительный узел крышки с обечайкой с замком, который уменьшает деформации оболочки по его торцу, но чаще всего делают местное

утолщение стенки обечайки длиной l ≥ 2,6 Rδ в районе ее торца. Данные схемы приведены на рис. 4.1.

109

Рис. 4.1. Схемы вариантов конструкции, уменьшающих влияние «краевого эффекта»: а – местное утолщение обечайки; б – соединение днища с обечайкой с использованием «замка»; 1 – обечайка; 2 – днище; 3 – уплотнение

Иногда необходимо проводить расчет обечайки на устойчивость. Например, при работе двигателя первой ступени в неработающих двигателях следующих ступеней возникают сжимающие напряжения, которые могут привести к нарушению устойчивости обечайки. Критическую силу с учетом подкрепляющего действия заряда твердого топлива можно определить по следующей формуле [27]:

где E, Eт – модуль материала обечайки и топлива, µ, µт – коэффициент Пуассона материала обечайки и топлива.

Критическое давление при действии наружного давления, которое может возникнуть, например, на подводных ракетах, можно определить для коротких обечаек [26, 27] следующим образом:

для длинных обечаек (длина обечайки l ≥ 2,4 Rδ ):