Проектирование и отработка ракетных двигателей на твердом топливе

днища и крышки [1]. Конструкция работает следующим образом: буртик отверстия днища стремится раскрыться, этому препятствует замок на крышке. Данный способ более эффективен, кроме того, эта конструкция имеет меньшую массу.

4.3. Конструкция сопловых блоков

Сопловой блок предназначен для преобразования тепловой энергии продуктов сгорания в кинетическую. В сужающейся части сопла происходит разгон продуктов сгорания до скорости звука, которая достигает этого значения в критическом сечении. В расширяющейся части сопла происходит дальнейшее увеличение скорости потока, которая может достигать 3500 м/с. Расширение продуктов сгорания идет обычно до давления, равного давлению окружающей среды. В этом случае значение единичного импульса двигателя будет максимальным. Сопло заканчивается выходным сечением, которое обычно называют срезом сопла. В сопловой блок может входить одно или несколько сопел. По форме поперечного сечения сопла могут быть круглые и кольцевые, а по форме продольного сечения – конические и профилированные. По количеству сопел блоки делятся на односопловые и многосопловые. Сопло может быть обычной схемы и утопленное, критическое сечение которого вдвинуто в камеру сгорания двигателя. Кроме того, сопла могут быть нерегулируемые и регулируемые, которые в свою очередь делятся на сопла с уносом массы, со сменным вкладышем, с подвижным центральным телом, с автоматическим регулированием и двухрежимные [1, 2]. Сопла делятся на стационарные и управляющие, которые могут быть поворотными, вращающимися разрезными и с косым срезом. Далее, сопла могут быть с изменяемой геометрией – раздвижные и разворачивающиеся.

Наиболее просты по конструкции и технологичны конические сопла, схема которых приведена на рис. 4.5. Профиль сопла образуется входным и выходным конусами,

121

которые сопрягаются радиусами. Значения радиусов лежат в следующих интервалах: r1 = (0,2 −2)rêð , r2 = (0,5 −3)rêð .

Центры радиусов находятся в плоскости критического сечения сопла. Непосредственно в критическом сечении сопла выполняется проточка шириной от 1 до 3 мм, которая позволяет уменьшить разгар сопла, т.е. сохранить его диаметр при работе двигателя. Это дает возможность уменьшить потери единичного импульса. Рекомендованная величина угла входного конуса составляет βâõ = 30 −60°. При

больших величинах угла резко возрастают тепловые потоки в крышку двигателя, что вынуждает делать теплозащитные покрытия более толстыми. При меньших значениях угла возрастает длина сопла и, значит, его масса. Иногда входную часть сопла выполняют по дуге окружности или эллипса. Выходной конус делают под углом βâû õ = 7 −25°.

Меньшие углы приводят к резкому увеличению длины сопла и увеличению его массы, а большие – к увеличению потерь единичного импульса на рассеяние. Оптимальным значением этого угла считается величина от 9 до 12°.

Рис. 4.5. Схема профиля конического сопла

Сопло может работать в расчетном режиме, когда давление продуктов сгорания на срезе сопла равно давлению окружающей среды. В этом случае величина единичного импульса будет максимальной. Определяться режим работы сопла будет величиной уширения сопла, т.е. отношением

122

диаметров среза и критического сечения сопла. При увеличении уширения сопло начинает работать в режиме перерасширения, т.е. давление на срезе становится меньше давления окружающей среды. Это ведет к отрыву потока от стенок сопла, появлению скачков уплотнения и резкому увеличению потерь единичного импульса. При уменьшении уширения сопло работает в режиме недорасширения, когда давление на срезе больше давления окружающей среды. Это ведет к уменьшению единичного импульса, но уменьшается длина сопла и его масса, увеличивается объем камеры сгорания и масса топлива, а значит, и полный импульс тяги двигателя. Достаточно много двигателей, особенно класса «поверхность-поверхность», имеют сопла, работающие в режиме недорасширения. В расчетном режиме работают обычно сопла стратегических и высотных ракет, здесь режим перерасширения практически не встречается. Для каждого проектируемого двигателя этот вопрос надо решать применительно к конкретным условиям эксплуатации ракеты.

Профилированные сопла позволяют уменьшить потери единичного импульса при уменьшении длины и массы сопла. Методики расчета ориентированы в основном на гомогенный газовый поток. Применяемый для расчета метод характеристик [10] дает слишком большие габариты сопла

иего массу. Иногда применяют методики расчета, основанные на построении линий тока продуктов сгорания. Учет влияния конденсированной фазы производится на основе экспериментальных данных.

При малых габаритах сопла его выполняют цельным, при средних размерах сопловой блок стыкуют с днищем, а при больших – само сопло изготавливают из нескольких узлов. В качестве конструкционных материалов применяют легированные стали, но такие сопла имеют большую массу

инетехнологичны. Некоторые узлы сопла изготавливают из композиционных материалов (стекло-, органо-, углепластики), что повышает технологичность сопла и уменьшает его массу. В горловину сопла очень часто устанавливают

123

вкладыши из тугоплавких материалов (молибден, ниобий, вольфрам) или графита. Типичная конструкция сопла приведена на рис. 4.6.

Основной нагрузкой, действующей на сопло, является воздействие высокой температуры продуктов сгорания. Для уменьшения теплового воздействия применяют различные схемы охлаждения сопла. Ёмкостное охлаждение основано на аккумуляции тепла металлическим вкладышем. Применяется для двигателей малого времени работы. При хорошей теплопроводности материала вкладыша тепло отводится внутрь его конструкции, и температура поверхности сопла остается относительно низкой, несмотря на высокую температуру продуктов сгорания. Другой метод основан на организации защитного слоя из продуктов разложения или сгорания низкотемпературных топлив. Для этого на входе в сопло устанавливают кольца из аблирующего материала, продукты разложения которого образуют слой низкотемпературного газа, стелющегося по внутренней поверхности сопла, защищая его конструкцию. Вместо аблирующего материала можно использовать топливную шашку, продукты сгорания которой имеют низкую температуру. Для двигателей длительного времени работы используют пористые вкладыши, которые получают методами порошковой ме-

124

таллургии из вольфрама, молибдена и меди. При работе двигателя медь плавится и выходит на стенку вкладыша, осуществляя защиту его поверхности. Для защиты критического сечения сопла от эрозионного воздействия конденсированной фазы продуктов сгорания применяют эрозионностойкие материалы, например силицированный графит, композиционные абляционные материалы, облицовки из тугоплавких металлов. Силовые воздействия на конструкцию сопла обычно незначительны.

Утопленные сопла применяют с целью уменьшения габаритов двигателя. Для этого часть сопла помещают внутри корпуса двигателя, иногда эта часть входит в канал заряда. Отношение утопленной части сопла к его общей длине называется степенью утопленности сопла. Значения этой характеристики колеблются в интервале от 0,15 до 1,0. Утопленные сопла чаще всего изготавливаются из композиционных материалов, утопленная часть рассчитывается на устойчивость. Дело в том, что внутри утопленной части сопла поток сверхзвуковой, а снаружи – дозвуковой. Поэтому оболочка противостоит внешнему сжимающему давлению. Минимальную толщину можно определить по следующей формуле [28]:

где r – текущий радиус внутренней поверхности сопла, η – запас прочности, Р – максимальное давление в камере сгорания, β – угол наклона касательной в рассматриваемом сечении сопла, k – показатель адиабаты, М – число Маха, σв – предел прочности материала сопла. Расчет ведется в нескольких сечениях. Достоинством двигателя с утопленным соплом является его высокий коэффициент весового совершенства. Однако следует иметь в виду, что утопленное сопло может быть причиной акустической неустойчивости работы двигателя.

125

Многосопловые блоки достаточно часто применяются в конструкциях РДТТ. Эта конструкция позволяет резко уменьшить длину соплового блока и увеличить объем камеры сгорания и массу топлива, достаточно просто осуществить стабилизацию летательного аппарата в полёте за счет его вращения. Кроме того, при боковом расположении сопел на шпангоуте обечайки корпуса и в кольцевых двигателях многосопловая конструкция является единственным приемлемым решением. В управляемых ракетах многосопловая конструкция, как правило, состоящая из четырех сопел, позволяет производить управление ракетой по всем трем координатам. Наряду с достоинствами многосопловой блок имеет ряд недостатков: большая масса конструкции, большие потери единичного импульса, которые объясняются плохими условиями входа продуктов сгорания в сопло. В каждом сопле этой конструкции происходит неравномерный разгар критического сечения и унос ТЗП. При работе двигателя возникает разнотяговость сопел из-за допусков и неравномерного разгара критического сечения [1]. Вместе с тем необходимо учитывать, что в этой конструкции уменьшаются разбросы давления в камере сгорания, а значит, увеличивается вероятность выполнения внутрибаллистических характеристик [10].

Для неуправляемых ракет тактического назначения многосопловые блоки с количеством сопел от 4 до 7 изготавливаются из малоуглеродистой стали или композиционного материала. Эти сопла устанавливаются обычно на плоских днищах или изготавливаются вместе с днищем. Для ракет других классов применяются материалы, перечисленные выше.

Кольцевые сопла имеют центральное тело, установленное по оси сопла. Они могут штыревыми (внешнего расширения) и тарельчатыми (внутреннего расширения).

Схема кольцевого сопла приведена на рис. 4.7.

Кольцевые сопла применяются для обеспечения регулирования силы тяги по величине или предстартовой настройки двигателя на необходимую величину тяги. В со-

126

пловом блоке внешнего расширения центральное тело выступает за срез сопла, и расширение газа происходит при обтекании центрального тела. В сопловом блоке внутреннего расширения на оси сопла установлено тарельчатое центральное тело, которое со стенками сопла образует критическое сечение. Применение таких сопел ограничено. Недостатками являются большая масса конструкции, большие потери тяги из-за нарушения течения потока газа на входе в сопло, большие тепловые нагрузки на конструкцию.

Рис. 4.7. Схемы кольцевых сопел: а – сопло внешнего расширения; б – сопло внутреннего расширения

Сопловые блоки изменяемой геометрии [1] исполь-

зуются, как правило, в соплах большого уширения. В нерабочем состоянии они занимают малый объём, а заданный профиль принимают при работе. Раструб раздвижного сопла состоит из конических или профилированных секций, которые имеют различные диаметры и в нерабочем состоянии уложены в области критического сечения. В рабочее состояние приводятся с помощью пневмоцилиндров, которые выдвигают каждую секцию до момента ее соприкосновения и фиксации с предыдущей секцией. Такие сопла изготавливаются, как правило, из композиционных материалов. Недостаток конструкции – возможность перекоса секций и их заклинивания. Чтобы исключить эту возможность, применяют направляющие, но это приводит, учитывая еще наличие пневмоцилиндров, к большой массе конструкции. Раструб деформируемого насадка, изготовлен из тонкого листа жаропрочной стали или ниобиевого сплава.

127

Один торец насадка крепится к неподвижной части сопла, а другой образует его выходную часть. Срез сопла закрыт мембраной из прорезиненной ткани. В нерабочем состоянии подвижная часть расположена вокруг неподвижной. При начале работы под действием давления продуктов сгорания сопло разворачивается и принимает рабочее положение, мембрана при этом разрушается и выбрасывается потоком газа. Конструкция имеет достаточную прочность и жесткость, малую массу, не требует специальных устройств для разворачивания сопла, направляющих и фиксаторов. Разворачивающийся металлический насадок изготавливается из ниобиевого сплава. В нерабочем состоянии раструб уложен внутрь неподвижной части сопла с образованием продольных гофров. Насадок раскрывается под действием давления продуктов сгорания. Достоинствами сопла являются хорошая герметичность, отсутствие привода и элементов фиксации. В эластичном раструбе применяется ткань из кварцевых волокон, которая армирована пучками углеродных волокон. К неподвижной части сопла крепится с помощью эпоксидной смолы. В нерабочем состоянии укладывается вокруг неподвижной части сопла. В рабочее состояние приводится с помощью нескольких гидроцилиндров. Жесткость сопла обеспечивается надувным резиновым кольцом, установленным на срезе сопла. Надувные сопла изготавливаются из объемной ткани, состоят из двух полотнищ, соединенных между собой нитями. Наддув раструба производится инертным газом с помощью специального устройства. Внутренняя поверхность насадка для повышения термостойкости покрывается слоем каучука. Лепестковые сопла позволяют получить большие уширения сопла. Лепестки сопла крепятся на шарнирах к неподвижной части сопла и при приведении в рабочее состояние разворачиваются и образуют раструб сопла. Для разворота лепестков требуется специальный привод, фиксаторы для установки в рабочее положение и узлы уплотнения, которые должны обеспечивать невозможность пере-

128

тока продуктов сгорания через стенки раструба. Недостатком этого сопла является сложность конструкции.

В качестве сопловых блоков изменяемой геометрии могут применяться комбинации всех рассмотренных конструкций.

4.4. Конструкция разъемных соединений и уплотнений

Разъемные соединения служат для соединения между собой различных узлов двигателя – обечайки и днищ, днищ

исоплового блока, различных крышек с днищем и т.д. Основное требование, которое надо выполнить при проектировании, это обеспечить прочное и герметичное соединение при минимальной массе конструкции.

Резьбовое соединение является наиболее простым видом соединения. На торце обечайки делается утолщение, на котором нарезается резьба. Ответная часть резьбы нарезается на шпангоуте днища. Для металлических обечайки

иднища применяют обычно метрическую резьбу. Осевая нагрузка, действующая на резьбовое соединение, определяется давлением в камере сгорания и диаметром корпуса

N = fPπR2 , где R – радиус обечайки, Р – давление в каме-

где lp – длина резьбы, d – внутренний диаметр резьбы. Ка-

где dср – средний диаметр резьбы.

Для обечайки из композиционного материала, который плохо работает на срез, применяют специальный пилообразный или прямоугольный профили [2, 6, 27].

129

Достоинствами резьбового соединения являются простота конструкции и технологичность. Недостатки: наибольшая масса из всех видов соединений, трудность соблюдения ориентации сопел, например, при многосопловых днищах. Применяют для корпусов малого диаметра (рекомендуемый диаметр не более 300 мм, хотя в практике встречаются такие соединения и диаметром до 600 мм), изготавливаемых в условиях массового и крупносерийного производства.

Фланцевое соединение применяется достаточно широко. Конструкция его представляет собой фланец, приваренный к кромке обечайки, который стыкуется с помощью болтов с ответным фланцем днища. Это соединение должно обеспечивать необходимую прочность и герметичность. Для уменьшения массы соединения оси болтов располагают как можно ближе к обечайке. Схема соединения приведена на рис. 4.8. Нагрузка, действующая на крышку

N = πD4 2 , где P – внутреннее давление в камере сгорания,

D – диаметр камеры. Нагрузка, действующая на болты F = 2,8N . Такое повышение нагрузки объясняется тем, что данный узел должен проектироваться как прочноплотное

где n – количество болтов. Напряжения изгиба во фланце

толщина фланца.

Достоинство фланцевого соединения заключается в его меньшей массе по сравнению с резьбовым соединением. Недостаток фланцевого соединения в наличии кольца, выступающего за наружные контуры двигателя.

130