Проектирование и отработка ракетных двигателей на твердом топливе

Расчет шпонки ведется на смятие и срез: σñì = N

Añì

τñð = N , где N – осевая сила, Асм – площадь смятия, Аср –

Àñð

площадь среза.

Достоинство шпоночного соединения заключается в минимальной массе соединения и малых радиальных размерах.

Штифто-болтовое соединение применяется для стыковки металлического днища и обечайки, выполненной из композиционного материала. Схема соединения приведена на рис. 4.8. Конструирование этого узла основывается на том, что композиционные материалы плохо работают на срез, и этих нагрузок на конструкцию необходимо избежать. Для этого в торцевой части обечайки высверливаются радиальные отверстия, в которые вставляются штифты, имеющие по своему диаметру отверстия с резьбой. Крышка крепится с обечайкой посредством болтов, которые вворачиваются в отверстия штифтов.

Рис. 4.10. Уплотнения для неподвижных узлов РДТТ: а, б – радиальные; в, г – торцевые

132

На все разъемные соединения обязательно устанавливаются узлы уплотнения, работа которых основана на поджатии резиновых элементов к сопрягаемым деталям (кольца, манжеты) или создании очень больших гидравлических сопротивлений между движущимися деталями (сальники, лабиринтные и канавочные уплотнения). Для уплотнения узлов РДТТ чаще всего используются резиновые кольца, показанные на рис. 4.10.

Герметизация соединений осуществляется за счет деформаций резинового кольца. Конструкция узлов стандартизована. При проектировании можно также пользоваться рекомендациями, изложенными в справочнике [31]. Необходимо отметить, что торцевые уплотнения работают хуже, чем радиальные, и их установки следует избегать.

Рис. 4.11. Уплотнения для подвижных узлов РДТТ: а – манжета; б – лабиринтное уплотнение

Для уплотнения валов рулевых машинок, клапанов и пр. используются манжеты и различные варианты бесконтактных уплотнений, приведенные на рис. 4.11.

4.5.Неразъемные соединения

Вконструкции РДТТ чаще всего применяются сварные и клеевые соединения.

При проектировании сварных соединений необходимо учитывать, что высокопрочные металлы обладают повышенной чувствительностью к концентраторам напряжений

133

и термическим воздействиям в процессе производства [1]. По этой причине при проектировании необходимо исключить или свести к минимуму влияние концентраторов напряжений. Это требование можно обеспечить применением соединений деталей встык, причем сварке должны подвергаться листы одинаковой толщины и с плавными переходами. Например, при соединении шпангоута с штампованной заготовкой днища на шпангоуте делается выступ, толщина которого равна толщине листа заготовки, а радиус кривизны выступа примерно равняется кривизне листа заготовки в месте сварки. Сварка обычно ведется в среде защитного газа в один или несколько проходов.

Возникновение остаточных напряжений и деформаций, которые появляются после любых видов сварки, может вести к появлению трещин при эксплуатации изделия. Для снятия этих напряжений необходимо проводить термообработку сварного узла (отпуск). Особое внимание необходимо обратить на кольцевые швы, у которых происходит усадка и диаметр обечайки в месте шва становится меньше. Исключить этот эффект можно прокаткой или рихтовкой шва, а в случае недоступности шва – предварительной раскаткой кромок перед сваркой на величину усадки.

Контроль качества сварных швов осуществляется, как правило, с помощью рентгеновских аппаратов.

Клеевые соединения [1] применяются при разработке РДТТ для крепления теплозащитных материалов к поверхности двигателя и соединения твердотопливного заряда к обечайке, причем этот вариант соединения является в настоящее время единственно возможным. Существуют различные виды клеев, предназначенных для соединения металлов с металлами, металлов с неметаллами, полимеров с полимерами, резины с металлами и неметаллами. При конструировании необходимо учитывать особенности технологии приклейки. Перед склеиванием поверхности металлических деталей должны быть промыты, обезжирены, протравлены кислотами, у неметаллических деталей должна быть проведена шероховка, промывка, сушка и обезжи-

134

ривание склеиваемых поверхностей. При проектировании конструктор должен учесть доступность всех склеиваемых поверхностей для проведения указанных операций. Отверждение клеевых швов происходит при определенных температурах и давлениях в течение определенного времени. Необходимые давления создаются с помощью струбцин, захватов, зажимов, в специальных прессах, в автоклавах с применением специальных резиновых мешков. Конструктор должен предусмотреть возможность применения указанного оборудования. Контроль качества приклейки производится с помощью ультразвуковых дефектоскопов, которые используют эффект отражения ультразвука от границы раздела фаз, т.е. от места непроклея.

Наиболее опасными для клеевых швов являются отдир и неравномерный отрыв, поэтому при конструировании надо избегать соединений, в которых на каких-либо участках происходит повышение напряжений. Наилучший результат дает соединение, в котором по всему шву одинаковые напряжения. Прочность соединения, работающего на сдвиг, прямо пропорциональна ширине соединения. Увеличение же нахлеста слоев не ведет к увеличению прочности соединения. Объясняется это тем, что в нахлесте работают только его крайние части и после разрушения этой части нахлеста начинают работать следующие, которые также разрушаются и т.д. Для более равномерного распределения нагрузки в клеевом шве рекомендуется кромки деталей, выходящие на край шва, выполнять скошенными.

Разрушение клеевого шва может быть адгезионным – по границе между клеем и склеиваемым элементом, когезионным – внутри клеевого шва и смешанным. Полное (100 %) адгезионное разрушение есть признак некачественной подготовки поверхностей под склейку.

Основная область применения клеевых соединений – это конструкции, в которых достигается равномерность нагружения по всей ее поверхности. Для работы в условиях тяжелых локальных нагрузок клеевые соединения непригодны.

135

4.6. Органы управления вектором тяги

При полете ракеты необходимо изменять величину

инаправление вектора скорости и ориентацию осей летательного аппарата в пространстве. Для этого применяются органы управления, которые создают управляющие усилия

имоменты. Органы управления могут быть аэродинамические, которые создают усилия, воздействуя на поток воздуха, обтекающий летательный аппарат. Они могут действовать только при полете в атмосфере и при достаточно большой скорости полета. Другой тип органов управления – газодинамические, которые создают усилия, воздействуя на истекающие из сопла продукты сгорания. Они могут работать при любых скоростях полета и вне атмосферы. Иногда используются комбинированные органы управления, совмещающие в своей конструкции и аэродинамические и газодинамические принципы работы.

Органы управления должны удовлетворять следующим требованиям [1, 8, 27]:

-обеспечивать создание управляющих усилий необходимой величины;

-минимизировать потери единичного импульса, связанные с применением органов управления;

-обеспечивать заданное быстродействие органов управления;

-минимизировать зоны отсутствия управляющего воздействия при изменении управляющих усилий;

-обеспечить линейную зависимость управляющей силы от угла поворота, перемещения органа управления или расхода впрыскиваемой жидкости или газа;

-обеспечивать малый шарнирный момент;

-минимизировать массу органов управления и их приводов;

-конструкция органов управления должна быть проста, технологична и удобно компоноваться на двигателе.

Наиболее простым способом управления вектором тяги является применение управляющих двигателей, кото-

136

рые создают управляющие моменты за счет их поворота относительно продольной оси ракеты. Для управления по трем каналам (тангаж, крен, рыскание) достаточно двух таких двигателей, каждый из которых установлен в кардановом подвесе, или четырех двигателей, каждый из которых имеет одну степень свободы. Двигатели с одной степенью свободы располагаются вокруг сопла основного РДТТ параллельно или перпендикулярно оси ракеты. Управляющие двигатели должны иметь то же время работы, что и основной двигатель. Достоинствами этой конструкции являются простота, отсутствие деталей, находящихся в газовом потоке, и, соответственно, потерь единичного импульса, небольшие шарнирные моменты. Недостатки: увеличение массы конструкции ракеты и неодновременное окончание работы управляющих двигателей и основного РДТТ.

Газовые рули также отличаются простотой своей конструкции. Они имеют вид профилированной пластины, установленной в сверхзвуковой части сопла. Для управления по трем каналам необходимо иметь четыре газовых руля. Управляющая сила и сила лобового сопротивления, возникающая при повороте руля на угол δ, определяется как

где CY ã.ð , CX ã.ð – коэффициент боковой силы и лобового

сопротивления газовых рулей, ρ, V – плотность и скорость продуктов сгорания на срезе сопла, Sã.ð – площадь поверх-

À ã.ð

до оси вращения руля.

137

При полете ракеты в плотных слоях атмосферы газовые рули используют в комбинации с аэродинамическими органами управления. Это дает возможность уменьшить массу системы управления. Газовый и аэродинамический руль могут располагаться на одной оси и иметь одну рулевую машинку. При движении с малыми скоростями полета в момент старта управляющие моменты создают газовые рули, при достижении больших скоростей полета – аэродинамические рули. Газовые рули могут сбрасываться или просто сгорать в потоке продуктов сгорания.

Преимущества газовых рулей заключаются в простоте конструкции, приемлемой величине шарнирного момента, линейной зависимости управляющей силы от угла поворота. Недостатком являются большие потери единичного импульса.

Дефлектор, называемый еще кольцевым рулем, может быть выполнен в форме сферического пояса, цилиндра или усеченного конуса, установленного на срезе сопла. Дефлектор установлен в шарнире, который позволяет ему поворачиваться в двух плоскостях. В нерабочем положении контакт между дефлектором и продуктами сгорания отсутствует, в рабочем – часть кольца вводится в газовый поток и создает управляющее усилие. Схема конструк-

ции дефлектора приведена на рис. 4.12. При введении дефлектора в поток в нем образуется косой скачок уплотнения. За скачком возникает зона повышенного давления, воздействующая на стенку сопла и на введенную в поток часть дефлектора. Она и создает управляющее усилие.

Управляющая сила и сила лобового сопротивления, возникающая при повороте дефлектора, определяется как

138

Yð = C1 H ϕ q à D 2 , X p = C2 H ϕ q à D 2 ,

где C1, C2 – эмпирические коэффициенты, ϕ – угол между линией, продолжающей образующую сопла на срезе, и хордой дефлектора, D – диаметр дефлектора, H – отно-

сительная величина проекции хорды дефлектора H = 2HR .

Увеличение проекции дефлектора на срез сопла приводит к увеличению управляющего момента. Шарнирный момент дефлектора складывается из позиционного момента

Mï î ç = C3 q à D3 и момента трения Mòð = fFr , где C3 – эм-

пирический коэффициент, f – коэффициент трения в опоре, F – реакция в опоре, r – радиус опоры.

Преимущество дефлектора заключается в отсутствии необходимости иметь мощный привод, в практически линейной зависимости управляющей силы от угла поворота, в отсутствии потерь тяги в нейтральном положении. Недостатком дефлектора является его низкая стойкость к продуктам сгорания, имеющим высокую температуру и конденсированную фазу. В последнее время практически не применяется.

Интерцептор, или триммер, представляет собой пластину, установленную на срезе сопла или внутри его раструба при необходимости создания управляющего усилия, вводимого в поток продуктов сгорания. При введении интерцептора в сверхзвуковой поток там образуется косой скачок уплотнения, за фронтом которого создается зона повышенного давления, которая и создает управляющее усилие. Для управления по двум каналам необходимо иметь четыре интерцептора, по трем каналам – восемь. Конструкция интерцептора работает в очень тяжелых условиях. Применяется редко.

Поворотное сопло [1, 27] является одним из наиболее энергетически выгодных органов управления. Широко

139

применяется в конструкции РДТТ. Схема конструкции поворотного сопла приведена на рис. 4.13. Управляющее усилие создаётся поворотом всего сопла вместе с вкладышем Yï = R sinδ, где R – тяга двигателя, δ – угол поворота со-

пла. При малых углах поворота (6…8°) зависимость управляющего усилия от угла поворота получается практически линейной. Возможно применение поворотных сопел с одной

идвумя степенями свободы. Для уплотнения разъема в дозвуковой части сопла применяют сальниковые, сильфонные

идиафрагменные уплотнения (см. рис. 4.13). Сальниковое уплотнение обладает высокой надежностью, но имеет очень большой момент трения. Сильфонное уплотнение

аб

Рис. 4.13. Схема поворотного сопла: а – сопло с сальниковым уплотнением; б – сопло с сильфонным уплотнением

Рис. 4.14. Схемы управляющих сопел: а – вращающееся сопло; б – сопло с косым срезом

140