Проектирование и отработка ракетных двигателей на твердом топливе

обеспечивает хорошую герметизацию шарнира, но трудно разработать его конструкцию так, чтобы она хорошо работала при высоких температурах и давлениях. Иногда поворотное сопло устанавливают в кардановом подвесе. В качестве опоры сопла можно применять жидкостной подшипник, который представляет собой кольцевую замкнутую емкость из эластичного материала (типа «нейлон»), заполненную жидкостью (силиконовое масло). Он располагается между подвижными и неподвижными элементами сопла. При отклонении сопла объем жидкости не меняется, она перераспределяется, допуская боковые отклонения сопла. Давление жидкости в подшипнике равно давлению в камере сгорания. Защита подшипника от действия высокой температуры продуктов сгорания осуществляется углеродной тканью. Применяется также упругий подшипник, который состоит из набора резиновых и металлических резиновых шайб со сферическими или коническими поверхностями. Этот подшипник также фиксирует сопло в осевом направлении, но допускает боковые перемещения. Недостатком такого подшипника является большой шарнирный момент, что требует мощных рулевых машинок. Обычно поворот сопла осуществляется с помощью гидропривода. Потери тяги в поворотном сопле небольшие, так как поворот потока происходит в дозвуковой части.

Разрезное сопло [1, 27] отличается от поворотного сопла тем, что разъем переносится из дозвуковой части сопла в сверхзвуковую (число Маха 1,5…2). Управляющая сила создаётся так же, как и у поворотного сопла. Преимущество конструкции заключается в том, что уплотнения работают при гораздо меньших уровнях давления и температуры продуктов сгорания, что упрощает конструкцию и повышает ее надежность. Уплотнение делается чаще всего в виде гибких манжет из тканей на основе углеродного или асбестового волокна. Такие уплотнения практически не создают трения. Разрезное сопло имеет меньшую массу и длину по сравнению с поворотным соплом, но оно имеет повышенный газодинамический момент и поэтому требует мощных

141

приводов. Данный тип сопел применяют обычно для последних ступеней ракеты, где управляющая сила создаётся при небольших углах поворота.

Вращающиеся управляющие сопла [1, 27] создают управляющий момент только в одной плоскости, поэтому управление по трем каналам возможно только при наличии четырех сопел. Особенность конструкции заключается в том, плоскость вращения раструба сопла не перпендикулярна оси сопла (рис. 4.14). В результате этого при повороте сопла изменяется направление вектора скорости истекающих продуктов сгорания, за счет которого производится управление полетом ракеты. В разъем подвижной и неподвижной частей сопла устанавливаются шариковые или игольчатые подшипники. Уплотнение осуществляется с помощью сальников, манжет, лабиринтных уплотнений.

Сопло с косым срезом создает управляющее усилие за счет неперпендикулярности среза сопла его оси (см. рис. 4.14). Работа этого сопла во многом подобна работе предыдущей конструкции, так же как и применяемые материалы и технические решения по уплотнению разъема. Отличие в том, что плоскость вращения сопла перпендикулярна оси сопла.

Инжекционные (струйные) [1, 27] органы управле-

ния вектором тяги основаны на вдуве газа или впрыске жидкости в сверхзвуковую часть сопла. В месте впрыска образуется косой скачок уплотнения, за которым возникает зона повышенного давления, позволяющая создать управляющее усилие. Кроме того, в результате появления скачка уплотнения происходит поворот потока продуктов сгорания, истекающих из сопла. Величина управляющей силы зависит от площади, закрываемой косым скачком, а значит, от расхода инжектируемого рабочего тела. Сопло проектируется так, чтобы косой скачок не доходил до противоположной стенки сопла. Форсунки обычно устанавливаются на расстоянии от критического сечения, составляющем 20…40 % длины выходной части сопла. Впрыск осуществляется в двух взаимно перпендикулярных плоскостях.

142

Управление этим способом происходит по тангажу и рысканью. Для управления ракетой по крену требуется установка дополнительных устройств. При этом способе отсутствуют чисто механические взаимодействия органов управления и газового потока. Это сильно уменьшает необходимую мощность привода органов управления

иих массу.

Вкачестве рабочего тела могут использоваться инерт-

ные или химически активные жидкости, холодный или горячий газ. Рабочее тело должно обладать высокой плотностью (для уменьшения пассивной массы конструкции). Свойства рабочего тела при хранении: стабильность, малая теплоёмкость, малая теплота испарения. Основные вещества, используемые для впрыска, – это фреоны, бромистые соединения, ртуть. В качестве химически активных соединений используют четырехокись азота или азотную кислоту, эффективность применения которых основана на дожигании их в продуктах сгорания твердого топлива, что увеличивает тягу двигателя. Система подачи жидких компонентов из бака – вытеснительная через систему клапанов. Для вытеснения могут применяться продукты сгорания газогенераторов. Иногда используется отбор продуктов сгорания из камеры двигателя. В этом случае масса органов управления минимальна.

4.7. Теплозащитные покрытия

Конструкция двигателя находится под воздействием высокой температуры продуктов сгорания (3000…3500 °C), которые содержат до 40 % конденсированной фазы, в течение длительного времени (до 600 с). Скорости газового потока могут достигать 400…500 м/с, а тепловые потоки – 2,3…11,6 МВт/м2 [1]. Эффективная работа конструкции РДТТ возможна только при условии изоляции от продуктов сгорания. Для решения этой задачи чаще всего применяются теплозащитные покрытия (ТЗП), целью применения которых кроме защиты двигателя является еще и уменьшение

143

тепловых потерь единичного импульса. Требования к теплозащитным покрытиям: низкая тепло- и температуропроводность, высокая теплоемкость, минимальная плотность (для уменьшения пассивной массы), хорошая адгезия к материалу конструкции, хорошая устойчивость к ударам, вибрациям и химически активной среде, стабильность характеристик при хранении двигателя, высокая эрозионная стойкость, технологичность нанесения.

ТЗП могут быть жесткими, выполненными из прессматериалов или текстолитов, и эластичными, изготовленными из каучуков. Жесткие ТЗП характеризуются высокой эрозионной стойкостью, обладают стабильностью свойств при хранении, высокими теплофизическими и механическими характеристиками. Недостатком таких покрытий являются низкие величины относительных удлинений, что может привести к разрушению покрытий при высоких деформациях конструкции двигателя при работе, а также от ударов и вибраций при транспортировке. Жесткие покрытия изготавливают прессованием с последующей вклейкой. Применяют обычно для защиты внутренней части сопла и днищ.

Эластичные ТЗП имеют низкую теплопроводность, низкую плотность, стабильны при хранении, технологичны при нанесении. Недостаток таких покрытий – низкая эрозионная стойкость при больших скоростях газового потока. Эластичные покрытия изготавливают раскройкой и вклейкой. Эти покрытия применяют в основном для защиты внутренней поверхности камеры сгорания и наружного покрытия боевой части. Характеристики эластичного покрытия на основе кремнийорганического эластомера следующие [2]: плотность 1300…1400 кг/м3, предел прочности 3,5…5,6 МПа, коэффициент теплопроводности

0,26…0,31 Вт/м К.

Промежуточное положение между жесткими и эластичными ТЗП занимают прорезиненные и наполненные ткани.

144

По характеру работы покрытия можно разделить на пассивные и активные [2]. Пассивные покрытия в течение всей работы двигателя сохраняют свою первоначальную геометрическую форму. Они выдерживают, не разрушаясь, достаточно большие температуры. К этой группе относят тугоплавкие материалы (вольфрам, молибден, тантал, ниобий и т.д.), графит, а также оксиды, бориды, нитриды, карбиды и цирконаты некоторых металлов. Наносят обычно напылением или осаждением из газовой фазы. Толщина этих покрытий обычно небольшая (0,2…1 мм) и рассчитаны они на небольшое время работы двигателя. К активным покрытиям относятся материалы, работа которых сопровождается их разрушением. Характеристики некоторых пассивных материалов приведены в табл. 4.1 [2].

Таблица 4.1

Характеристики некоторых пассивных теплозащитных материалов

Различают покрытия с внутренним и внешним уносом массы. Примером покрытия с внутренним уносом является спеченная композиция из вольфрама, молибдена и меди. Тугоплавкие металлы выполняют функцию основы,

145

которая не меняет своей формы в течение работы. Медь при работе двигателя плавится и выходит на поверхность, охлаждая ее. Покрытия с внешним уносом представляют собой сублимирующие покрытия, состоящие из минерального наполнителя и органической связки [2]. Покрытия, которые разлагаются с выделением газовой фазы, называются аблирующими. Они также могут быть с внутренним и внешним уносом массы. К первой группе относятся ТЗП на основе пластмасс, в частности, фенольные пластики, армированные стекловолокном, волокнами оксида кремния, асбеста или графита. К этой же группе относятся конструкционные пластмассы, получаемые прессованием [27]. Характеристики некоторых ТЗП приведены в табл. 4.2 [1]. Ко второй группе относятся армированные каучуки. В качестве наполнителя чаще всего используется стекловолокно или асбест. Некоторые характеристики таких покрытий приведены в табл. 4.3 [6]. К активным покрытиям также относят слой медленно горящего топлива, нанесенный на защищаемую поверхность, продукты сгорания которого

Таблица 4.2 Теплозащитные покрытия на основе фенольных смол

Таблица 4.3

имеют сравнительно низкую температуру сгорания (1500…1800 °С). Кроме защиты этой поверхности низкотемпературные продукты сгорания защищают и другие части двигателя, образуя газовую завесу. Например, заряд из низкотемпературного топлива, установленный в предсопловом объеме, защищает газовой завесой стенки сопла. По такому же принципу действуют пористые покрытия, которые изготавливают из керамики толщиной 4…15 мм, через поры которой вдувают холодный газ.

При проектировании РДТТ следует выделить 4 зоны, которые качественно отличаются друг от друга:

1) застойная зона, которая характеризуется малыми температурами газа (до 400 °С) и очень малыми скоростями газового потока. Нагрузки на ТЗП здесь минимальны, и в некоторых случаях покрытие не устанавливается вообще. Например, на переднем днище вкладного заряда торцевого горения. При проектировании щелевого заряда, прочно скрепленного с корпусом, на обечайку в районе цилиндрической части заряда ТЗП также не ставят из-за очень малого времени воздействия продуктов сгорания на материал конструкции;

2) зона с малыми тепловыми потоками, где скорость движения продуктов сгорания достигает 50 м/с. Это переднее днище в двигателе с трубчатым зарядом, обечайка в районе щелей заряда. Эрозионное воздействие продуктов сгорания на ТЗП здесь отсутствует;

3)зона средних тепловых потоков, где скорость движения продуктов сгорания здесь может достигать 400 м/с.

Вэтих условиях работает заднее днище. В этой зоне необходимо выбирать ТЗП, исходя из условия воздействия как высокой температуры, так и конденсированной фазы продуктов сгорания;

4)зона больших тепловых потоков, где скорость газового потока колеблется от дозвуковой до сверхзвуковой, с сильным эрозионным воздействием на конструкцию. Данные условия характерны для работы сопла.

148

Конкретный выбор ТЗП производится применительно к разрабатываемой конструкции, исходя из марки топлива (температура продуктов сгорания и содержание конденсированной фазы), времени работы двигателя и тепловых потоков, величина которых будет определяться конструкцией заряда и двигателя.

Плотность современных ТЗП изменяется от 650 до 2700 кг/м3, коэффициент теплопроводности – от 0,15 до

0,85 Вт/м К и коэффициент температуропроводности – от

0,1 10–6 до 0,4 10–6 м2/с [2].

4.8. Конструкционные материалы

При выборе конструкционных материалов следует руководствоваться обеспечением заданных характеристик конструкции при известных условиях эксплуатации. Для РДТТ, как и вообще для конструкций летательных аппаратов, специфическим требованием является обеспечение работоспособности изделия при минимальной массе конструкции. Для этого существуют определенные критерии выбора [26]. При обеспечении прочности конструкции условие минимальной массы выполняется при максимуме удельной прочности материала, т.е. отношения предела прочности материала к его плотности σâ ρ. В случае ли-

митирующего условия по работоспособности, заключающегося в минимуме деформаций, требование минимума массы будет выполняться при максимуме удельной жесткости, т.е. отношения модуля упругости материала к его плотности Eρ. При обеспечении устойчивости конструк-

ции наилучшим будет материал с максимальным значением

E ρ. Для плоских панелей, работающих на сжатие, кри-

терием выбора будет максимальная величина 3 E ρ.

Основной материал, применяемый для конструкций РДТТ, это металлы. Заготовками являются листы, проволока, трубы, плиты, швеллеры, тавр, двутавр, уголки и т.п. Обработка ведётся резаньем, литьём, давлением. Широко

149

применяется термообработка и сварка. Наибольшим применением отличаются сплавы, так как у них более широкий спектр характеристик, чем у чистых металлов. Сплавы могут быть деформируемые. Как правило, они обладают высокой прочностью и пластичностью, обрабатываются чаще всего резанием и давлением. Литейные сплавы применяются для изготовления деталей сложной формы. В них используются присадки, улучшающие процесс литья, но, как правило, несколько ухудшающие физико-механические характеристики материалов. Все материалы теряют свою прочность при нагреве: уменьшаются предел прочности и модуль упругости, растет предельная деформация. В условиях нагрева используются специальные высоколегированные стали, но они гораздо хуже обрабатываются и стоят дороже. Можно использовать низколегированные стали с теплозащитными покрытиями.

Наиболее часто в конструкциях РДТТ применяются стали. Углеродистые стали при разработке РДТТ практически не используются из-за низкой прочности, но они широко применяются для различного вспомогательного оборудования, например, испытательных и сборочных стапелей. Очень часто применяются легированные стали. Например, сталь 30ХГСА имеет достаточно высокую прочность σâ = 1200 МПа, хорошо обрабатывается, сваривает-

ся, имеет низкую стоимость. У стали 20ХГСА прочность ниже, но очень хорошая свариваемость. Для увеличения прочности добавляют никель, так, 30ХГСНА имеет σâ =

= 1600 МПа. Нержавеющие жаропрочные стали применяют при температурах 500…800 °С. Они имеют в качестве легирующих добавок никель хром, вольфрам, молибден, титан, ниобий. Например, стали 1Х18Н10Т, 12Х18Н10Т. При рабочих температурах до 1000 °С применяют кобальтовые и никелевые сплавы с добавкой хрома и бора. Высокопрочные стали имеют предел прочности 1500…2000 МПа, но обладают большой чувствительностью к концентраторам напряжений, причем она проявляется по-разному, в зави-

150