Проектирование и отработка ракетных двигателей на твердом топливе

2. Требования к конструкции РДТТ. Чаще всего здесь задаются размеры корпуса двигателя и его масса с допускаемыми отклонениями, положение и допустимые отклонения положения центра масс двигателя, значения моментов инерции РДТТ относительно продольной и поперечных осей. В этом же разделе оговариваются конструктивные особенности: места стыковки с пусковой установкой, места нахождения узлов крепления стабилизаторов, расположение кабельных сетей, места установки датчиков давления и т.д.

3. Требования к энергетическим характеристикам.

В этом разделе определяются требования к массе заряда твердого топлива, к полному импульсу тяги, величине тяги

ивремени работы двигателя. Обязательно указываются допустимые предельные отклонения для каждого из указанных параметров. Кроме этого, определяется перечень параметров, замеряемых при огневых стендовых испытаниях,

идается диаграмма изменения давления и тяги в зависимости от времени работы двигателя.

4. Требования к отдельным узлам. Даются сведения об устройствах управления вектором тяги, отсечки тяги, реверса и т.д.

5. Нагрузки на двигатель. Приводятся характеристики наиболее опасных случаев возникновения механических, тепловых и вибрационных нагрузок.

6. Транспортировка изделий. Определяются требова-

ния, которым должен отвечать двигатель, при транспортировке железнодорожным, автомобильным, авиационным,

водным транспортом (дальность или количество часов), и нагрузки, действующие при этом.

7. Перечень документации. Определяется объем документации, предъявляемой заказчику на каждом этапе проведенной работы.

Необходимо отметить, что разработка РДТТ является достаточно сложной задачей и производится на основе наукоемких технологий. Особенно это относится к заряду твердого топлива, несмотря на то, что он имеет достаточно

21

простую форму. Но эта простота достигается за счет применения множества теоретических и экспериментальных методик исследования, специальных методов проектирования и оптимизации конструкции. Основная сложность заключается в том, что все характеристики заряда и двигателя (энергетические, внутрибаллистические, газодинамические и т.д.) при выбранном топливе определяются только формой заряда. Даже незначительные изменения какоголибо размера заряда приводят к изменениям величин внутрибаллистических характеристик, запасов прочности, скоростей течения продуктов сгорания, величин надежности заряда и двигателя и т.д.

Постоянной тенденцией развития РДТТ является стремление повысить его энергетические характеристики и уменьшить коэффициент массового совершенства. Это производится за счет роста единичного импульса твердого топлива, увеличения его плотности, применения материалов, имеющих более высокую удельную прочность, чем сталь (титановые, алюминиевые сплавы, композиты). За последние 30 лет коэффициент массового совершенства уменьшился с величины 0,7…1,0 до значений 0,07…0,2. Были разработаны новые теплозащитные материалы и бронирующие покрытия, введен в эксплуатацию принципиально новый воспламенительный состав (пиротехнический), стали применяться эрозионностойкие материалы, существенно расширился диапазон скоростей горения как баллиститных, так и смесевых твердых топлив, улучшились их физико-механические характеристики. За последнее время были существенно снижены потери единичного импульса, в частности, по причине двухфазности потока продуктов сгорания (динамическая и температурная неравновесности потока), увеличена надежность двигателей. Несмотря на то, что стоимость РДТТ ниже, чем ЖРД, затраты на создание двигателей твердого топлива все еще остаются высокими. Работы по устранению этого недостатка ведутся. В настоящее время РДТТ занимают прочное место при разработке практически всех классов ракет.

22

ГЛАВА 2. ТВЕРДЫЕ РАКЕТНЫЕ ТОПЛИВА

2.1. Характеристики топлив

Топлива характеризуются очень большим количеством параметров, которые обычно делятся на группы. Дальность полета (или масса полезной нагрузки) определяется энергетическими и внутрибаллистическими характеристиками двигателя, которые в основном зависят от единичного им-

пульса (J1 ), скорости горения топлива (U ) и плотно-

сти топлива (γ) . Единичный импульс обычно применяет-

ся для характеристики РДТТ и представляет собой отношение полного импульса реактивной силы к массе топлива. Эта характеристика является осредненной, так как определяется по средним за время работы характеристикам двигателя.

Удельный импульс, применяемый для характеристики ЖРД, определяет мгновенные параметры работы двигателя, так как является отношением тяги двигателя к его расходу

Póä = GR ((ττ)) . При проектировании величины как единичного

импульса, так и удельной тяги рассчитываются по результатам термодинамического расчета характеристик продуктов сгорания.

где αÀ – коэффициент истечения, определяемый по следующей формуле [13]:

23

ности потока импульса,

Pí – давление окружающей среды,

Pñð – среднее за время работы давление в камере сго-

рания, ϕê – коэффициент внутрикамерных потерь,

k – показатель адиабаты,

RT – комплекс, называемый «силой топлива». Скорость горения топлива определяется зависимостью

U = ddeτ =U1Pν (1+αÒ∆T ),

где U1 – постоянная в законе скорости горения, называемая

обычно единичной скоростью,

e – величина сгоревшего свода заряда,

Р – безразмерное давление, определяемое как отношение давления в камере сгорания к атмосферному давлению, ν – показатель в законе горения топлива. Чем выше его величина, тем более интенсивно растет давление в камере сгорания при увеличении скорости горения, тем выше величина разбросов внутрибаллистических характеристик. Однако при разработке двухрежимных двигателей большое значение показателя в законе горения упрощает конструк-

цию заряда, αÒ – коэффициент температурной чувствительности

скорости горения топлива, который показывает величину изменения скорости горения топлива при изменении температуры топлива на 1 °С,

24

∆Ò – отклонение температуры заряда от стандартной температуры, при которой производился замер скорости горения топлива.

Следует отметить, что существуют другие зависимости для задания скорости горения топлива, но они применяются редко, и останавливаться на них мы здесь не будем.

Полное теплосодержание единицы массы топлива характеризует максимально возможную величину механической работы, которую могут совершить продукты сгорания топлива [2].

H = cpT = k k−1 RT = Q + 291 cv ,

где cp, cv – изобарная и изохорная теплоемкость продуктов сгорания,

Q – калорийность единицы массы топлива, приведенной к температуре 291 К, и при которой вода, содержащаяся в продуктах сгорания, находится в газовой фазе.

Единичный импульс топлива можно приближенно определить через следующее соотношение: J1 = 2H .

К физико-механическим характеристикам (ФМХ) твердого топлива относятся модуль упругости (Е), крити-

ческие напряжения (σкр) и деформации (εкр). Все эти ха-

рактеристики сильно зависят от температуры топлива. Например, при увеличении температуры модуль и напряжения уменьшаются, а деформации растут. Баллиститное топливо считается линейной упругой изотропной средой [1]. Смесевое твердое топливо определяется как линейная вязкоупругая изотропная среда. Это означает, что величины модуля, напряжений и деформаций зависят от времени действия нагружения. В дальнейшем в данной работе ФМХ топлив будут приводиться как значения характеристик, определенных в стандартных условиях, т.е. при стандартных величинах температуры (20 °С) и скорости деформирования образца топлива (3 мм/мин). Кроме этого, к ФМХ относится коэффициент Пуассона ( µ ), который показывает

25

соотношение между поперечными и продольными деформациями. Для смесевых твердых топлив его величина составляет обычно от 0,494 до 0,498.

При расчетах тепловых полей в узлах двигателя и за-

ряда необходимо знание теплофизических характеристик

материалов корпуса, бронирующих и теплозащитных покрытий, топлива и продуктов его сгорания. Это коэффици-

енты теплопроводности (λ) и теплоотдачи (α) , теп-

лоемкость (С), плотность (ρ) . Для продуктов сгорания определяется изобарная теплоемкость и кинематическая вязкость (ν) .

Твердое топливо характеризуется следующими эксплуатационными характеристиками [2]:

-физическая стабильность, определяющая способность топлив противостоять отслоению бронирующих покрытий от заряда и заряда от корпуса, а также появлению трещин;

-химическая стойкость, которая определяет отсутствие химического разложения топлива при длительном его хранении;

-механическая прочность, определяющая отсутствие разрушения топлива при воздействии нагрузок, действующих при наземной эксплуатации и работе двигателя

вполете;

-безопасность в обращении с двигателем при наземной эксплуатации (отсутствие детонации, удары, воздействие открытого огня и т.д.);

-низкая токсичность продуктов сгорания.

Кроме того, твердое топливо должно удовлетворять

производственным требованиям:

-безопасность производства твердого топлива;

-технологичность производства;

-экономичность производства. Это означает, что материалы для изготовления топлива должны иметь широкую сырьевую базу, низкую стоимость и т.д.

Все приведенные характеристики используются при проектировании и отработке РДТТ.

26

2.2. Баллиститные топлива

Баллиститные твердые топлива (иногда их называют: баллиститные пороха, двухосновные, гомогенные, нитроцеллюлозные или коллоидные топлива) – это твердые растворы нитроцеллюлозы, содержание которой в топливе может колебаться от 54 до 60 % в нитроглицерине, количество которого может быть от 25 до 45 % [3]. В качестве растворителя может использоваться динитродиэтиленгликоль, нитрогуанидин и т.д. Окислительные (кислород) и восстановительные (водород, углерод) элементы входят в состав как нитроцеллюлозы, так и растворителя.

Основные характеристики баллиститных топлив приведены в табл. 2.1.

Окончание табл. 2.1

В баллиститные топлива вводят присадки:

-стабилизаторы, которые замедляют разложение топлива при длительном хранении (этилцентралит, дифениламин);

-катализаторы скорости горения, которые увеличивают скорость горения и повышают устойчивость процесса горения (оксиды свинца, меди, титана, магния и т.д.);

-пластификаторы, которые повышают термопластичность топлива при прессовании, увеличивают эластичность зарядов и уменьшают чувствительность к детонации (воск, вазелин, минеральные масла);

-флегматизаторы, которые уменьшают взрывоопасность топлива;

-энергетические добавки, которые увеличивают еди-

ничный импульс топлива (порошок алюминия, магния или их сплавов);

-для уменьшения гигроскопичности топлива применяют диэтилфталат или дибутилфталат;

28

- пламегасящие добавки – сульфат калия.

Технология изготовления баллиститных топлив включает следующие стадии:

-перемешивание исходных компонентов в лопастном смесителе в большом количестве воды. При смешении химические процессы отсутствуют, происходит пропитка нитроклетчатки растворителями (нитроглицерин) и частичное ее растворение в нитроглицерине,

-отжим воды из полученной массы на центрифуге;

-вальцевание полученной массы на цилиндрических вальцах (коландрах), при этом между вальцами за счет увеличенного давления и температуры заканчивается процесс растворения нитроклетчатки (желатинизация массы) и испарение остатков воды. Выход топлива производится в виде рулонов или гранул;

-прессование зарядов может производиться двумя способами:

а) «проходное» прессование, при котором полученные гранулы поступают на шнековый аппарат, где под действием высокого давления и температуры они образуют монолитный блок, от которого отрезают заготовки необходимой длины. Применяется наиболее часто;

б) «глухое» прессование, при котором гранулы на специальном прессе запрессовываются в специальную форму, которая определяет геометрические размеры заряда. Данный способ применяется редко, только для зарядов небольших размеров, так как очень трудоемок. Кроме того, при этом виде обработки возрастают разбросы характеристик топлива;

-механическая обработка проводится с целью выравнивания торцов заряда, выполнения на них различных проточек, а также конусов на наружной поверхности и на канале заряда для обеспечения заданного закона изменения поверхности горения;

-нанесение бронирующего покрытия на заряд производится с помощью специальных методов, которые будут рассмотрены ниже;

29

- контрольные операции проводятся в соответствии с требованиями «Технических условий» на заряд, после которых несколько зарядов от партии отбираются для проведения огневых стендовых испытаний.

Горение баллиститного топлива происходит в несколько стадий [3, 4, 9, 43].

Втвердой фазе никаких реакций не происходит. За счет тепла, поступающего из ядра потока продуктов сгорания, идет прогрев поверхности топлива. На границе твердой фазы и зоны газификации, которая образует поверхность горения, происходит разложение топлива с образованием восстановительных (сложные органические соединения, формальдегид, водород), окислительных (в основном оксид азота), а также инертных продуктов.

Взоне газификации (газодымовая зона) оксид азота теряет атом кислорода на окисление горючих элементов, температура при этом возрастает до 1100…1400 К.

Вподготовительной зоне происходит образование

инакопление в газовой смеси активных центров. Температура газов здесь незначительно возрастает, но не достигает еще равновесного значения.

Взоне светящегося пламени окисление CO и H2 про-

исходит за счет восстановления NO до N2. Образуется равновесная смесь продуктов сгорания с соответствующей равновесной температурой.

Массовая скорость разложения твердой фазы определяется температурой поверхности топлива TS [3].

− E

m&S = ρU = k e 2RTS ,

где ρ – плотность топлива, U – скорость горения топлива, k – химическая константа, E – энергия активации, R – газовая постоянная.

По экспериментальным данным огневых стендовых испытаний РДТТ, зависимость скорости горения топлива определяется от давления в камере сгорания, а не температуры поверхности топлива. Противоречие это кажущееся.

30