Проектирование и отработка ракетных двигателей на твердом топливе

Температура поверхности топлива определяется в основном тем теплом, которое к ней подводится. Подвод тепла из зоны светящегося пламени практически невозможен, так как зона газификации непрозрачна для излучения, кроме того, ширина подготовительной зоны достаточно велика (порядка сотен микрометров). Количество теплоты, подведенной к поверхности горения, будет полностью определяться теплопроводностью зоны газификации и ее толщиной. С увеличением давления в камере сгорания толщина зоны газификации уменьшается, возрастает количество подведенного тепла, увеличивается температура поверхности горения и растет скорость горения топлива. Кроме того, замер температуры поверхности горения топлива достаточно сложен, а определение давления в камере относится к самым обычным операциям отработки двигателей, поэтому при разработке РДТТ применяется зависимость скорости горения топлива от давления в камере сгорания.

2.3. Смесевые твердые топлива

Смесевые твердые топлива (СТТ), которые иногда называют гетерогенными, представляют собой механическую смесь органического горючего и минерального окислителя [1, 3].

Вкачестве окислителя чаще всего применяется перхлорат аммония (ПХА). При его разложении выделяется 46 % кислорода. Кроме того, может применяться пикрат аммония, перхлорат калия, другие соли минеральных кислот. Стехиометрическое содержание ПХА в топливе составляет 88 %, но в реальных топливах количество окислителя поддерживается в пределах от 60 до 80 %. Это объясняется тем, что при высоком содержании окислителя ухудшаются физико-механические характеристики топлива. Кроме того, в области стехиометрического соотношения резко увеличивается температура продуктов сгорания при незначительном увеличении единичного импульса.

Вкачестве горючего, которое в топливе выполняет функцию связующего, используются полимеры – поли-

31

сульфидные смолы (тиокол, который в настоящее время имеет очень ограниченное применение), полибутадиен, бутилкаучук, полиуретан (имеет наибольшее применение). Содержание связующего в топливе составляет от 12

до 30 %.

Для увеличения единичного импульса применяют энергетические добавки – порошки алюминия, магния и их сплавов в количестве до 20 %. Наибольшее применение получили порошки алюминия, несмотря на то, что при горении частицы алюминия на ее поверхности образуется тугоплавкая пленка оксида алюминия, которая затрудняет процесс горения и ведет к увеличению потерь единичного импульса. Более эффективно применение сплавов алюминия и магния. В этом случае на поверхности горящей частицы металла твердая корка оксида алюминия перемежается жидкими участками оксида магния, что улучшает условия горения. Кроме того, в качестве энергетических добавок может применяться цирконий, бор, бериллий. Но все эти металлы имеют достаточно высокую стоимость, а оксиды бериллия являются достаточно токсичными продуктами. Наиболее эффективно применение гидридов металлов (алюминия, лития), продукты сгорания которых имеют низкую молекулярную массу, а значит, большую величину единичного импульса.

Для регулирования свойств топлива в его состав вводятся присадки. Для увеличения скорости горения применяют катализаторы – соединения, содержащие медь, оксид хрома, органические соединения железа. Для уменьшения скорости горения применяют ингибиторы – оксид магния, трехфтористый бром. Для улучшения технологических свойств топлива применяют технологические добавки. Также применяют специальные добавки, которые снижают дымообразование за срезом сопла, уменьшают факел за срезом сопла, изменяют величину показателя в законе горения топлива и т.д. Характеристики смесевых твердых топлив приведены в табл. 2.2, 2.3.

32

Таблица 2.2 Основные характеристики смесевых твердых топлив

33

Таблица 2.3

Физико-механические характеристики смесевых твердых топлив

(при стандартной скорости деформирования)

Изготовление заряда из смесевого твердого топлива при методе литья под давлением производится в сле-

дующей последовательности [1]:

Предварительное смешение компонентов, отдельно порошкообразных и жидковязких.

Смешение компонентов. Для этого загружают приготовленные смеси в смеситель непрерывного действия, который представляет собой шнековый аппарат. В аппарате происходит окончательное перемешивание компонентов и подача топливной массы под давлением посредством

34

шнека в подготовленный для заполнения и корпус двигателя. Корпус при заполнении находится под вакуумом.

Полимеризация топливной массы. Производится в специальных кабинах в течение нескольких суток. В это время из жидкой топливной массы под действием катализаторов образуется монолитный топливный блок – заряд твердого топлива.

Распрессовка. Заключается в разборке технологической оснастки. При этой операции снимаются технологические крышки и из канала заряда извлекается стержень («игла»), с помощью которого этот канал и был образован.

Дефектоскопия. Проводится ультразвуковыми методами для выявления отслоений топлива от корпуса. Рент- ген-контроль применяется для выявления раковин и трещин для зарядов малого диаметра, гамма-дефектоскопия – для зарядов большого диаметра.

Концевые операции и отбор зарядов для проведения огневых стендовых испытаний в защиту партии изделий.

Данная технологическая схема применяется, как правило, для топлив, имеющих большую вязкость в жидком состоянии.

Для топлив, имеющих в жидком состоянии малую вязкость, применяется обычно метод свободного литья. При этом методе смешение всех компонентов топлива производится сразу в лопастном смесителе либо в смесителе цилиндрической формы, ось вращения которого повернута на небольшой угол относительно оси цилиндра. После завершения процесса смешения производится заполнение корпуса двигателя топливной массой. Далее все операции идут в соответствии с предыдущей схемой. Данный способ заполнения является периодическим, что, конечно, относятся к его недостаткам, однако он применяется достаточно широко.

Существует три способа скрепления заряда с корпусом двигателя:

1) непосредственная заливка топлива в корпус двигателя;

35

2)заливка топлива в изложницу с последующей вклейкой топливного блока в корпус двигателя;

3)изготовление топливного блока и последующая обмотка заряда, например, стеклолентой, пропитанной смолой, и полимеризация полученной оболочки. В этом случае сначала изготавливается заряд, а потом корпус двигателя.

Наиболее широко применяется способ непосредственной заливки топливной массы в корпус двигателя.

Подготовка корпусов перед заполнением производится

вследующей последовательности:

-шероховка поверхности защитно-крепящего слоя (тонкая резина, наклеенная на внутреннюю поверхность корпуса) с помощью пескоструйного аппарата;

-очистка, сушка и обезжиривание обработанной поверхности;

-нанесение слоя специального клея;

-сборка корпуса двигателя с оснасткой. Производится установка технологических крышек, отсечного клапана, иглы и пробоотборников. Все поверхности оснастки, контактирующие с топливом, обрабатываются антиадгезивом, чаще всего тефлоном. Кроме того, поверхность иглы делается с небольшой конусностью, с тем чтобы облегчить ее извлечение из канала готового заряда при распрессовке;

-транспортирование подготовленного изделия в здание заполнения.

Горение смесевых твердых топлив имеет отличия от процесса горения баллиститных топлив, связанные с тем, что СТТ являются смесью компонентов [3, 4].

В твердой фазе химических реакций нет. На границе раздела твердой и газообразной фаз (т.е. на поверхности горения) происходит разложение горючего и окислителя. Поверхность горения при этом не будет плоской, так как скорости разложения окислителя и горючего будут различны.

В газовой фазе зона горения состоит из струек продуктов разложения окислителя и горючего, которые смешива-

36

ются между собой в основном за счет диффузии и вступают в химическое взаимодействие. Значит, суммарное время протекания взаимодействия между продуктами сгорания будет определяться временем диффузионного перемешивания и временем протекания химических реакций. Здесь возможны два режима горения [3].

1. Кинетическим режим горения будет в том случае, если время перемешивания значительно меньше времени протекания химических реакций. Скорость горения будет сильно зависеть от температуры поверхности горения. По этому механизму происходит горение баллиститных топлив. При горении смесевых твердых топлив эта модель встречается редко.

2. Диффузионный режим горения будет полностью определяться временем перемешивания продуктов разложения топлива. Данная модель также редко встречается в практике. Смесевые твердые топлива горят в промежуточном режиме, когда время протекания химических реакций примерно равняется времени перемешивания. Это ведет к тому, что температура поверхности горения не будет единственным фактором, влияющим на скорость горения топлива, как это имеет место при горении баллиститных топлив. На скорость горения будут влиять процессы перемешивания, которые от давления в камере сгорания не зависят. Поэтому смесевые топлива имеют, как правило, более пологие зависимости скорости горения от давления по сравнению с баллиститными топливами. Количественно это выражается в том, что СТТ имеют обычно меньшее значение показателя в законе горения топлива по сравнению с баллиститными топливами (хотя бывает и наоборот). Вследствие наличия фазы диффузионного горения скорость горения СТТ можно изменять за счет изменения размера частиц перхлората аммония: чем меньше размер частиц ПХА, тем лучше идут процессы диффузионного перемешивания, тем выше скорость горения топлива. Но здесь существует ограничение технологического характера: чем меньше размер частиц ПХА, тем хуже реологические ха-

37

рактеристики топливной массы, а это ведет к возможности получения бракованных зарядов.

2.4. Сравнительный анализ характеристик топлив

Единичный импульс у СТТ больше, чем у баллиститных топлив примерно на 10…15 %, плотность топлива больше примерно на 6…10 %. Это значит, что при том же объеме камеры сгорания, применяя заряд из смесевого твердого топлива, мы можем получить полный импульс двигателя на 10…20 % больше, чем у двигателя с зарядом из баллиститного топлива. Следовательно, дальность ракеты и ее полезный груз возрастает примерно пропорционально этой величине.

Интервал скоростей горения СТТ примерно в 3 раза выше, чем у баллиститных топлив. Это расширяет возможности конструктора и позволяет повысить совершенство двигательной установки.

Показатель скорости в законе горения у СТТ в 2–3 раза меньше, чем у баллиститных топлив. Это позволяет уменьшить разбросы внутрибаллистических характеристик у двигательных установок с зарядами из СТТ

(разбросы пропорциональны величине 1−1ν ). Коэффици-

ент температурной чувствительности скорости горения у СТТ примерно в 2 раза меньше, это также уменьшает разбросы ВБХ. Малые разбросы ВБХ повышают точность попадания ракеты в цель. Точность попадания ракеты в цель зависит еще от величины разбросов скорости горения топлива. У СТТ величина разброса скорости горения составляет 4…5 %, у баллиститных топлив существует две составляющих разброса: между скоростями горения внутри одной партии, которая составляет 3 %, и между скоростями горения между партиями зарядов – 9…10 %. Межпартионный разброс скорости горения достаточно просто можно исключить, применяя регулирование площади критического сечения сопла. В этом случае у зарядов изготовленной пар-

38

тии замеряется скорость горения топлива и для всей партии назначается единая площадь критического сечения сопла. Можно еще больше уменьшить разбросы ВБХ, назначая площадь критического сечения сопла отдельно для каждого двигателя. В практике у двигателей с зарядом из баллиститного топлива достаточно часто разбросы ВБХ бывают меньше, чем у двигателей с зарядами из СТТ. Показатель скорости в законе горения топлива имеет большое значение при проектировании двухрежимных двигателей. Чем он выше, тем проще обеспечить перепад давлений в камере сгорания, тем проще конструкция заряда твердого топлива.

Механические характеристики. У баллиститных топлив с уменьшением температуры резко увеличивается модуль и уменьшается ударная вязкость, топливо становится хрупким. При определенной температуре, называемой температурой стеклования, модуль топлива настолько увеличивается, что при ударе заряд может расколоться, как стекло. С повышением температуры топливо размягчается, его прочность и модуль уменьшается в 4…5 раз. У СТТ нет таких резких переходов в физико-механических характеристиках. Модуль упругости у СТТ в 10…50 раз меньше, чем у баллиститных топлив, а коэффициент линейного расширения в 1,5…2 раза меньше. Это делает невозможным изготовление из баллиститного топлива заряда, прочно скрепленного со стенками камеры сгорания. Из этого топлива можно изготавливать только вкладные заряды.

Коэффициент теплопроводности у СТТ примерно в 1,5 раза больше, теплоемкость несколько меньше, а плотность топлива больше, чем у баллиститных топлив. Коэффициент температуропроводности у СТТ в 1,3…1,9 раз больше чем у баллиститных топлив. Это означает, что СТТ быстрее принимают температуру окружающей среды и лучше выдерживают тепловые удары, чем заряды из баллиститных топлив.

У СТТ нижний предел устойчивости горения гораздо ниже, чем у баллиститных топлив. Это обеспечивает более стабильную работу двигателя.

39

Срок хранения заряда. У баллиститных топлив со временем происходит разложение нитроклетчатки и нитроглицерина с выделением газообразных продуктов и выходом отдельных компонентов на поверхность заряда (выпотевание пластификатора). Это изменяет состав топлива и уменьшает его энергетические характеристики. Выделение газообразных продуктов может привести к растрескиванию топливной шашки. У СТТ происходит дополнительная сшивка полимерных цепочек, которая называется «старением» топлива. Оно становится более жестким и приводит к увеличению НДС. В общем случае срок службы зарядов из СТТ несколько больше, чем зарядов из баллиститного топлива.

Гигроскопичность зарядов из СТТ гораздо больше, чем у зарядов из баллиститного топлива, поэтому принимаются специальные меры по обеспечению герметичности камеры сгорания. Кроме того, при сборке двигателя применяется осушенный воздух, устанавливаются специальные влагопоглощающие патроны с силикагелем.

Чувствительность к удару у баллиститных топлив, как правило, выше, чем у СТТ (хотя бывают и обратные случаи), особенно при уменьшении температуры. Заряды из СТТ более безопасны.

Заряды из баллиститного топлива более технологичны, чем заряды из СТТ. Кроме того, стоимость баллиститного топлива значительно меньше, чем у смесевого твердого топлива.

Рассмотренные виды топлив имеют вполне определенные области применения. Смесевые твердые топлива применяются для двигателей, которые должны иметь высокое весовое совершенство: стратегические ракеты, ракетыторпеды, ракеты систем противоракетной и противовоздушной обороны, управляемые авиационные ракеты и т.д. Они выпускаются, как правило, небольшими сериями. Баллиститные топлива обычно применяются в ракетах массового производства – противотанковые ракеты, неуправляемые авиационные ракеты, системы залпового огня (хотя

40