Для анализа течения газа по соплу построим следующую таблицу (табл. 6 ). Очевидно, что для работы ракетного двигателя применим только вариант 1 из приведенной таблицы, в котором ускорение дозвукового по­ тока газа, входящего в сопло, осуществляется сначала до скорости звука а в координате Хщ» а затем до сверхзвуковой скорости на выходе из сопла.

На рис. 27 в графической форме представлено изменение параметров газового потока по длине сопла. Численные величины соответствуют кон­ кретному соплу. Давление по длине сопла изменяется от величины /?к (дав­ ление в камере сгорания) до величины ра (давление в газовом потоке на срезе сопла). Изменяя длину сопла, можно влиять на такие важные пара­ метры потока, как скорость потока и давление газа на срезе сопла. Ниже будет показано, как эти параметры влияют на тягу двигателя и другие ха­ рактеристики.

2.4.Твердотопливные заряды ракетных двигателей

Применяемые в РДТТ топлива являются унитарными (многосостав­

ными): они содержат в своем составе горючие, окислительные и другие

компоненты. По своей физической структуре ТРТ делят на два класса: го­

могенные и гетерогенные.

Число М

Рис. 27. Изменение скорости и, числа Маха М температуры Т и давле­

нияр в потоке газа вдоль сопла

Гомогенные топлива (баллиститный порох) имеют в своей основе нитроклетчатку (нитраты целлюлозы), пластифицированную нитроэфира­ ми или их смесями. Нитроклетчатка является унитарным топливом, со­ держащим в своем составе атомы окислителя и горючего. Рыхлая структу­ ра нитроклетчатки способствует горению не только по поверхности, но и внутри многочисленных пор, при этом объемное горение переходит в де­

тонационное, что недопустимо.

Чтобы избежать детонационного горения путем устранения пористо­ волокнистой структуры нитроклетчатку желатинизируют растворителем. Для ракетных топлив применяют труднолетучие растворители (нитрогли­ церин и нитродигликоль). Эти вещества также являются энергоносителя­ ми, так как имеют в своем составе атомы горючего и окислителя, но при­ менять их в качестве самостоятельного унитарного топлива в ракетном двигателе не представляется возможным из-за высокой чувствительности к

механическим и термическим воздействиям.

Поскольку нитроцеллюлозные топлива имеют две энергетические основы, их называют двухосновными. Состав двухосновных топлив доста­ точно сложен: помимо указанных веществ в них входят дополнительные растворители-пластификаторы, стабилизаторы горения и химической стойкости, катализаторы и технологические добавки. Приведем состав

Калорийность этих топлив составляет около 5000 кДж/кг, темпера­

тура горения - около 3000 К, скорость горения при р=П МПа ~ 10 мм/с, 96

показатель v ~ 0,7, плотность - 1500 ...1700кг/м3 Из этих топлив прес­

суют топливные шашки различной конфигурации.

Смесевые твердые топлива (СТТ) представляют собой многокомпо­ нентную гетерогенную смесь окислителя, горючего-связующего и различ­ ных добавок. Наибольшее распространение в настоящее время в качестве окислителя получил перхлорат аммония NH4CIO4. Это твердое вещество вводится в состав топлива в тонкоизмельченном виде. При разложении выделяется 46% свободного кислорода. Оптимальное (стехиометрическое) содержание перхлората аммония в топливе должно составлять 88%, но во избежание резкого ухудшения механических свойств окислителя берут не более 80%.

Окислитель.............. ..60... 80 Горючее-связующее....................... 15... 20 Металлическое горючее................. 10... 15 Катализаторы и другие добавки... до 5

Горючим в СТТ являются полимерные вещества. Они одновременно выполняют роль связующего. Такими веществами являются различные каучуки (например полибутадиеновые или полиуретановые) и смолы. По­ лимерное горючее-связующсе представляет собой углеводородное соеди­ нение, обладающее достаточно высокой теплотворной способностью.

Для повышения энергетических свойств в состав СТТ вводят мелко­ дисперсные порошки алюминия, магния или других металлов. Кроме чис­ тых металлов в состав топлива могут водиться гидриды алюминия, лития, бериллия и др. Гидриды металлов при горении образуют продукты с ма­ лой молекулярной массой вследствие высокого содержания водорода.

Кроме перечисленных компонентов в состав СТТ вводятся различ­ ного рода присадки. Для увеличения скорости горения вводят соединения, содержащие медь, железо, кобальт, окись хрома, окислы железа. Снизить

скорость горения можно путем применения двуокиси магния, трехфтори­ стого брома и др. Применяют также добавки, улучшающие технологиче­ ские свойства или подавляющие нежелательные эффекты, например уменьшение пламени за срезом сопла, уменьшение дымообразования и т.п.

Многообразие рецептур СТТ обусловливает разнообразие свойств: плотность от 1600 до 1950 кг/м3, скорость горения от 1 до 200 мм/с, пока­ затель v в законе скорости горения от 0,2 до 0,8 и т.п.

Топлива, используемые в ХРД, выполняют одновременно две функ­ ции: являются источником рабочего тела в виде газообразных продуктов реакции горения и источником энергии в виде тепла, выделяемого при го­ рении. Поэтому к ТРТ предъявляется широкий круг требований, которые можно разбить на три группы.

1.Требования к энергетическим и баллистическим характеристикам:

-обеспечение высокого удельного импульса тяги, что позволяет повысить дальность полета ракеты при заданных полезных нагрузке и на­ чальной массе;

-высокая плотность топлива, позволяющая уменьшить габариты и массу камеры сгорания;

-приемлемая скорость горения;

-устойчивость горения при низких давлениях в двигателе, что по­ зволяет снизить уровень рабочего давления и тем самым уменьшить мас­ су конструкции двигателя;

-стабильность горения во всем рабочем диапазоне температур и давлений, обеспечивающая нормальное функционирование двигателя и стабильность его выходных характеристик;

-малая зависимость скорости горения топлива от начальной темпе­ ратуры заряда.

2.Требования, связанные с условиями эксплуатации РДТТ:

-химическая стойкость топлива, т.е. способность его сохранять не­ изменными энергетические и баллистические характеристики при дли­ тельном хранении в различных климатических условиях;

-физическая стабильность, т.е. способность противостоять растрес­ киванию, расслаиванию при хранении при переменной температуре;

-достаточная механическая прочность при воздействии перегрузок, связанных с эксплуатацией ракеты в целом;

-безопасность в обращении, нечувствительность к детонации и вос­ пламенению при ударных нагрузках, возможных при эксплуатации;

-низкая токсичность продуктов сгорания.

3.Производственно-экономические требования:

-безопасность производства;

-наличие широкой сырьевой базы;

-недефицитность и дешевизна исходных материалов;

-технологичность и достаточно высокая производительность про­ цесса изготовления топлив и зарядов из них.

Заряд твердого ракетного топлива представляет собой блок опреде­ ленной формы и размеров, размещенный в камере сгорания двигателя. Размеры и форма заряда выбираются таким образом, чтобы при горении они обеспечивали:

-выполнение требуемого закона изменения тяги во времени;

-возможно полное заполнение корпуса РДТТ топливом;

-исключение (по возможности) контакта высокотемпературных продуктов сгорания со стенками корпуса для облегчения его работы;

-минимум неиспользованного топлива к концу работы двигателя.

ряды с внутренним горением, поскольку они горят по поверхности внут­ реннего канала и высокотемпературные продукты сгорания не соприкаса­ ются со стенками. Так как топливо обладает очень малым коэффициентом теплопроводности, сам заряд предохраняет корпус от воздействия тепло­ вых потоков. Если внутренняя поверхность заряда образована цилиндри­ ческим каналом и щелями (рис. 28), то в зависимости от подбора соотно­ шения между цилиндрической и щелевой частями можно получить любой закон горения, поскольку канальная часть заряда горит с увеличением по­ верхности, а щелевая - с уменьшением.

Рис. 28. Канально-щелевой заряд

Разнообразные требования к закону изменения тяги во времени для различных типов РДТТ вызвали необходимость в разнообразии форм заря­ дов (рис. 29). Иногда не удается получить требуемый закон изменения тя­ ги во времени путем придания заряду определенной формы. Тогда прибе­ гают к нанесению бронирующего покрытия на наружной и торцевых по­ верхностях заряда, цель которого - исключить из процесса горения часть поверхности заряда. Таким образом, можно управлять временем работы двигателя и количеством образующихся газов в единицу времени, что ока­ зывает прямое влияние на тяговые характеристики двигателя.

Различают следующие конструктивные схемы РДТТ:

-со свободным заполнением, т.е. с вкладным зарядом;

-с зарядом, скрепленным со стенками камеры сгорания (частично или полностью).

Рис. 29. Формы зарядов РДТТ

Первая характерна для РДТТ на баллиститном топливе, вторая - на

смесевом.

7

П

Рис. 30. Схема РДТТ с вкладным зарядом:

1 - воспламенительное устройство; 2 - переднее днище; 3 заряд из твердого топлива; 4 - корпус; 5 - заднее днище; б - раструб сопла; 7 - компенсатор; 8 - бронирующее покрытие; 9 - ТЗП; 10 - задний упор; 1 1 - фланцевое соединение

-непосредственной заливкой топливной массы в подготовленный корпус двигателя;

-вклеиванием готового заряда ТРТ в разъемный корпус двигателя;

-обмоткой готового заряда ТРТ стеклолентой, пропитанной смолой,

споследующей полимеризацией.

Наиболее распространенным способом изготовления зарядов, осо­ бенно для крупногабаритных двигателей, является заливка топливной массы в подготовленный корпус двигателя с последующей её полимериза­ цией.

Скрепленные заряды по сравнению с вкладными имеют следующие преимущества:

-более эффективно используется объем корпуса, так как нет зазоров между зарядом и стенкой корпуса, не требуется дополнительная опора для заряда, он удерживается непосредственно стенками корпуса;

-заряд является конструктивным элементом, принимающим на себя часть механических нагрузок на корпус при транспортировке и в полете. Разгрузка корпуса позволяет уменьшить толщину его стенок, в результате чего уменьшается масса РДТТ;

-упрощается технология изготовления заряда;

-скрепленный заряд предохраняет корпус от воздействия тепловых потоков. Это позволяет создавать длительно-работающие РДТТ без до­ полнительных средств тепловой защиты.

Впоследнее время для изготовления крупногабаритных зарядов ста­ ли использовать секционные модули. Секционный заряд состоит из не­ скольких последовательно расположенных частей (секций) корпуса со скрепленными топливными зарядами, имеющими центральный канал. РДТТ собирают из секций на стартовой или промежуточной позициях при помощи фланцевых или сварных соединений. Сварные соединения