МЕТОДЫ ОСРЕДНЕНИЯ В ЗАДАЧАХ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ КОНСТРУКЦИЙ АЭРОКОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКИ ИЗ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Соколкин Ю.В.

Пермский государственный технический университет

При проектировании конструкций из композиционных материалов одним из перспективных является структурно-феноменологический подход, расширяющий базу определяющих соотношений, учитывающий одновременно процессы структурного деформирования и структурного разрушения [1-5].

Одним из методов осреднения нелинейных стохастических краевых задач является построение соответствующих функционалов. Такой подход построения функционалов, когда средой сравнения является среда с однородными свойствами, впервые предложен в работе [6]. Автором данной работы предложен метод вычисления моментов различных порядков этого функционала.

В данной работе построены функционалы нелинейных краевых задач, когда средой сравнения является среда с периодической структурой. Получены новые формулы для расчета эффективных модулей упругости и полей деформирования. Для описания структурного разрушения и прочностных свойств композитов в определяющие соотношения вводится новый материальный носитель — функция повреждаемости четвертого ранга, зависящая от условий нагружения. Для квазиизотропной и макроанизотропной среды построены функционалы нелинейных задач, когда средой сравнения является среда с периодической структурой.

Проведены численные и экспериментальные исследования эрозионного следа струи высокого давления на поверхности полиметилметаакрилата. Показано, что корреляционные функции, описывающие стохастическую микроструктуру эрозионного следа, являются локально-эргодическими. Из построенного функционала краевой задачи с учетом накопления структурных повреждений вытекает, что и поля деформирования в поверхностном слое также являются локально-эргодическими.

Для широкого класса квазиизотропных и однонаправленных волокнистых композитов (стекло-, угле-, боро-, органопластиков и др.) для гексагональной, тетрагональной и стохастической структур приводятся зависимости модулей упругости от объемной концентрации. Приводятся расчетные поверхности прочности однонаправленных волокнистых композитов и углерод-углеродных композитов косоугольной и ортогональной структуры.

Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (грант РФФИУрад № 02-01-96-403)

Список литературы

3.Соколкин Ю.В., Ташкинов А.А. Механика деформирования и разрушения структурно неоднородных тел.-М.:Наука, 1984.-116 с.

4.Анциферов В.Н., Соколкин Ю.В., Ташкинов А.А., Людаговский А.В., Ханов А.М. Волокнистые композиционные материалы на основе титана. - М..Наука, 1990.-136 с.

5.Соколкин Ю.В., Вотинов А.М., Ташкинов А.А., Постных А.М., Чекалкин А.А. Технология и проектирование углерод-углеродных композитов и конструкций.-М.:Наука, Физматлит., 1996.-239

6.Вильдеман В.Э., Соколкин Ю.В., Ташкинов А.А. Механика неупругого деформирования и разрушения композиционных материалов / Под ред. Ю.В. Соколкина. - М.: Наука, 1997. - 288 с.

7.Соколкин Ю В., Чекалкин А.А. Статистическое многоуровневое проектирование пространственно армированных ’углерод-углеродных элементов конструкций / Механика микронеоднородных материалов и разрушение. — Тез. докл. Всероссийского научного семинара.-Пермь: ПГТУ, 1999. -

С 47

8.волков С.Д., Ставров В.П. статистическая механика композитных материалов. - Минск: БГУ, 1978.- 205 с.

МЕТОДЫ РАСЧЕТА ВНУТРИКАМЕРНЫХ ПРОЦЕССОВ ПРИ ВВОДЕ ОХЛАДИТЕЛЯ В КАМЕРУ СГОРАНИЯ

Соколов Г.Н.

Пермский государственный технический университет

В последние годы исследование гашения заряда РДТТ интенсивно проводится во многих странах. Это обусловлено тем, что с решением этой проблемы расширяются возможности по управлению дальностью и точностью стрельбы, а также создаются предпосылки для разработки двигателей многоразового включения, которые могут быть использованы для ориентации космических объектов, головных частей ракет и для МГД-генераторов. Кроме того, возможность гашения заряда при проведении стендовых испытаний значительно сократит сроки и затраты на отработку и доводку РДТТ. Поэтому разработка научно-обоснованного метода исследования с целью получения исчерпывающей и достоверной информации о работе двигателя, является важной задачей.

Процессы, протекающие при гашении заряда твердого топлива, достаточно сложны и попытки их теоретического и экспериментального исследования наталкиваются на значительные трудности, связанные с высокой степенью нестационарное™.

Гашение заряда РДТТ может осуществляться следующими способами: быстрым сбросом давления за счет дополнительно вскрываемых отверстий;

вводом в свободный объем камеры сгорания охлаждающей жидкости, обладающей высокой удельной теплотой испарения;

сбросом давления за счет дополнительно вскрываемых отверстий с последующим рводом охладителя (комбинированный метод).

Рассматриваются методы расчета внутрикамерных процессов при вводе охладителя в камеру сгорания. Как правило, в РДТТ узел гашения размешается на переднем днище. В связи с этим рассмотрена физическая модель протекания процесса гашения при расположении узла гашения только на переднем днище. Введенный в камеру охладитель продвигается по свободному объему со значи­ тельными скоростями. Процессы тепломассообмена, происходящие при движении жидкости в высокотемпературном газе, отличается высокой интенсивностью, которая обуславливается развитой поверхностью фаз и большими коэффициентами теплоотдачи. Перенос тепла массы носит крайне нестационарный характер при кратковременном взаимодействии сред. Поэтому процессы, происходящие в камере необходимо рассматривать во времени и изменявшемся пространстве.

При разработке методов расчета возникает необходимость решения ряда сложных задач, которые относятся к разным областям физики. В связи с этим исследования способов гашения принимает харак­ тер многопланового исследования. Главными задачами при этом являются следующие:

установление критических параметров, обеспечивающих гашение конкретного топливного состава; построение физической модели процесса гашения при вводе жидкого охладителя в камеру сгорания

РДТТ; разработка методов расчета параметров процессов, сопровождающих гашение (например, такие как

распад струй, дальнобойность и дисперсность вводимого в камеру сгорания охладителя, протекание теплообмена между продуктами сгорания твердого топлива и дисперсным охладителем и т.д.).

На базе экспериментальных исследования предложена физическая модель протекания процессов в камере сгорания РДТТ при гашении заряда вводом охладителя. В предлагаемой расчетной модели процесса гашения принимается, что охлаждающая жидкость вводится в камеру не непрерывно, а отдельными небольшими порциями. На движение, дробление и испарение которых будет влиять вся предыстория процессов, сопровождающих гашение топлива. С этой целью весь охладитель, подлежащий вводу в камеру сгорания, условно разбиваем на равные массы. Ввод отдельных масс происходит поочередно через принятый временной интервал. При вводе и частичном испарении первой массы на участке, непосредственно расположенном у узла гашения, образуется зона парогазовой смеси, а в остальной части каперы в это время сохраняется невозмущенная зона.

Приводятся система уравнений и алгоритм решения на ЭВМ. Приведена методика расчета динамических характеристик узла гашения и экспериментальная проверка результатов расчета.

Показано влияние параметров жидкого охладителя на протекание внутрикамерных процессов при гашении заряда. Приводится анализ результатов расчета и экспериментальных исследований. Обоснован выбор параметров охладителя при гашении заряда комбинированным методом. Исследована зависимость основных параметров охладителя от параметров двигателя. В частности, дается оценка влияния величины скоростного напора охладителя на процесс гашения заряда. Разработаны практические рекомендации по снижению усилий, действующих на узел крепления систем гашения на двигатель.

Соколовский М.И. ОАО НПО «Искра», г. Пермь

В НПО "Искра” внедрение опыта по созданию РДТТ в народном хозяйстве проводится, в основном, по двум направлениям - космос и противоградовые ракеты. В космических программах эффективное применение РДТТ видится в качестве стартовых ускорителей (бустеров), маршевых двигателей, двигателей космического маневрирования и импульсных двигателей (разделение, отделение, торможение, мягкая посадка и т.д.)

Анализ перспектив применения РДТТ в качестве бустеров показал, что несмотря на неоспоримые эксплуатационные преимущество по сравнению с ЖРД, внедрение их в ближайшее время маловероятно в связи с меньшим удельным импульсом тяги топлива и неприспособленностью космодромов к работе с тяжелыми твердотопливными двигателями. Однако появилось новое направление - использование отработанных в твердотопливном двигателестроении сопловых насадков из углерод - углеродных композиционных материалов для ЖРД, работающих в качестве бустеров и маршевых двигателей, что позволило увеличить тягу двигателя на 4 -г 6 %.

Повышение уровня энергомассовых характеристик РДТТ позволило НПО "Искра" проводить предметные проектные проработки по использованию их в нескольких космических программах в качестве маршевых двигателей и двигателей разгонных блоков.

Применение регулируемых РДТТ в качестве двигателей маневрирования до сих пор сдерживалось низким (по сравнению с маршевыми нерегулируемыми по модулю тяги двигателями) удельным Импульсом тяги и качеством переходных процессов. НПО "Искра" в инициативном порядке разработало Концепцию создания комплексной управляемой установки с использованием двигателя многократного включения, свободной от указанных недостатков, и начало проводить экспериментальную отработку основополагающего узла этой установки - узла гидрогашения.

Импульсные твердотопливные двигатели разработки НПО "Искра" использовались в программе "Энергия - Буран" (несколько десятков двигателей 7 наименований), и НПО "Искра" полностью готово к выполнению аналогичных заказов Росавиакосмоса.

Созданная (совместно с НИИПМ) противоградовая ракета "Алан", получило признание Росгидромета и вызвала повышенный интерес на рынке аналогичных ракет, как в России, так и в ближнем и дальнем зарубежье. Основное техническое решение, позволившее в несколько раз повысить её баллистическую эффективность по сравнению с аналогами - 1) введение льдообразующих соединений в состав топлива маршевого двигателя; и 2) применение минометной схемы старта, позволившей повысить кучность стрельбы за счет увеличения стартовой скорости до 110 —115 м/с.

СХЕМА РАСЧЕТА НДС ТЕПЛОЗАЩИТНОГО ПОКРЫТИЯ В ЗОНАХ ПОЛЮСНЫХ ОТВЕРСТИЙ КОРПУСОВ РДТТ ИЗ КМ В ПРОЦЕССЕ РАБОТЫ

Соколовский М.К, Нельзин Ю.Б. ОАО НПО «Искра», г. Пермь

В практике проектирования цельномотанных корпусов РДТТ из композиционных материалов широкое применение нашла конструкция корпуса, содержащая вмотанные металлические фланцы, к которым крепятся передняя крышка и сопло.

Нагружение внутренним давлением приводит к меридиональному смещению полюсной зоны днищ корпуса относительно хвостовика фланца, что вызывает высокий уровень напряженнодеформированного состояния (НДС) элементов корпуса, скрепленных с днищем и металлическим фланцем. Одним из них является внутреннее ТЗП корпуса, максимальное НДС которого возникает в районе вершины хвостовика фланца. Высокий уровень НДС в условиях воздействия высокотемпературного газа в процессе работы РДТТ вызывает повышенную деструкцию ТЗП, еще больший прогрев по толщине, что может привести к появлению трещин в ТЗП и в итоге к разрушению двигателя.

Для снижения уровня деформаций ТЗП в рассматриваемой зоне вводится гарантированное кольцевое отслоение (неприклей) ТЗП от пластика днища и хвостовика фланца (компенсатор деформаций) с помощью фторопластовой пленки. Пленка обеспечивает минимальный коэффициент трения ТЗП относительно композита и хвостовика фланца.

При проектировании конструкции ТЗП днищ корпусов из КМ необходимо знать ряд конструктивных параметров, определяющих работоспособность ТЗП в рассматриваемой зоне.

НПО «Искра» одним из первых в стране (19741975) провело экспериментальные исследования на специальных образцах ТЗП с односторонним нагревом, которые показали, что в случае отсутствия раскрепления даже достаточно эластичное ТЗП (предельная деформация не менее 300%) разрушается в процессе нагрева. Приближенно максимальная деформация растяжения и эффективная меридиональная длина раскрепления определяются по простейшим конечным формулам, полученным в НПО «Искра» в 1976г., которые в дальнейшем вошли в справочные материалы предприятий, занимающихся проектированием и разработкой корпусов давления из КМ. Однако, в этих формулах не учитывается многослойность ТЗП. При работе РДТТ даже начально однородное ТЗП при прогреве имеет различные механические по толщине, то есть фактически является многослойным.

В связи с тем, что ТЗП в рассматриваемой зоне работает в условиях сложного теплового и деформированного состояния, то для правильного расчета его параметров требуется построение адекватной модели, описывающей тепловое и механическое поведение ТЗП.

Расчетная модель основана на том, что при нагружении корпуса внутренним давлением происходит смещение пластика днища относительно металлического фланца, что приводит к растяжению ТЗП в меридиональном направлении. Вследствие того, что ТЗП при действии внутреннего давления прижато к днищу и хвостовику фланца, при его растяжении по контактной границе в зоне компенсатора возникают касательные напряжения, вызванные трением, величиной

т = К • Рк , где ктркоэффициент трения, ркконтактное давление.

При достаточно большой по меридиану зоне раскрепления, ее можно разбить на два и более участков. Первый участок - участок скольжения ТЗП относительно пластика и хвостовика фланца, второй - участок сцепления, на котором касательные напряжения в зоне контакта меньше максимально возможной силы трения:

т < • рк .

На третьем участке (на значительном удалении от первых двух) ТЗП вообще не испытывает влияния смещения и0 и его напряженное состояние практически является всесторонним сжатием.

В работе приводится достаточно простая расчетная модель, позволяющая проводить расчет деформированного состояния многослойного ТЗП и определять необходимую ширину кольцевого раскрепления. По разработанной программе расчета (в настоящее время она реализована на персональном компьютере) проведены расчеты ТЗП в зонах полюсных отверстий корпусов для ряда РДТТ, на которых не было ни одного отказа по вине ТЗП.