Ракетные твердые топлива. Ракетные двигатели на твердом топливе

Направление, в котором полосы укладываются на форму, и напряжение при растяжении, которое прикладывается к полосам, являются критичными для получения хорошего корпуса. Отверждение осуществляется в специальной термокамере (печь) под давлением, чтобы гарантировать высокую плотность и минимальное количество пустот в композиционном материале. Отформованная заготовка или форма затем удаляется. Одним из путей при изготовлении формы является применение песка с водорастворимым связующим для формообразования, после отверждения корпуса форма вымывается водой. Так как стенки корпуса из композиционного материала могут быть пористыми, они должны быть загерметизированы. Лайнер между корпусом и зарядом может выполнить функции герметизирующего материала, который предотвращает просачивание горячих газов через стенки корпуса. Царапины, пустоты и абсорбция влаги могут ухудшать прочность корпуса.

В некоторых конструкциях теплозащитное покрытие помещается на формообразующую оснастку до намотки и корпус отверждается одновременно с теплозащитным покрытием. В другой конструкции твердотопливный заряд с его передней и задней крышкой используется в качестве формы. Вначале на этот заряд наносится лайнер, затем теплозащитное покрытие и далее производится обмотка высокопрочными нитями слоями прямо на теплоизолированное твердое топливо. Отверждение должно производиться при относительно низкой температуре, так чтобы на топливо не оказывалось слишком вредного воздействия. Этот процесс довольно хорош для экструдируемых цилиндрических зарядов. Имеются также цилиндрические корпуса, сделанные из стали, которые обертываются слоем намотанного композиционного материала. Допустимые напряжения обычно определяются из тестов на растяжение на модельных корпусах из композиционных материалов, изготовленных, по существу, с использованием идентичного процесса намотки нитей. Некоторые компании уменьшают допустимую прочность, чтобы учесть деградацию за счет влаги, производственных недостатков или неоднородной плотности.

241

В корпусе двигателя нити должны быть ориентированы в главном направлении действия и соразмерны с величиной напряжения. Компромисс происходит в отношении частей, необходимых для установки сопел, воспламенителей и т.п., и поэтому ориентация поддерживается близко к идеальной, насколько это возможно практически. Нити обычно собираются в виде пряжи, ровингов или полос (рис. 6.10).

Рис. 6.10. Терминология при намотке нитей (каждый эскиз выполнен в разных масштабах)

Путем использования двух или более углов намотки (т.е. спиральной или по окружности) и расчета пропорции нитей в каждом направлении получается вполне сбалансированная напря-

242

женная конструкция. Идеалом в таком балансе является то, что для каждой нити в каждом направлении должна действовать примерно равная нагрузка (только растяжение). Реально нити, пропитанные эпоксидной смолой, должны абсорбировать напряжения сжатия, изгибающие нагрузки, поперечно-ламинарный и внутриламинарный сдвиг. Даже если последние напряжения малы по сравнению с растягивающим напряжением, каждое напряжение должно быть проверено путем анализа, так как каждый вид напряжения может привести корпус к разрушению, прежде чем нить разорвется при растяжении. В совершенной конструкции разрушение происходит, когда нити достигают их предельной прочности при растяжении, а не из-за напряжений, действующих в других направлениях.

6.2. Сопла. Классификация

Сверхзвуковое сопло обеспечивает расширение и ускорение горячих газов и должно выдерживать довольно тяжелые условия работы при высокой теплопередаче и эрозионном воздействии. Достижения в технологии материалов позволили существенно уменьшить массу сопла и значительно повысить совершенство. Диапазон применяемых сопел колеблется от 0,05 до 54 дюймов диаметра критического сечения сопла и с продолжительностью работы от доли секунды до нескольких минут.

Сопла для ракетных двигателей на твердом топливе могут быть классифицированы на пять категорий (рис. 6.11).

1. Нерегулируемое (фиксированное) сопло. Простое по конст-

рукции и часто используемое в ракетных системах тактического назначения для ракет, запускаемых в воздухе, с поверхности земли и воды на относительно короткие расстояния, также для ракет, работающих в связке для космических ракетоносителей, таких как «Атлас» и «Дельта», и космических ракетных двигателей для маневрирования на орбите. Типовые диаметры критического сечения сопла составляют 0,25–5 дюймов для тактических ракет и приблизительно 10 дюймов для ракетных двигателей, работающих в связ-

243

ке. Нерегулируемые сопла вообще не являются утопленными и не снабжены устройствами для управления вектором тяги (хотя имеются исключения).

Рис. 6.11. Упрощенные схемы пяти конфигураций сопла:

а– нерегулируемое сопло; б – поворотное сопло с гибким соединением;

в– утопленное сопло; г – выдвижной выходной конус, принцип скольжения назад; д – сопло с газоходом

2.Поворотное сопло. Обеспечивает управление вектором тяги для летательного аппарата. Одно поворотное сопло может обеспечить управление углом тангажа и углом рыскания, а два поворотных сопла необходимы для управления вращением. Поворотные сопла обычно являются утопленными и в их конструкции используется гибкое уплотнительное соединение или подшипник (bearing) с двумя приводами на 90 градусов, чтобы обеспечить всенаправленное движение (см. рис. 6.11, б). Поворотные сопла

244

используются, главным образом, для стратегических ракетных комплексов как наземного, так и морского базирования, запускаемых на большие расстояния (типовые диаметры критических сечений от 7 до 15 дюймов для первой ступени и 4–5 дюймов для третьей ступени), а для больших космических ускорителей, таких как «Спейс Шаттл», «Титан» и «Ариан-5», диаметры критического сечения сопла от 30 до 50 дюймов.

3.Утопленные сопла. Значительная часть конструкций сопел является утопленной в пределах камеры сгорания или корпуса (см. рис. 6.11, в). Утапливание сопел в некоторой степени уменьшает общую длину двигателя, которая, в свою очередь, уменьшает длину ракеты и ее инертную массу. Это важно для применения

вусловиях ограничения длины, таких как стратегические ракеты, запускаемые из шахты или с подводной лодки, а также для их верхних ступеней и в случае космических ракетных систем. Это накопление нежелательно и может быть сведено к минимуму за счет хорошей конструкции.

4.Выдвижное (раздвижное) сопло. Это больше относится к выдвижному конусу или ЕЕС (extendible exit cone), хотя оно не всегда имеет точно коническую форму. Такое сопло используется на верхних ступенях стратегических ракет и на верхних ступенях космических ракетоносителей для достижения максимального фактического удельного импульса. Это сопло имеет секцию нерегулируемого сопла с низким отношением площадей, которое увеличивается до более высокого отношения за счет механического добавления расширяющейся части сопла. Удлиненное сопло повышает удельный импульс за счет удвоения или даже утроения начального коэффициента расширения, тем самым значительно увеличивая коэффициент тяги сопла. Поэтому эта система позволяет создать очень высокий коэффициент расширения сопла, которое вначале упаковано на относительно короткой длине, тем самым обеспечивая уменьшение инертной массы. Расширяющаяся часть конуса сопла находится в отведенном (начальном) положе-

245

нии в течение фазы ускорения при полете и выдвигается на место до того, как двигатель начнет работать после отделения нижней ступени (см. рис. 6.11, г). Обычно электромеханические или приводимые в действие турбиной приводные механизмы эксцентрика (ball screw) обеспечивают развертывание выходного конуса.

5. Сопло, смонтированное на газоходе. При использовании на тактических запускаемых в воздухе или на земле ракет с ограничениями по диаметру обеспечивают пространство для размещения и приведения в действие аэродинамического стабилизатора полета и силовых систем управления вектором тяги. Газоход также позволяет расположить центр тяжести ракетного двигателя близко или впереди центра тяжести ракеты (см. рис. 6.11, д). Это ограничивает перемещение центра тяжести в процессе работы двигателя и делает стабилизацию полета более легкой. Каждый двигатель обычно имеет одно сопло. Некоторые большие двигатели должны иметь четыре поворотных сопла, которые используются для управления вектором тяги.

6.3. Проектирование и изготовление

Почти все сопла твердотопливных ракетных двигателей являются абляционно охлажденными. Общая конструкция сопла ракетного двигателя состоит из стальных или алюминиевых оболочек (элементов корпуса), которые проектируются таким образом, чтобы выдерживать конструктивные нагрузки (рабочее давление в двигателе, нагрузка от действия приводного механизма управления вектором тяги являются самыми большими), и абляционных лайнеров из композиционных материалов, которые связаны с корпусными деталями сопла. Абляционные лайнеры проектируются для обеспечения теплоизоляции стальных или алюминиевых элементов сопла, создания внутреннего аэродинамического контура, необходимого для эффективного расширения газообразных продуктов сгорания, чтобы создавать тягу, и для охлаждения путем абляции и обугливания управляемым и пред-

246

сказываемым способом, чтобы предупредить накопление тепла и разогрев, который может повредить или существенно ослабить конструкционные элементы сопла или связывающих материалов. Сопла твердотопливных ракетных двигателей проектируются так, чтобы гарантировать, что толщина абляционных лайнеров является достаточной для сохранения адгезионной связи на границе лайнер – элемент сопла при поддержании температуры ниже температуры деградации адгезионных конструкционных свойств при работе двигателя.

Конструкции сопел изменяются от самых простых монолитных не двигающихся графитовых сопел до сложных составных сопел, способных к движению, для управления направлением вектора тяги (см. рис. 6.11). Более простые небольшие сопла обычно применяются при низком давлении в камере сгорания, небольшой продолжительности работы (менее 10 с), низких отношениях площадей и/или низкой тяге. Они используют элементы стенок из абляционных теплопоглотителей и графитовые вставки (вкладыши) в горловине сопла, стойкие к высоким температурам, эрозии и окислению (рис. 6.12).

Рис. 6.12. Конструкции сопел для небольших твердотопливных ракетных двигателей

247

Пиролитические шайбы (прокладки) или диски ориентированы так, что их направление в части обеспечения высокой теплопроводности является перпендикулярным оси сопла. Сложные сопла обычно необходимы, чтобы отвечать более жестким требованиям к конструкции при проектировании, таким как обеспечение управления вектором тяги, работа при высоком давлении в камере сгорания (следовательно, при более высокой скорости теплопередачи) и/или на большой высоте (большие коэффициенты расширения сопла), при очень высоком уровне тяги и более продолжительном времени работы двигателя (свыше 30 с).

На рис. 6.13 и 6.14 показаны особенности конструкции самого большого и наиболее сложного сопла ракетного двигателя, изготавливаемого в настоящее время. Сопло используется на твердотопливном, повторно используемом ускорителе (Reusable Solid Rocket Booster – RSRM), который обеспечивает 71,4 % подъемной тяги ракетоносителя «Спейс Шаттл» (см. рис. 6.3 и 6.7). Сопло спроектировано для того, чтобы обеспечить конструкционные и температурные коэффициенты безопасности в течение времени работы ускорителя «Шаттл» 123,7 с. Оно состоит из девяти слоев графитовой (углеродной) ткани с абляционными лайнерами на основе фенольных смол, связанных с шестью стальными и алюминиевыми элементами корпуса сопла. Элементы скрепляются вместе, образуя конструкционную основу сопла. Гибкое соединение, сделанное из каучука, завулканизированное вместе со стальными клиньями, позволяет соплу изменять свое направление на 8 градусов относительно центральной линии, чтобы обеспечить управление вектором тяги.

Поскольку металлические элементы сопла восстанавливаются и повторно используются после полета, то система разделения выходного корпуса (периферический линейный кумулятивный заряд) служит для отделения основной секции заднего выходного корпуса ниже алюминиевой вставки заднего выходного конуса, чтобы минимизировать воздействие на оставшиеся компоненты.

248

250

Рис. 6.14. Секция поворотного сопла, показанного на рис. 6.13, с указанием составных элементов

250