Ракетные твердые топлива. Ракетные двигатели на твердом топливе

топливной массы: игла, заводимая извне, перемещается постепенно в топливо при приложении давления. Промежуточное решение заключается в использовании иглы, состоящей из двух частей. Заряд заливается с первой нижней частью, установленной на требуемое место. Верхняя часть помещается в донной части после завершения заливки.

Реологические характеристики и процессы литья. Выбор процесса литья, размера литьевых устройств и определение режимов литья зависит, помимо размера и формы будущего заряда, от текучести незаполимеризованной топливной массы. Текучесть топливной массы при вакуумном или инжекционном литье обусловлена законом реологического поведения. Этот закон специфичен для каждого состава и связывает напряжение сдвига r как функцию нагрузки, накладываемой на материал (такой как давление, сила тяжести и др.), с получаемой скоростью деформации или сдвига .

Текучесть топливной массы определяется с помощью реометра прибора с вращающимся цилиндром, помещенным в цилиндрический корпус. Задается скорость вращения цилиндра , замеряется и записывается величина получаемого момента M. Используя кривую зависимости M как функции , превращаемой в зависимость напряжения сдвига (Па) как функции скорости сдвига

(с–1) определяют закон = f ( ).

Точная графическая зависимость также необходима для низких сдвиговых условий ( < 1 с–1), соответствующих условиям,

которые типичны для свободного литья. Вязкость определяется для данной скорости сдвига как отношение / . Типовые примеры

реограмм представлены на рис. 1.13.

Имеются три основных типа поведения топлива:

1)ньютоновское поведение: вязкость топлива является постоянной и поэтому независимой от режимов литья;

2)псевдопластичное поведение: вязкость топливной массы уменьшается при увеличении напряжения сдвига. Эта особенность

51

проявляется регулярно, хотя и выражается в большей или меньшей степени. Такая топливная масса плохо растекается, но перерабатывается удовлетворительно по технологии литья под давлением плохо (die-casting);

Рис. 1.13. Типовые реограммы как функции времени после ввода поперечно сшивающего агента

3) дилатантное поведение; в противоположность псевдопластичному вязкость этого топлива увеличивается с увеличением скорости сдвига. Это поведение проявляется крайне редко. Такое топливо при переработке представляет большие трудности, особенно при инжекции.

Знание закона поведения топливной массы позволяет получить информацию, необходимую для выбора процесса литья топлива и определение условий, при которых оно должно иметь место. Закон позволяет предсказать скорость течения топливной мас-

52

сы в существующих отделениях литья и рассчитать число зарядов, которое можно залить за период времени, сопоставимый с периодом жизнеспособности топлива.

1.5. Описание основных процессов литья зарядов

Процесс вакуумного литья под действием силы тяжести.

Самым старым процессом является процесс литья под вакуумом (рис. 1.14). Форма, которая в большинстве случаев представляет собой корпус с термоизоляцией и покрытием изнутри лайнером помещается в барокамеру, которая может быть прогрета. В барокамере создается вакуум с остаточным давлением 10–30 мм рт. ст. Основная цель – обеспечить полную дегазацию топливной массы и условия формования зарядов без внутренних дефектов и пустот.

Рис. 1.14. Вакуумное литье

В соответствии с размером изготавливаемого заряда барокамера может представлять либо «шкаф» или «колокол» для малых

53

и средних габаритов зарядов либо заливочные шахты для крупногабаритных зарядов для космических ускорителей или баллистических ракет. Чаша с топливной массой (casting bowl) помещается над барокамерой. Она соединяется с верхней частью барокамеры с помощью массопровода. Конец этого массопровода входит в барокамеру над заполняемым корпусом. Он оснащается решеткой. Эта решетка делит топливную массу на полосы или шнуры при заливке, чтобы гарантировать эффективное дегазирование топлива.

Решетка также организует поток топливной массы таким образом, чтобы он падал прямо и относительно хорошо распределялся между иглой и корпусом в случае зарядов с центральным каналом. Из-за перепада давлений между чашей с топливной массой и барокамерой топливная масса течет непрерывно из чаши в литьевую форму. В зависимости от конструкции решетки поток, проходя ее, принимает форму лент или полос, которые укладываются внутри формы и растекаются под действием собственного веса. Выбор скорости заливки зависит от принятия компромиссного решения. Высокая скорость заливки максимально сократит время производственного цикла и позволит избежать значительного увеличения вязкости, связанного с процессом отверждения. Относительно медленное течение заливки обеспечит достаточную дегазацию топливной массы при прохождении ее через решетку и растекание внутри корпуса, что необходимо для высокого качества заливки.

Выбранные скорости заливки являются функцией геометрии зарядов и изменяются от нескольких килограммов в минуту для небольших зарядов до нескольких сотен килограммов в минуту для крупногабаритных зарядов.

Процесс литья под действием силы тяжести продолжает широко использоваться и в настоящее время, потому что он в полной мере удовлетворяет требованиям литья топлива. Он является относительно простым процессом, хорошо подходящим для переработки больших количеств топлива. В этом процессе соблюдаются все требования по обеспечению безопасности, учитывается чувствитель-

54

ность используемых материалов и гарантируется высокое качество продукции. Он также подходит для малотоннажных производств.

Процессы литья под давлением. Процесс вакуумного литья имеет ряд недостатков. Для создания высокоэффективных двигателей, которые имеют специальное назначение, необходимо производство объектов более сложных форм, например, двухсоставные заряды, заряды большой длины, небольшого диаметра и тонкосводные. Высокоэффективные топлива могут иметь высокую вязкость на операции заливки, которая обусловлена, например, применением мелкого перхлората аммония и обеспечением высоких степеней наполнения. И наконец, производство некоторых небольших зарядов требует высоких скоростей изготовления, чтобы обеспечить значительное снижение стоимости.

Это привело к исследованию и разработке процессов заливки методом литья под давлением (инжекционное литье). Этот процесс заключается в применении давления для перемещения топливной массы и заполнения пресс-формы, а не одной силы тяжести. Различные методы приложения давления привели к разработке нескольких специальных процессов.

1.Создание давления с помощью сжатого газа. Топливная масса помещается в эластичный и деформирующийся мешок (рис. 1.15). Этот мешок размещается в специальной камере, куда может подаваться сжатый азот, и связывается с формой с помощью специальной системы. Камера заполняется азотом под давлением, который давит на внешнюю поверхность мешка. Топливная масса под действием давления передавливается в форму. Этот процесс хорошо подходит для производства малых изделий сложных форм, выпускаемых небольшими сериями.

2.Создание давления механическим способом с помощью гид-

равлического поршня. Этот способ является самым простым из существующих схем. Топливная масса помещается в контейнер, подобный заливочным чашам, описанным выше. Контейнер подсоединяется к основанию формы с помощью массопровода. Давление создается при перемещении поршня (рис. 1.16).

55

Топливная масса под давлением поршня непрерывно подается в форму и заполняет ее. Этот тип заливки известен как «пружинная заливка» (spring casting). Одним интересным изменением этого классического процесса является литье методом «штамповки», как показано на рис. 1.16. Чтобы минимизировать потери топливной массы внутри массопроводов, связывающих контейнер с формой, и обеспечить заполнение большого числа корпусов в течение одной операции, корпуса помещаются прямо на поршне, в котором делается определенное число отверстий, чтобы обеспечить прямое соединение между топливной массой в контейнере и корпусами. Эта установка монтируется прямо на контейнере, содержащим топливную массу, и приводится в действие приложением давления к поршню или к контейнеру. При наборе давления топливо передавливается в формы или корпуса. Клапанная система закрывает каждый корпус после заполнения. Вся установка, поршень и корпус располагаются в обогреваемой камере. Каждый заполненный корпус топливом снимается с поршня и отверждается.

Этот процесс позволяет проводить заливку очень большого числа прочно скрепленных зарядов за одну операцию.

3. Создание давления механическим способом с использовани-

ем архимедова шнека. Этот процесс разработан на базе специального типа смесителя: смесителя-экструдера (рис. 1.17).

Рис. 1.17. Прямая подача топлива через смеситель-экструдер

57

Смешение выполняется обычным способом в корпусе, оборудованном Z-образными мешалками. Этот смеситель, однако, имеет в данной части архимедов шнек, используемый для экструдирования топливной массы через отверстие в виде нарезного цилиндра при давлении, рассчитанном как функции скорости вращения и реологических характеристик топлива.

Подсоединением к смесителю-экструдеру корпуса или сборки корпусов топливо может подаваться прямо из корпуса смесителя, где оно смешивается под вакуумом, в корпуса изделий без контакта с атмосферой.

Многие заряды имеют очень сложные профили центрального канала, которые не могут быть отформованы простым литьем. Известны несколько способов их получения.

1.Получение глубоких осесимметричных щелей методом токарной обработки с использованием специально спроектированного инструмента при скоростях, специально подобранных для обработки топлива.

2.Использование сегментированных игл. Этот способ хотя

ипростой, но требует основательной практики в использовании сложного машинного оборудования с решением проблем безопасного обращения: игла должна быть плотно прилегающей, и существует проблема обеспечения безопасности при извлечении фрагментов (или сегментов) иглы. Следовательно, этот метод используется только тогда, когда конфигурации центрального канала не могут быть получены методом литья с удаляемой моноблочной иглой или с помощью механической обработки, например, как в случае зарядов типа «Finocyl» (зонтик). Этот способ используется также для получения зарядов с максимальными степенями заполнения, которые должны производиться методом интегрального формования и для которых механические концевые операции недопустимы.

3.Использование игл, которые разрушаются после отвержде-

ния топлива или при воспламенении заряда. Технологические и технические трудности, связанные с использованием многосег-

58

ментных составных игл, привели к исследованию и поиску простых приемов создания сложных форм каналов, что привело к созданию игл, выполненных из тесьмы или лент, замотанных на специальной оправе, обжатых и покрытых эластомером или полиуретановой пеной. Самые легкие корпуса могут использовать простую пену достаточной жесткости и способную разрушаться при воспламенении. По этому способу могут быть получены конфигурации зарядов, которые невозможно получить методом механической обработки или с использованием механически удаляемой иглы. Этот процесс не имеет ограничений по геометрии зарядов.

Это описание принципов литья может создать мнение, что эти технологии просты. В действительности существует большое число проблем, чтобы создать качественный и надежный процесс: герметичность сборок, обеспечение безопасности относительно чувствительности к трению и статическому электричеству топлива; совместимость между инертными материалами и компонентами топлива; влияние температуры и внутренних напряжений, создаваемых за счет давления при отверждении.

Без всякого сомнения, необходим большой объем знаний для того, чтобы производить эффективные, надежные твердотопливные заряды с учетом привлекательной стоимости продукции.

1.6. Температура отверждения и концевые операции

Температура отверждения подбирается таким образом, чтобы ускорить реакции поперечной сшивки, т.е. быстро отвердить топливо. Это достигается повышением средней температуры топлива относительно температуры в заливочной шахте или в контейнере.

Для улучшения свойств твердотопливных зарядов в процесс отверждения внесено несколько изменений.

Отверждение под давлением. В 1960-е гг. появились корпу-

са из композиционных материалов, которые имели значительно меньший вес по сравнению с металлическими корпусами, но больше деформировались под действием внутреннего давления.

59

Необходимо было минимизировать остаточные напряжения/деформации, действующие в заряде и вызванные тепловой усадкой при охлаждении после отверждения. Основная концепция работы заключалась в том, что корпус, заполненный топливом, подвергается действию давления при отверждении, а затем при снятии давления в корпусе происходит предсказуемая усадка твердотопливного заряда при охлаждении. За счет уменьшения остаточных напряжений/деформаций коэффициент механической безопасности улучшается. Отверждение под давлением также отражается на увеличении степени объемного заполнения корпуса и повышении качества топлива.

Интегральное формование. Для повышения производительности или для получения зарядов специфических форм, а также для повышения безопасности (исключение необходимости зачистки заряда при обработке с использованием режущего инструмента) применяется способ интегрального литья или формования. В этом процессе, который может быть связан с отверждением под давлением, заряд твердого топлива получается прямой заливкой, как показано на рис. 1.18.

Рис. 1.18. Принцип интегрального формования

60