Ракетные твердые топлива. Ракетные двигатели на твердом топливе

При осуществлении интегрального процесса формования необходимо вести абсолютный тепловой контроль цикла заливка – отверждение, который должен быть изотермическим. Только очень небольшие температурные изменения (положительные) позволительны, отрицательные температурные изменения запрещены из-за риска образования полостей. Цикл отверждения определяют изменение вязкости топливной массы и формирование механических свойств при отверждении, атакже тепловые характеристикизаряда.

1.7. Влияние производственных процессов изготовления твердотопливных зарядов на их характеристики горения, на механическую и структурную целостность

Анизотропия характеристик горения. Анализ зависимостей давления и тяги от времени, полученных при сжигании зарядов в составе двигателя, показывает, что производственный процесс влияет на скорость горения топлива. Например, кривые давления, записанные при сжигании заряда «Мимоза» из смесевого твердого топлива, показали различия, когда топливо было залито в корпус, собранный с иглой и вформу, игла которой была введена послезаливки.

Кривая давление–время, представленная на рис. 1.19, для первого процесса показывает наличие характерного горба, возникающего приблизительно после выгорания половины свода, в то время как кривая давления для второго процесса получается ровной. Выполненные расчеты показывают, что при сгорании примерно половины свода скорость горения зарядов, заполненных с иглой, выше на 3–7 %. Размер горба на кривой давления не является функцией скорости горения топлива.

Другие эксперименты, выполненные на зарядах «Бейтс» (BATES), подтверждают эти выводы. Поскольку эксперименты, в которых заряды этого типа изготавливались с использованием обоих процессов и были погашены, показали, что поверхность после сгорания половины свода близко соответствовала теоретической, то горб на кривой давления объясняется изменением скорости горения как функции сгоревшего свода.

61

На больших прочно скрепленных зарядах, производимых по классическому методу свободного литья (за счет силы тяжести) через основание торца ракетного двигателя, разрезки показали, что топливо является гомогенным внутри заряда и что его структурная целостность ухудшается в «поднятом воротнике», обычно создаваемом, чтобы залить немного больше топливной массы, чем необходимо для заполнения корпуса ракетного двигателя. Но эта область, рассматриваемая как локальное геометрическое сужение, подвергается влиянию объемных изменений фактически всей топливной массы в результате изменений температуры. Она является наиболее напряженной и деформированной зоной в тот момент времени, когда топливо уже частично сшито. В определенном смысле топливо «повреждается». Различия до 40 % были получены между величинами модуля и деформирующей способностью в этой области и в остальной массе топлива.

Процессы литья под давлением, обеспечивающие высокую степень ориентированной инжекции, связанную с высоким уровнем вязкости топливных масс, могут привести к изменениям модуля упругости в диапазоне от 30 до 40 % между направлением заливки и перпендикулярным ему направлением.

Это влияние, возникающее в зависимости от процесса заливки топливной массы и геометрии формы, может оказывать значительное воздействие при сравнении характеристик промышленных зарядов и образцов-спутников зарядов, предназначенных для контроля качества и изготовленных из той же самой производственной смеси. Ограничения, вытекающие из производственного процесса, требуют, чтобы образцы, разработанные и выбранные для контроля структурной целостности зарядов, были объектом промышленного производства, легко обрабатывались и имели минимально возможные размеры. Систематический анализ привел к следующим выводам: механические характеристики контрольных образцов (параллелепипед, получаемый методом литья под действием силы тяжести) совместимы с характеристиками большого числа рассмотренных твердотопливных зарядов. Напротив, в специфических зарядах формы «Finocyl» механические характе-

63

ристики образцов показали несовместимость с механическими характеристиками твердотопливного заряда. Наблюдается систематическое занижение деформаций в топливном заряде по сравнению с деформациями образцов.

Общий анализ всех экспериментальных данных показал, что это явление было специфичным для отдельного вида смесевого топлива. В результате дальнейших исследований определен более близкий представитель, получаемый методом литья с иглой звездообразной формы.

В ходе анализа этого явления были сделаны следующие выводы:

1.Твердотопливный заряд и образцы должны иметь идентичные тепловые предыстории. Корпус заряда и игла могут играть тепловую роль и влиять на окончательные значения механических характеристик.

2.Размер образцов должен быть достаточно большим, чтобы характеризовать твердотопливный заряд.

3.Лайнеры и теплоизоляция могут оказывать некоторое влияние на механические свойства (например, за счет миграции компонентов).

4.В случае значительного сдвига топливной массы (при литье под давлением или свободном литье) это явление может быть усиливаться.

1.8. Контроль качества

Назначение служб контроля качества – гарантировать качество продукта, в частности, обеспечить контроль сырьевых материалов, производственных операций и конечного продукта.

Операции по контролю качества конечных продуктов могут быть разделены на две основные категории:

1)разрушающий контроль, выполняемый на образцах, изготовленных из идентичного топлива: измерение баллистических

имеханических свойств и сравнение их с требованиями, установленными для твердотопливного заряда;

2)неразрушающий контроль, выполняемый на твердотопливных зарядах.

64

1.8.1. Метод неразрушающего контроля или инспекция

Впротивоположность разрушающим тестам, которые могут включать в себя оценку свойств при разрушении образцов, неразрушающие методы контроля разрабатываются, чтобы гарантировать качество и целостность материала или их сложных сборок путем проверки без их изменения. Эти проверки обычно подразделяются на три категории:

1) инспекция массы топлива, чтобы идентифицировать трещины, полости и неоднородности;

2) проверка связи корпуса с зарядом, чтобы идентифицировать расслоения, трещины и включения;

3) контроль геометрии для подтверждения размеров.

Вслучае прочно скрепленных зарядов очень важно проверить наиболее критические зоны связи, которые располагаются обычно

врайоне переднего и заднего торцов.

Простые методы, такие как визуальный или размерный контроль, широко используются либо для выявления каких-либо поверхностных аномалий, либо контроля функциональных размеров конечного объекта. Вообще эти методы не предусматривают использование каких-либо усложненных принципов. Но они позволяют применять довольно сложные технологии; такие как эндоскопия, телевидение, стереоскопия, лазерная проксиметрия и др. Эти методы бесполезны для контроля границ раздела или массы твердотопливного заряда. Поэтому необходимо прибегать к помощи прогрессивных технологий, которые позволят нам проникнуть в материал, независимо от его природы. Наиболее широко применяемые для этих целей методы основаны, главным образом, на анализе или обнаружении волны, излучения после их абсорбции, отражении или эмиссии. Самыми старыми и наиболее широко используемыми являются ультразвуковой и рентгеновский методы. Более современные методы, основанные на новых принципах, предполагают использование мощных автоматизированных компьютерных методов, которые ускоряют анализ информации.

65

Реализация этих методов обычно требует создания больших инфраструктур и вложения крупных инвестиций. Выбор поэтому должен быть сделан очень тщательно, чтобы гарантировать, что отделения контроля зарядов позволят осуществлять контроль качества легко и с наименьшими затратами. Основной трудностью является то, что в каждом корпусе имеются наложенные границы раздела, иногда располагаемые позади зоны, обычно не связанной с другой. Это означает, что одна зона может скрывать другую,

иметоды, подходящие для анализа первой поверхности раздела, полностью бесполезны для другой зоны. Используемые методы подразделяются на две категории:

1)«глобальные» методы, которые обеспечивают качественную информацию на большой площади в одно время;

2)«местные» методы, которые обеспечивают качественную

иколичественную информацию об ограниченном участке. Желательно выбрать один метод, с помощью которого можно

обеспечить эти два типа исследований.

1.8.2. Внутренний контроль

Как уже упоминалось, старейшими и еще широко используемыми методами являются ультразвуковой и рентгеновский.

1. Проверка с помощью рентгеновских лучей. Этот метод позволяет нам оценить внутреннюю гомогенность топливного заряда (отсутствие трещин, воздушных пузырей, пористости, посторонних включений), качество связи между различными элементами твердотопливного заряда (лайнер–корпус или тепловая изоляция, лайнер–топливо, топливо–топливо), а также определить толщину различных компонентов. Этот тест основан на изменении поглощения рентгеновских лучей элементами, составляющими заряд, которое переводится в контрастные отличия на различных материалах, используемых для получения изображения за счет излучения. На пленке, обычно негативного типа, полости и расслоения, которые обладают пониженным поглощением, будут изображены в виде темных линий или участков. Металлические посто-

66

ронние предметы обладают большим поглощением и поэтому будут выглядеть более бледно. Рентгеновские или Х-лучи получаются бомбардировкой быстрыми электронами мишени из тяжелого металла (рис. 1.20). Получаемые энергии могут находиться в пределах от 50 кэВ до нескольких десятков миллионов электронвольт. Энергия приблизительно в 2 МэВ получается с помощью электростатического генератора Ван-де-Граафа, а большая энергия – с помощью электромагнитного линейного ускорителя.

Рис. 1.20. Диаграмма схемы рентгеновской установки

Анализ рентгеновских снимков – довольно тонкая операция, которая требует высококвалифицированного персонала, независимо от метода анализа изображений: невооруженным глазом или с помощью микроплотномера. Это справедливо и для радиолога, который должен знать о всех параметрах, которые сильно влияют на качество. К этим параметрам относятся:

интенсивность Х-лучей;

тип используемой пленки;

расстояние от источника до заряда;

позиционирование пленки относительно заряда;

число углов выдержки;

время экспозиции.

67

Определение этих параметров часто является результатом обмена опытом: например, увеличение интенсивности Х-лучей приводит к более короткому времени экспозиции, хотя это увеличивает зернистость изображения на пленке. Аналогично, увеличение расстояния до заряда приводит к обмену между более длительным временем экспозиции и глубиной поля снимка.

Оптическая плотность, получаемая на пленке, изменяется значительно в соответствии с площадью, находящейся под наблюдением. Необходимо обеспечение средней плотности, чтобы корректно обнаружить дефекты, часто требуются пленки с различной чувствительностью. Например, снимок связей бронепокрытие – топливо выполняется на малочувствительной пленке (slow film), в то время как центральные области снимаются на пленке с высокой чувствительностью (fast film). Точность измерения толщины (глубины) и размера дефектов зависит:

от внефокусных площадей, зависимых от фокальной длины (фокусного расстояния) радиографической камеры;

зернистости пленки;

интенсивности излучения, которая влияет наконтрастность. Х-лучевая радиография, заключающаяся в анализе получен-

ного изображения на пленке, – медленный и дорогой метод при обширных проверках, но в то же время она является довольно точным методом для контроля скрепления на границе бронепокры- тие–топливо и широко используется для больших твердотопливных зарядов.

2. Ультразвуковой контроль. Метод основан на наблюдении изменения, претерпеваемого ультразвуковой волной, проходящей через объект. Поэтому возможно определить прохождение или отражение ультразвуковой волны или проанализировать природу сигнала (амплитуда, частота, фаза). Этот тип контроля редко используется для массовых исследований, потому что топливо является сильно абсорбирующим материалом. Данный метод не очень удобен для определения размера дефекта. Однако он часто используется для контроля связи на границе топливо–бронепокрытие и зачастую ограничивается только границей раздела. Этот метод может представлять

68

интерес для оценки границ раздела связанных участков и поэтому используется как метод для анализа малых зон с использованием портативного оборудования. Могут быть иногда использованы также

идругиеметоды, подобные только что описанному:

метод γ-излучения (ограничен из-за опасности использования радиоактивных источников);

метод нейтронного излучения (не может быть использован для большой толщины углеводородных материалов);

акустическая эмиссия (сложна в осуществлении из-за низкой энергии эмиссии топлив);

инфракрасная термография (неприменима для наложенных участков связывания, таких как найдены в топливах);

оптическая голографическая интерферометрия.

Разрабатываются и новые методы, основанные на применении современных способов записи и анализа изображения.

3. Новые исследовательские методы. Новые методы позво-

ляют:

избежать недостатков классической радиографии, например, быстро получить требуемую информацию в реальное время;

обеспечить уровень приема сигнала, соответствующий требованиям;

вести пространственное наблюдение;

более точно записывать получаемую информацию;

выбрать оптимальный уровень стоимости-эффективности. Телевизионная радиоскопия. Широко используется и полностью

подходит для промышленного производства, обеспечивает возможностьнепрерывного и динамичного наблюдения (рис. 1.21).

Этот метод включает в себя применение телевидения, видеозаписи и компьютеров. Полное наблюдение в реальном масштабе времени движущегося объекта возможно с помощью автоматизированного пульта наблюдения и управления. Этот пульт наблюдения подразделяется на три сектора:

1)сектор сбора информации;

2)сектор анализа;

3)сектор памяти.

69