книги из ГПНТБ / Учебник механика военно-воздушных сил ракетное вооружение

определяется область их применения. Они используются в ракетах, совершающих длительный полет в сравнительно плотных слоях атмосферы, — в авиационных крылатых ракетах класса «воздух — земля» оперативно-тактическо­ го и стратегического назначения. При скоростях полета,

в этих условиях они более экономичны. При больших скоростях полета (М= 4 —4,5) более предпочтительны п р я м о т о ч н ы е в о з д у ш н о - р е а к т и в н ы е д в и ­ г а т е л и (ПВРД).

Основным достоинством ЖРД и РДТ'Г является не­ зависимость их работы от внешней среды, так как кислород, необходимый для горения, входит непосредст­ венно в состав топлива. Это позволяет ракете совершать полет с любой скоростью и на любой высоте без замет­ ного изменения тяги. Недостатком ЖРД и РДТТ яв­ ляется большой удельный расход топлива *, обуслов­ ленный наличием в его составе не только горючего, но и окислителя. Поэтому продолжительность работы тако­ го двигателя ограничивается запасом топлива на ракете и бывает невелика. Однако в течение небольшого перио­ да времени работы ЖРД и РДТТ способны созда­ вать большую тягу. В связи с этим часто они работают в импульсном режиме, обеспечивая достижение необхо­ димых скоростей и дальностей сообщением значительной величины тяги в течение короткого времени.

Указанные особенности ЖРД и РДТТ определяют область их применения. Они широко используются в бал­

двигателей, пригодный для ракет, предназначенных для полета в космическом пространстве.

Наибольшее распространение в авиационных ракетах получили реактивные двигатели твердого топлива.

РДТТ просты по конструкции, надежны в действии и удобны в эксплуатации. Твердые топлива могут дли­ тельное время находиться в снаряженной ракете, не из­

* Удельный расход топлива — вес топлива, расходуемый двига­ телем в единицу времени для создания единицы тяги.

160

меняя своих свойств. Они не ядовиты, не агрессивны к металлам, постоянно готовы к использованию, а сам за­ пуск ракеты представляет собой простую операцию по зажиганию воспламенителя. Применение РДТТ значи­ тельно уменьшает состав наземных средств обслуживания и подготовки ракет к пуску. РДТТ имеют и недостатки. Твердые топлива чувствительны к изменению температу­ ры. Их скорость горения, а следовательно, давление в камере сгорания и тяга значительно изменяются с измене­ нием начальной температуры топливного заряда. При очень низких температурах возможно растрескивание топливного заряда, что может вызвать взрыв двигателя. Кроме того, имеются трудности в обеспечении длитель­ ной работы РДТТ, связанные с выбором формы и раз­ меров топливного заряда и предотвращением перегрева стенок камеры и других элементов двигателя, омывае­ мых горячими газами. РДТТ уступают ЖРД по энерге­ тическим показателям. Поэтому при полете на одну и ту же дальность ракете с ЖРД потребуется меньший весовой запас топлива, чем ракете с РДТТ.

Например, американские ракеты «Сперроу-Ш» клас­ са «воздух — воздух» и «Булпап» класса «воздух — зем­ ля» в последнее время выполняются также в вариантах с ЖРД с заправкой топливом на заводе.

Однако благодаря простоте эксплуатации и надеж­ ности основным типом двигателя в авиационных ракетах класса «воздух—воздух» и тактических класса «воздух— земля» является РДТТ, особенности устройства которого

ибудут рассмотрены ниже.

ВРДТТ весь запас топлива, находящегося в твердом агрегатном состоянии, размещается непосредственно в камере сгорания двигателя. РДТТ (рис. 95) состоит из следующих основных деталей и узлов: корпуса 1, являю­ щегося камерой сгорания, сопла 2, заряда твердого топ­

лива 3, воспламенительного устройства 4 и узла крепле­ ния к ракете 5. Кроме того, для обеспечения надежной работы двигатель может оборудоваться отдельными вспомогательными элементами — решетками, или диа­ фрагмами, 6, устанавливаемыми перед соплом и обеспе­ чивающими надежное крепление заряда в камере сгора­ ния, а также резиновыми или пружинными компенсато­ рами 7, исключающими продольный люфт заряда в камере.

Корпус РДТТ яв­ ляется основной ча­ стью двигательной ус­ тановки и служит для сборки остальных уз­ лов и деталей, выпол­

Iняет функции камеры сгорания и топливного бака. В большинстве ракет корпус двигателя является корпусом са­ мого летательного аппарата. Он восприни­

готовлению корпусов РДТТ из неметаллических материа­ лов — армированной стекловолокном пластмассы, а так­ же из стекловолокна, пропитанного эпоксидной смолой. Основным преимуществом стеклопластика по сравнению

162

с металлами является более высокая удельная прочность, более низкая теплопроводность и небольшая стоимость.

Сопло служит для обеспечения требуемого режима движения продуктов сгорания из камеры сгорания в окружающую среду. Оно является тем элементом дви­ гателя, который преобразует тепловую энергию продук­ тов сгорания топливного заряда в кинетическую энер­ гию истечения газов. Оно подвергается мощным тепло­ вым газодинамическим нагрузкам, обусловленным высо­ кой температурой (до 3500° С) и огромной скоростью проходящего через него газа, что вызывает так назы­ ваемое явление э р о з и и — вымывание металла сопла горячими газами. В связи с этим сопла РДТТ выпол­ няются из жаростойких сталей, сплошными или в соче­ тании со вставками в критическом (узком) сечении из особо тугоплавких материалов: графита, тугоплавких металлов, окислов, нитридов, боридов или карбидов не­ которых металлов и отдельных видов жаростойких пластмасс с нанесением теплозащитных покрытий.

Заряд РДТТ — унитарное топливо, объединяющее и горючее и окислитель. Он является носителем тепловой энергии и рабочим телом. Продукты сгорания, выходя­ щие из сопла двигателя с большой скоростью, создают тягу двигателя. Твердые ракетные топлива могут пред­

ных топлив элементы горючего и окислителя входят в состав одной и той же молекулы топлива. Поэтому та­ кое топливо называют еще г о мо г е н н ым . Гомогенные коллоидные топлива широко используются в артиллерии в качестве метательных веществ и носят название порохов. Отсюда и двигатели, в которых используются по­ добные топлива, часто называют пороховыми реактив­ ными двигателями (ПРД).

В РДТТ часто используются гомогенные коллоидные топлива на основе нитроцеллюлозы и нитроглицерина (нитроглицериновые пороха). В зависимости от содер­ жания азота в нитроцеллюлозе ракетные пороха имеют свои названия: пороха с низким содержанием азота на­ зывают б а л л и с т и т а м и , с высоким содержанием азота — к о р д и т а м и.

Смесевые топлива представляют собой механическую

смесь горючего и окислителя, находящихся в раздель­ ных фазах. В противоположность гомогенным топливам

неорганические соли азотной и хлорной кислот, содержа­ щих большое количество активного кислорода. За рубе­ жом наибольшее распространение нашли нитраты и пер­ хлораты аммония, калия, натрия или лития, но иногда также использ'уются и органические соединения, подоб­ ные нитрату аммония.

В качестве горючего в смесевых топливах исполь­ зуют органические резиноподобные и смолообразные ве­ щества. Эластичные свойства этих веществ позволяют им выполнять роль связки в топливной смеси. Ими мо­ гут быть и асфальты, и современные полимеры, как экпоксид, полиуретан, полиакрылат, а также фенольные и целлюлозные смолы и другие. Соответствующим под­ бором горючего — связующего вещества — можно изме­ нять физические свойства смесевых топлив — делать их мягкими и эластичными или жесткими и хрупкими.

Энергетические характеристики смесевых топлив мо­ гут быть улучшены добавлением высокоэнергетических металлических присадок. При выборе топлива должны учитываться его энергетические характеристики и в пер­ вую очередь единичный импульс* и скорость горения. Должны быть учтены также механическая прочность, химическая стойкость и экономические факторы.

Очень большое влияние на характеристики двигателя оказывают форма и размеры заряда твердого топлива. Дело в том, что количество газов, образующихся в еди­ ницу времени, для заданного типа топлива, характери­ зуемого определенной скоростью горения, и при неиз­ менном давлении определяется величиной горящей по­ верхности заряда, которая в свою очередь зависит от геометрических размеров и формы шашки топлива. Если в процессе работы Двигателя горящая поверхность заря­

кг

164

Сйв ным, в случае сохранения постоянной поверхности горения— н е й т р а л ь н ым . Таким образом, придавая шашке заряда различную форму, можно регулировать закон газообразования по времени. На рис. 96 показаны формы поперечного сечения шашек, наиболее часто встречающихся в РДТТ.

На величину горящей поверхности можно влиять и по-другому, покрывая какую-то часть поверхности заря-

Рис. 96. Формы поперечного сечения шашек

да бронирующим составом, защищая тем самым эту поверхность от горения. Примером бронирующего соста­ ва может служить ацетилцеллюлоза, которая не горит сама и предохраняет от загорания покрытую ею поверх­ ность. Так, например, если покрыть ацетилцеллюлозой боковую поверхность цилиндрической шашки, то она бу­ дет гореть только по торцовой поверхности, сохраняя площадь горения постоянной в течение всего времени горения. Шашка с центральным каналом и бронирован­ ная по наружной поверхности будет гореть прогрессивно.

Для большинства маршевых РДТТ подбирают та­ кую форму заряда (с нейтральным горением), чтобы обеспечить постоянную тягу по времени. Таким свойст­ вом, например, будет обладать получивший широкое распространение на практике бронированный с наруж­ ной поверхности и с торцов заряд с внутренним звездо­ образным каналом. Кроме того, такая форма заряда хорошо защищает корпус двигателя от нагревания.

В ряде случаев заряды выполняют составными из не­ скольких шашек топлива. Характерным для составных зарядов, при прочих равных условиях, является резкое сокращение времени сгорания их по сравнению с моно­ литными. Такие заряды обычно применяют в неуправ­ ляемых ракетах и ускорителях, где стремятся в корот­ кий промежуток времени получить полный импульс тяги двигателя. Шашки для зарядов РДТТ изготавливаются,*

Как правило, прессованием или литьем. Смесевые топли­ ва заливаются непосредственно в камеру сгорания.

Воспламенитель предназначен для создания в камере сгорания условий, обеспечивающих надежное зажигание и выведение на режим устойчивого горения основного заряда двигателя, т. е. для поджига заряда и повышения в камере сгорания давления до необходимой величины в начальный период работы двигателя. Наибольшее рас­

дается электрическим током при помощи электрозапала 3, нить которого при прохож­ дении по ней тока раскаляется и поджигает легковоспла­ меняющийся состав, который воспламеняет пиротехниче­ ский состав. Продукты сгорания пиротехнического соста­ ва, омывая поверхность заряда РДТТ, зажигают его. Корпус воспламенителя изготавливается из металла или пластмассы и при сгорании заряда воспламенителя раз­

рушается.

Заряд воспламенителя может изготавливаться из чер­ ного пороха или смеси магниевого или алюминиевого порошка и хлорнокислого калия. Конструктивно воспла­ менитель может состоять из двух частей: пиротехниче­ ского заряда в легкопрогорающей укупорке и пиросве­ чи для его поджига. Пиросвеча или пиропатрон в этом случае представляют собой навеску легковоспламеняемой мякоти с вмонтированной в нее нитью накаливания. Воспламенитель и пиросвеча могут быть выполнены и

водном блоке, как это было показано выше.

Вбольшинстве случаев воспламенитель размещается

на передней стенке двигателя перед зарядом. Это обес­

166

печивает при сгорании заряда воспламенителя одновре­ менное воспламенение основного заряда по всей поверх­ ности его, так как продукты сгорания воспламенителя, двигающиеся в сторону сопла, омывают всю поверхность заряда. Работа РДТТ сопровождается сложными физи­ ко-химическими процессами. Горение твердого топлива происходит с поверхности параллельными слоями, и фронт пламени проникает в глубину шашки только по мере сгорания вышерасположенных слоев. Основной ха­ рактеристикой горения твердого топлива считается вели­ чина скорости горения, т. е. толщина слоя топлива, сго­ рающего в единицу времени. При этом скорость горения твердого топлива тем больше, чем больше давление в камере сгорания. Поскольку приток газов, образующих­ ся в камере при постоянном давлении, зависит от вели­ чины горящей поверхности заряда, величина газообра­ зования тем больше, чем больше горящая поверхность.

Особенностью горения твердого топлива является за­ висимость скорости горения от начальной температуры топливного заряда. Опытным путем установлено, что скорость горения топлива зависит от скорости газов, омывающих топливо. Это приводит к тому, что заряд топлива горит быстрее со стороны сопла, где скорость движения газов максимальная. Поэтому в процессе го­ рения каналы в заряде превращаются в конические рас­ трубы, расширяющиеся в сторону сопла.

Величина давления газов в камере определяется ба­ лансом притока продуктов сгорания и их расхода. Мак­ симальное давление возникает сразу после воспламене­ ния заряда, а затем в течение всего процесса горения давление изменяется незначительно и лишь в конце го­ рения быстро падает.

В установившемся режиме приток продуктов сгора­ ния и их расход через постоянное критическое сечение сопла примерно одинаковы. Ускорение процесса газо­ образования в камере сгорания по какой-либо причине сопровождается повышением давления в камере, и на­ оборот. Поэтому образование трещин в заряде вызы­ вает увеличение поверхности горения, а следовательно, и резкое повышение давления, которое может привести к разрыву двигателя.

На рис. 98 представлена характерная кривая давле­ ния в РДТТ. Начальное давление в камере сгорания,

как было отмечено выше, необходимое для надежного зажигания и горения заряда, создается воспламените­ лем в течение короткого промежутка времени. В этот период времени, называемый временем выхода двига­ теля на режим, давление достигает максимума, а затем снижается до рабочего уровня. Образующийся при этом

пик давления объясняется неустойчивостью горения в период запуска. Далее начинается рабочий режим ра­ боты двигателя. Он характеризуется относительным по­ стоянством давления, а следовательно, и тяги в продол­ жение всего этого времени. В конце работы двигателя, после прекращения горения заряда, начинается режим выключения. Давление в камере быстро падает до дав­ ления окружающей среды. Если в камере остаются твер­ дые остатки шашки, наблюдается так называемое горе­ ние со шлейфом, при котором давление падает сравни­ тельно медленно.

При изменении начальной температуры заряда проис­ ходит заметная деформация кривой давления. При пони­ жении температуры максимальное и рабочее давления понижаются, а время работы двигателя увеличивается. При этом импульс давления (площадь, ограниченная кри­ вой P(t) и осью времени) почти не изменяется. Следует, однако, иметь в виду, что твердое топливо обладает ма­

168

лой теплопроводностью и очень медленно принимает температуру окружающей среды (в течение нескольких часов).

§ 6.3. БОЕВЫЕ ЧАСТИ

Основным поражающим элементом ракет является боевая часть. Она состоит из металлического корпуса и взрывчатого вещества. Все существующие боевые части управляемых и неуправляемых ракет по характеру их действия можно подразделить на следующие типы: фу­ гасные, осколочные, осколочно-фугасные, кумулятивные, зажигательные, ядерные и боевые части специального назначения. Тип боевой части, применяемый на ракете, определяется ее назначением.

Фугасные боевые части поражают цели вследствие разрушающего действия разлетающихся продуктов взрыва, которые образуются в результате превращения ВВ, и ударной волны. Фугасные боевые части находят

ми, которые образуются при дроблении корпуса боевой части. Для обеспечения дробления корпуса боевой ча­ сти на осколки определенного веса, которые для типо­ вой цели являются убойными (поражающими), прини­ маются специальные меры, обеспечивающие регулярное (заданное) дробление. Конструктивно это обеспечивает­ ся нанесением насечек на корпусе боевой части, по ко­ торым происходит ее дробление (рис. 99), или приме­ нением специальных рубашек, помещаемых внутри кор­ пуса, которые благодаря специальной конфигурации обеспечивают дробление корпуса на определенное чис­

части на осколки применяются в управляемых ракетах класса «воздух — воздух» и поражают цели только ос­ колками. Высокая эффективность действия таких бое­ вых частей достигается направленным разлетом оскол­ ков в очень узком угле. Этим достигается высокая плот­ ность потока осколков и соответственно высокая пора­ жающая способность.

169