книги из ГПНТБ / Должанский Ю.М. Крупногабаритные РДТТ (технология изготовления по зарубежным данным)

Г л а в а IV

ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОРПУСОВ КРУПНОГАБАРИТНЫХ РДТТ

Конструкция и основные вопросы технологии изготовления неметаллических корпусов РДТТ

Судя по опубликованным сведениям, первые попытки исполь­ зовать в конструкции ракетных двигателей, в том числе РДТТ, материалы типа стеклопластиков были предприняты в США еще в 1945—1946 гг. Примерно в эти годы в США был спроектирован, изготовлен и всесторонне испытан двигатель с корпусом из стек­ лотекстолита-— стеклопластика, армированного стеклотканью. Анализ результатов испытания опытных конструкций и корпусов из стеклотекстолитов и оценка уровня предельной прочности пер­ спективных композиций стеклотекстолитов показали, что материа­ лы этого типа не являются оптимальными для использования их в конструкции корпусов РДТТ, кроме, может быть, отдельных част­ ных случаев.

В 1947 г. в США были начаты работы по созданию конструкций типа корпусов ракетных двигателей непосредственно из стеклони­ тей, пропитанных полимеризующимися связующими составами. В 1956 г. из пластмассы, армированной стекловолокном, был из­ готовлен и успешно испытан корпус двигателя III ступени иссле­ довательской ракеты «Авангард». К 1957 г. промышленностью США был накоплен опыт, а специальными фирмами-изготовителя-

ми корпусов РДТТ (Hercules Powder Corp., Aerojet-General Corp., United Technology Corp., Thiockol Chemical Corp. и др.) получены результаты, на основании которых стеклопластики, армированные нитями, были признаны весьма рациональным и перспективным материалом для изготовления корпусов РДТТ.

Были найдены конструктивно-технологические решения, даю­ щие возможность оформлять в процессе намотки днища изделий заодно с цилиндрической частью корпуса. Из них наиболее ин­ тересным следует считать метод намотки, называемый в американ-

80

В дополнение к этому отметим следующее. При прогреве до 110° С прочность стеклопластика, по экспериментальным данным, практически не изменяется. Однако уже при 165° С прочность ма­ териала при испытании на растяжение снижается примерно на 30%, а прочность послойного сдвига и предельная несущая способ­ ность — даже на 50%.

Удельный Sec пластика, г /с м з

Рис. 32. Прочность экспериментальных сосудов, намотанных методом «спираллой» в зависимости от содержания свя­ зующего в композиции пластика.

На рис. 32 представлены результаты испытания эксперимен­ тальных сосудов, намотанных методом «спираллой» с разным со­ держанием смолы в композиции пластика. Характер кривых под­ тверждает известное положение об увеличении прочности стекло­ пластика с уменьшением в’нем относительного содержания смолы.

82

t L , 10 — толщина слоев пластика, укладываемых при намотке продольно и поперечно;

0— угол намотки;

а— угол укладки продольных прядей (а = 90°—0).

X

Рис. 34. Форма днищ корпусов РДТТ, изготовляемых намоткой методом «спираллой».

Рис. 35. Зависимость угла намотки от геометрии и размеров днища при намотке методом «спираллой».

84

Из этих соотношений можно получить:

после соответствующей подстановки и преобразований получаем:

2pd cos2 а — pd sin2 а

4аст cos2a

здесь р —- расчетное давление в двигателе;

d — внутренний диаметр цилиндрической части корпуса. Легко показать, что при одном и том же рабочем давлении ри­

сунок намотки определяет соотношение расчетных толщин /ей /х, • т. е. суммарную толщину корпуса и его вес. В самом деле, поделив почленно исходные равенства и учитывая, что

N l — N& /2,

находим

—— = 3 cos2 а — 1,

V.

Более точной является известная формула Ганаля

В табл. 23 приведены значения угла намотки для того или ино­ го отношения te !t l , вычисленные по формуле Ганаля. Из этой таб­ лицы видно, в частности, что оптимальный расчетный угол для чисто косой намотки (te /ti.—>со ) составляет 35°,26.

Дополнительными расчетами можно показать, что если, напри­ мер, при jti =1 желательно иметь продольную прочность напо­

85

ловину меньше окружной, то угол намотки должен быть 25°,38. Если же требуется, чтобы при t& /i z. = 1 продольная прочность тру­ бы вдвое превышала окружную, то угол намотки должен состав­ лять 30°.

Точное воспроизведение рисунка намотки является обязатель­ ным, но не достаточным условием реализации в намотанном кор­ пусе расчетной прочности.

Весьма важным является строгое соблюдение технологии про­ цесса и контроль таких параметров, как равномерность и величина натяга нитей при намотке, а также равномерность и величина на­ носа связующего на укладываемые в процессе намотки пряди. При этом необходимо соблюдать определенный температурный режим, особенно при полимеризации стеклопластика [107].

Качество и прочностные характеристики корпусов, получаемых методами намотки стеклонитями, зависят также от типа и конст­ руктивных характеристик оборудования, используемого в каждом отдельном случае для осуществления намотки.

Была проведена широкая экспериментальная проверка влияния на конечные характеристики корпусов из стеклопластика перечис­ ленных факторов [107].

Ниже представлены результаты этой проверки (рис. 36—39).

Приведенные на графиках кривые получены в опытах со стекло­ армированными пластиками на основе ТАС-полиэфирной смолы (Vibrin 135 + 2% перекиси бензоила) с наносом 18±1% (за исклю­ чением образцов, где величина наноса варьировалась). Для стек­ лопластиков, применяемых при намотке корпусов РДТТ, эти кри­ вые могут быть использованы лишь как качественные иллюстрации соответствующих зависимостей.

Кривые рис. 36 показывают, как зависит от величины наноса связующего при намотке содержание его в пластике после поли­ меризации. Здесь же видно,'что с увеличением начального наноса

86

резко меняется относительное содержание в конечном материале газовых включений и пор. Это очень важно для обеспечения гер­ метичности корпусов, изготовляемых намоткой.

Равномерность и величина наноса связующего — один из опре­ деляющих факторов намотки. С уменьшением величины наноса прочность материала возрастает. Однако в случаях крайне низкого содержания связующего конструкционная монолитность корпуса

может нарушаться. Поэтому уменьшать относительное содержание связующего (для используемого типа связующего) ниже 20%, по-видимому, нецелесообразно.

В конструкциях, получаемых намоткой, величина натяга, судя по результатам экспериментов, влияет на все характеристики стек­ лопластиков. Однако, как показывает тщательный анализ и сопо­ ставление фактов, это влияние косвенно и связано главным обра­ зом с тем, что при изменении натяга меняется содержание смолы в материале (рис. 37).

Изменение некоторых механических свойств стеклопластика, получаемого намоткой, в зависимости от величины натяга ровницы при намотке иллюстрируется кривыми, приведенными на рис. 38.

Следует подчеркнуть, что если обеспечить постоянство величи­ ны наноса связующего, то с увеличением натя^ (по крайней мере в некоторых пределах) прочностные характеристики материала в конструкции будут повышаться. В связи с этим очевидны преиму­ щества варианта намотки корпусов с использованием предвари­ тельно пропитанной ровницы, который в последнее время получает за рубежом всеобщее признание.

Прочность послойного среза слабо зависит от величины натяга. По-видимому, эта характеристика определяется в основном адге­ зионными свойствами связующего.

87

V

1

7

s.<7

V

I

li

Ю 20 X 40 SO

Количество нитей вровнице

Рис. 39. Зависимость прочностных свойств стеклоармированных пластиков от количества нитей, одновременно укла­ дываемых на оправку при намотке:

1 — при комнатной температуре; 2 — при

240° С.

89