книги / Проектирование и отработка ракетных двигателей на твёрдом топливе

рая будет при измерении тяги. Оценка погрешности на переходных режимах (выход, спад, переход с одного режима на другой) будет определяться сопротивлением трения, преодолением сил упругости элементов стапеля и силами инерции. При работе на стационарном режиме – трением и упругим сопротивлением элементов стапеля. Поэтому лучшим стапелем будет тот, где меньше трение, а подвижные части, связанные с двигателем, будут иметь наименьший вес. Кроме того, учитывается простота его конструкции, стоимость, технологичность изготовления, удобство эксплуатации при различных погодных условиях. Наиболее часто применяют стапели с ленточным подвесом, на шатунных опорах, люнеты, тележки.

6.6. Подтверждение работоспособности двигателя

Огневые стендовые испытания (ОСИ) проводятся с целью подтверждения работоспособности двигателя при определенной температуре заряда, соответствующей температурному интервалу эксплуатации двигателя. В процессе испытания производится запуск двигателя на стенде и фиксируются все его параметры. Огневыми стендовыми испытаниями завершаются, как правило, все другие испытания, где имитируются условия эксплуатации РДТТ. Под работоспособностью двигателя понимается выполнение им основных характеристик и конструктивной целостности

впроцессе и после эксплуатационных воздействий. Кроме ОСИ существуют другие виды испытаний [8, 9].

Эксплуатационные испытания проводятся с целью определения характеристик двигателя после воздействия факторов эксплуатации, а именно: транспортировки двигателя различными видами транспорта, хранения двигателя

вразличных условиях, воздействия различных климатических условий (температуры окружающей среды и ее перепадов, влажности и т.д.), а также воздействия на двигатель и заряд различных аварийных ситуаций. Рассмотрим эти виды испытаний.

251

Транспортные испытания имеют целью проверку работоспособности двигателя после воздействия факторов транспортировки. При перевозке двигателя железнодорожным транспортом на него действуют вибрации с частотой 2…100 Гц и амплитудой вибрационных ускорений 1,25…2,0 g, а также удары, при которых возникает перегрузка до 45 g. При перевозках автомобильным транспортом по шоссейным и грунтовым дорогам частоты и вибрационные перегрузки составляют величины от 2 до 40 Гц и 1…3 g, водным – 2…35 Гц и 0,05…0,5 g, авиационным – 3…500 Гц и 0…20 g соответственно. Испытания проводят только для подтверждения работоспособности после железнодорожной и автомобильной транспортировки. Воздействия на двигатель при морской транспортировке незначительны, а при воздушной транспортировке незначительно время ее воздействия. Используют специальные стенды имитации транспортировки или натурные испытания.

Существуют стенды имитации транспортировки сле-

дующих типов.

Стенд кинематического возбуждения Представляет собой опору, на которой установлен кривошипно-шатун- ный механизм, который колеблет стол с установленным на нем двигателем с заданной частотой и амплитудой. Применяется наиболее часто. Преимущество стенда заключается в возможности получения достаточно больших амплитуд колебаний, недостаток – в низком диапазоне частот (до нескольких десятков Гц). При более высоких частотах очень сильно начинают действовать инерционные силы.

Стенд реактивного действия. Принцип действия ос-

нован на возникновении вибраций при вращении колесдисбалансов. Колебания стола происходят только в вертикальной плоскости. На этом стенде можно получить вибрации с частотой до нескольких сотен Гц. Но при попадании частоты вращения дисбалансов в резонанс с частотой собственных колебаний стола с двигателем условия проведения испытаний отличаются от заданных. При резонансе

252

стол колеблется с частотой собственных колебаний. Объясняется это тем, что в этом стенде нет жесткой связи между вращающимися колесами и столом стенда.

Электрогидравлические вибростенды. Конструкция работает на преобразовании энергии давления жидкости в возвратно-поступательное движение стола посредством системы клапанов. Эти стенды не имеют низкочастотных ограничений, а также ограничений по амплитуде; могут создавать большие усилия при малой массе конструкции. Недостатки стенда заключаются в отличии формы колебаний от синусоидальной, что усложняет определение режимов испытаний, а также в необходимости использования жидкостей высокой чистоты, которые имеют достаточно высокую стоимость.

Электродинамические вибростенды, конструкция ко-

торых основана на системе электромагнитов. Преимуществами стенда являются широкий диапазон рабочих частот и простота эксплуатации. Недостаток – влияние объекта испытаний на частотные характеристики стенда.

Следует отметить, что при испытаниях на стендах имитации транспортировки режимы вибрации задаются по результатам расчетов по специальным методикам и они не тождественны параметрам вибрации при реальной транспортировке. За счет этого достигается большая экономия времени проведения испытаний. Например, время имитации транспортировки на расстояние, равное 1500 км, занимает 10…15 мин. Все перечисленные стенды имеют ограничение по массе проверяемого двигателя. Поэтому крупногабаритные двигатели проверяются с помощью натурных испытаний, т. е. их действительно возят на соответствующих видах транспорта на расстояния, указанные в техническом задании на разработку двигателя.

Испытания на ударостойкость проводятся с целью проверки работоспособности двигателя после ударов, которые могут произойти при железнодорожной транспортировке. Проводятся на копре свободного падения, схема которого приведена на рис. 6.11. Длительность ударного

253

Рис. 6.11. Схема установки для проведения испытаний на ударостойкость: 1 – амортизатор; 2 – ферма; 3 – рама; 4 – двигатель; 5 – лебедка

импульса составляет от 3 до 32 млс, максимальное ускорение при ударе до 180 g. Параметры удара регулируются посредством амортизатора.

Климатические испытания проводятся с целью ими-

тация воздействия факторов окружающей среды на двигатель в процессе складского и боевого хранения, а именно температуры, влажности, внешнего давления, осадков (в основном дождь) и аэродинамического нагрева.

Проверка влияния температуры окружающей среды на двигатель производится при каждом ОСИ посредством выбора необходимой температуры проведения испытаний. Как правило, назначаются крайние значения из интервала температур эксплуатации, так как двигатель при этих температурах находится в наиболее жестких условиях. Кроме этого, чем больше изменение температур, тем выше перепад давлений в камере сгорания, тем точнее определяются параметры закона скорости горения в двигателе.

Проверка влияния перепадов температуры на конструкцию заряда проводится с помощью попеременного термостатирования двигателя. Для этого определяют количество возможных перепадов температуры за срок служ-

254

бы двигателя и эти перепады моделируют при проведении испытаний. Двигатель собирают, устанавливают в камеру термостатирования, выдерживают до полного прогрева, переводят в камеру с другой температурой (моделируют заданный перепад температуры) и т.д. Длительность выдержки двигателя при заданной температуре определяется либо временем прогрева заряда, либо длительностью существования данной температуры при эксплуатации заряда. Полный прогрев двигателя занимает несколько суток.

Испытания на воздействие влажности внешней среды на двигатель проводятся в следующей последовательности: собранный двигатель помещается в камеру, нагревается до 50…70 °С при влажности более 95 %, выдерживается около 6 часов. Далее производят понижение температуры до 5…10 °С, выдерживается около 6 часов. После этого температуру в камере поднимают до 20 °С. Цикл повторяется до 10 раз. После проведения всех циклов производят разборку и осмотр двигателя и заряда.

Испытания на воздействие аэродинамического нагрева проводят для ракет класса «воздух-воздух», «воздухповерхность», причем только для тех ракет, которые находятся на внешней подвеске самолета. По своей сути эти испытания не относятся к климатическим, но их обычно относят к этой группе из-за сходства методик проведения опытов. Порядок проведения испытания: нагрев собранного двигателя в термокамере до температуры 70 °С с последующим охлаждением до нормальной температуры. Цикл повторяется столько раз, сколько при эксплуатации будет взлетов-посадок самолета с данной ракетой. Далее разборка двигателя, его осмотр или дефектоскопия, сборка, термостатирование при минимальной температуре эксплуатации. При данном виде нагружения наиболее вероятно появление дефекта в виде отслоения заряда от корпуса, поэтому испытания проводятся при минимальной температуре.

Иногда ракету подвергают испытаниям на воздействие «переохлажденного дождя», после которых вся поверхность ракеты покрывается коркой льда, снежного бурана,

255

морского тумана, песка и пыли. Все виды проверок определяются техническим заданием на разработку изделия.

При испытаниях в термокамерах температура поддерживается с точностью ±2 °С. Контроль температуры производится с помощью термометров сопротивления, производится постоянная запись температур. В качестве нагревательных приборов используются калориферы. Теплоносителем является пар с температурой 120 °С. Холодильные агрегаты работают на фреоне или аммиаке.

Испытания на служебную безопасность проводятся с целью оценки поведения двигателя в аварийных ситуациях. Предварительная оценка проводится по результатам лабораторных работ с образцами топлива. Определяются взрывчатые характеристики топлива – чувствительность к механическим воздействиям, тротиловый эквивалент взрыва, скорость детонации и т.д. Все результаты лабораторных работ занесены в паспорт-карточку на топливо. При проектировании конструктор должен правильно выбрать топливо в соответствии с требованиями технического задания. При отработке проводится экспериментальная проверка всего двигателя на воздействие этих факторов. Перечислим виды испытаний на служебную безопасность.

Удар быстролетящих тел. Определяется реакция двигателя на удар пули или осколка заданной массы. Перед испытанием собранный двигатель устанавливается на ложементах, крепится к полу стенда. Устанавливается устройство для метания: для пули используется штатное оружие, для метания осколка ставят специальную газовую пушку, которая выстреливает тело определенной массы

сопределенной скоростью. Скорость полета пули или осколка указывается в требованиях ТЗ. Скорость полета определяют либо с помощью скоростной киносъемки, либо

спомощью специального приспособления. Для этого на траектории полета пули или осколка устанавливают две полоски фольги на определенном расстоянии друг от друга. По полоскам пропускают слабый электрический ток. Момент разрыва фольги фиксируется на шлейфовом осцилло-

256

графе. Зная расстояние между полосками можно определить скорость полета тела. По результатам испытания определяют тротиловый эквивалент взрыва и другие взрывчатые характеристики. Двигатель считается выдержавшим испытание, если в его процессе не было зафиксировано детонации топлива.

Воздействие открытого пламени. При испытании двигатель помещается над поддоном, в котором налита горючая жидкость. Жидкость поджигается, и двигатель выдерживается в ее пламени заданное время. Расстояние от зеркала жидкости до двигателя определяет температуру пламени. Время воздействия открытого огня и температура пламени задаются в техническом задании на разработку двигателя.

Испытание на случайное падение. Случайное падение чаще всего происходит при перегрузке двигателя или ракеты. В техническом задании определяется высота падения, а также требования к той поверхности, куда падает двигатель. Чаще всего это бетонное основание с установленным рельсом, иногда из бетона должны еще торчать куски арматуры. Устанавливается легкая ферма, двигатель на штатной траверсе поднимается на заданную высоту лебедкой с дистанционным управлением и сбрасывается на жесткое основание. Проводят испытание с обязательной видеозаписью.

Оценивается служебная безопасность при падении ступени ракеты с траектории. Возможна ситуация, когда разрушается первая ступень ракеты, а вторая или третья ступень падают на землю. Скорость падения этой ступени может достигать 150 м/с. Испытания на проверку двигателя в этих условиях проводят на ракетном треке. Это железнодорожная колея, по которой движется тележка, в передней части которой расположена испытываемая ступень, а в задней части разгонный твердотопливный двигатель. В конце дорожки стоит преграда. Основное требование при проведении всех перечисленных испытаний – отсутствие детонации заряда.

257

При проведении испытаний на служебную безопасность прежде всего определяется характер взрыва. Существуют следующие варианты разрушения двигателя.

Разрушен заряд. Происходит горение топлива с паспортной скоростью, но у разрушенного заряда возрастает поверхность горения. Далее следует повышение давление в камере сгорания и происходит силовой разрыв оболочки. Ударная волна при этом мала, тротиловый эквивалент взрыва тоже мал.

Детонация топлива. Это явление распространения в топливе фронта горения со скоростью большей скорости звука в данном материале. Происходит очень сильный взрыв. При детонации топливо реагирует полностью, кусков топлива рядом с двигателем не остается. Возникает очень сильная ударная волна.

Промежуточное положение занимает дефлаграция, при которой фронт горения движется в топливе со скоростью меньшей скорости звука в топливе, но большей скорости звука в воздухе. При этом ударная волна меньше, горящие куски топлива разлетаются на большое расстояние от места взрыва.

При взрыве возникают вторичные поражающие факторы. Для их оценки используют следующие факторы: очаг пламени, остатки топлива, осколки корпуса двигателя, ударная волна. Все вторичные факторы имеют количественную оценку. Для этого площадка испытаний разбивается радиусами и окружностями на зоны. В центре площадки устанавливается двигатель. В центр каждой зоны ставят датчики. Действие пламени оценивают по контурам очага пламени и по показаниям датчиков температур в зонах. Осколочное действие оценивают по распределению осколков по массе и радиусам разлета. Оценка действия ударной волны производится по показаниям специальных датчиков, установленных в зонах. На основе полученной информации определяются границы зоны поражения. По результатам всех проведенных работ в документацию вносятся меры по обеспечению живучести ракетного комплекса, безопасно-

258

сти персонала и сохранению инженерно-технических сооружений.

Испытаниям на служебную безопасность подвергают двигатель только в штатной комплектации и проводят их в конце отработки изделия.

Подтверждение гарантийных сроков хранения РДТТ. При хранении двигателя происходят изменения фи- зико-механических и энергетических характеристик топлива. У СТТ в результате старения увеличивается модуль топлива, предельное напряжение, но падают критические деформации. Это ведет к изменению НДС заряда, трещинам и отслоениям. У баллиститных происходит деструкция, в результате которой идет выделение газа, воды и других продуктов, что приводит к изменению энергетических характеристик топлива и появлению трещин заряда. Возможны процессы саморазогрева топлива, вплоть до его самовоспламенения. Может происходить расслоение твердого раствора с выходом нитроглицерина на поверхность заряда. В двигателях применяются различные полимеры – стеклопластики, резины, клеи и т.д., свойства которых также меняются со временем вследствие процессов старения. Наиболее опасными местами являются стыки деталей: топливо – бронировка, топливо – ТЗП, топливо – стеклопластиковый корпус и т.д. При хранении эти материалы могут влиять друг на друга и это влияние, как правило, уменьшает сроки хранения. Опасной является диффузия нитроглицерина в бронепокрытие. В результате энергетические характеристики топлива меняется в худшую сторону. При длительных сроках хранения нитроглицерина в бронирующем покрытии может оказаться столько, что оно начинает гореть и перестает выполнять свои функции. Опасными являются процессы миграции пластификатора смесевого твердого топлива в защитно-крепящий слой. Уменьшение пластификатора приводит к местному увеличению модуля топлива, там появляются трещины или отслоения, увеличивается скорость горения топлива.

259

В стеклопластиковых корпусах идет поглощение влаги из воздуха с изменением геометрических размеров и уменьшением предельных напряжений. Теряется прочность. Например, хранение в течение 3 лет стеклопластикового корпуса при температуре +50 °С и 100 % влажности воздуха уменьшает прочность корпуса примерно на 1/3.

При отработке двигателя проводятся специальные испытания с учетом всех перечисленных факторов. На основе испытаний делается заключение о гарантийных сроках хранения двигателя, принимаются меры по улучшению конструкции двигателя и уточнению условий эксплуатации.

Порядок проведения работ следующий. Предварительное определение сроков службы заряда,

которое проводят при проектировании заряда. Для этого необходимы лабораторные данные по физико-химической стабильности топлива и зависимости физико-механиче- ских и энергетических характеристик топлива от сроков хранения.

Проведение испытаний при отработке изделия. Здесь возможны два варианта ведения работ.

Непосредственная закладка двигателя на хранение.

Отбирают двигатели в штатной комплектации и закладывают на базах, расположенных в разных климатических районах. Вместе с ними закладываются образцы топлива. Периодически, примерно один раз в два года, производят разборку двигателя, осмотр, дефектоскопию, огневые стендовые испытания. Результат испытания используется для продления гарантийных сроков. Таких продлений может быть несколько. Способ очень трудоемкий.

Форсированные испытания.

В настоящее время является основным методом определения гарантийных сроков хранения. Интенсивность процессов старения топлива зависит от температуры эксплуатации. Чем выше температура, тем интенсивнее стареет топливо. Этот процесс описывается уравнением

260