МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ УКРАИНЫ

ДНЕПРОПЕТРОВСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Ф.П. САНИН

Л.Д. КУЧМА

Е.А. ДЖУР

А.Ф. САНИН

ТВЕРДОТОПЛИВНЫЕ

РАКЕТНЫЕ

ДВИГАТЕЛИ

МАТЕРИАЛЫ И ТЕХНОЛОГИИ

Допущено Министерством образования Украины как учебник для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальностям «Летательные аппараты», «Энергетические установки космических летательных аппаратов», «Системы управления летательными аппаратами и комплексами», «Ракетные космические аппараты»

Дніпропетровськ

Видавництво

Дніпропетровського університету

1999

ББК 39.651.12^Я73

Т 26

УДК 621.454.3(075.8)

Рецензенты:

д-р. техн. наук, проф. А. А. Рябовол

(Укр. НИИ технологии машиностроения);

д-р. техн. наук, проф. В. Е. Гайдачук (Харьковский авиационный институт)

В учебнике изложены современные представления о работе твердотопливных ракетных двигателей применительно к работоспособности материалов и конструк­ций в экстремальных условиях высоких температур и скоростей газовых потоков.

Широко представлены сведения о композиционных и тугоплавких мате­риалах, технологиях создания на их основе конструкций, которые существенно отличаются от традиционных металлических.

Учебник предназначен для студентов, обучающихся по специальностям «Летательные аппараты», «Энергетические установки космических летательных аппаратов», «Системы управления летательными аппаратами и комплексами», «Ракетные космические аппараты». Может быть полезен также аспирантам, инже­нерам, работающим в области новых материалов и технологий.

Ф. П.Санін, Л.Д.Кучма, Є.О. Джур, А.Ф.Санін.

Т 26 Твердопаливні ракетні двигуни. Матеріали і технології:

Підручник.–Дніпропетровськ: Вид-во Дніпропетр. ун-ту, 1999. - 320 с. (Рос. мовою)

ISBN 966–551–035–5

У підручнику викладені сучасні уявлення про роботу твердопаливних ра­кетних двигунів відповідно до працездатності матеріалів і конструкцій за екстре­мальних умов високих температур і швидкостей газових потоків.

Широко представлені відомості щодо композиційних і тугоплавких матері­алів, технології створення на їхній основі конструкцій, які суттєво відрізняються від традиційних металевих.

Підручник призначено для студентів, що навчаються за спеціальностями «Літальні апарати», «Енергетичні установки космічних літальних апаратів», «Системи керування літальними апаратами і комплексами», «Ракетні космічні апарати». Може бути корисним також аспірантам, інженерам, що працюють в галузі нових матеріалів і технологій.

Замовне ББК 39.651.12^Я73

ISBN 966–551–035–5 ©Санин Ф.П., Кучма Л.Д., Джур Е.А., Санин А.Ф., 1999 ©Видавництво Дніпропетровського університету, 1999

ВВЕДЕНИЕ

Твердотопливные реактивные двигатели (РДТТ) появились в Китае одновременно с изобретением пороха, а затем в Европе. Есть сведения о том, что еще запорожские казаки в 1516 году впервые применили реак­тивные снаряды в битве с турками. Значительно позже начали использо­вать реактивные снаряды на более высоком уровне. Всему миру извест­ны знаменитые «катюши», которые наводили страх на врага во Второй мировой войне. Но твердотопливные маршевые двигатели для зенитных ракет, а тем более для стратегических ракет, стали разрабатываться срав­нительно недавно.

Кажущаяся простота самой идеи твердотопливного двигателя в конечном итоге воплощается в сложной конструкции и технологии. Ведь температура горения современных смесевых топлив доходит до 3 800 К, и, конечно, ни один традиционный материал не сможет работать в таких условиях; особенно это касается соплового блока двигателя. Если учесть, что конструкция должна быть сравнительно легкой, проектантам и тех­нологам приходится буквально изощряться, чтобы удовлетворить этим требованиям.

Так как условия теплообмена при работе РДТТ нестационарны, а расчетные температуры на рабочих поверхностях выходят за все разум­ные пределы, в книге рассматриваются особенности охлаждения матери­алов за счет абляции. Приведены понятия эффективной энтальпии, тер­мостойкости, жаростойкости и жаропрочности, транспирационного ох­лаждения, что, к сожалению, при рассмотрении в учебных курсах соб­ственно твердотопливных двигателей отсутствует.

Учитывая, что работа любого теплозащитного покрытия сводится к работе углеродного остатка, в книге достаточно подробно рассматри­ваются углеродные материалы.

Современный твердотопливный двигатель - это комплекс нетра­диционных конструкторских, технологических и материаловедческих решений. Практически двигатель на 80 % состоит из композиционных материалов (КМ), поэтому им уделено особое внимание. Это и поли­мерные материалы, и материалы с металлической матрицей, которые найдут широкое применение в 21 веке. Композиционные материалы рассматриваются применительно к конкретной детали или узлу для од­ного из гипотетических двигателей, близкого к реальному.

Особое внимание обращается на работоспособность конструкции, ее прочностные и массовые характеристики, удельную прочность ма­териалов.

Рассматриваются нетрадиционные тугоплавкие соединения, кроме ок­сидов, которые освещены достаточно полно в литературе по огнеупорам, керамике и т. п. По этой же причине совсем не рассматриваются стали, хотя некоторые «ракетные» и близкие к ним металлы кратко освещены.

Считая, что будущее принадлежит порошковым технологиям и ком­бинированным материалам из тугоплавких соединений и металлов, ав­торы приводят небольшой раздел по этому направлению.

Конечно, книга не претендует на полноту изложения всех аспектов технологий твердотопливных двигателей и ограничивается рамками учебного курса, который определяется часами, отведенными по учебно­му плану, и несколько ограничен во времени. Мы не рассматриваем сбор­ку, клеевые соединения, относящиеся в какой-то степени тоже к сборке, неразрушающие методы контроля, которым посвящена специальная ли­тература, технологические испытания, механическую обработку, хотя обо всем этом немного вспоминаем.

Надеемся, что предлагаемая книга представит интерес и как учеб­ник, и как пособие для инженеров-технологов.

Глава 1. Основы теплообмена

В ракетно-космической технике накоплен большой опыт в соз­дании теплозащитных материалов. Верхним пределом применяемо­сти самых жаропрочных материалов без тепловой защиты можно считать тепловые потоки ~ 2,5-10⁵ Вт/м², которые приводят к равно­весным температурам поверхности, превышающим 1 500 К.

При движении какого-либо тела со скоростью, в 6 раз превы­шающей скорость звука, в самом газовом потоке и на поверхности тела происходит ряд физико-химических превращений. В тонком пристеночном слое выделяется энергия трения и происходит кон­вективный перенос тепла от газа к телу. Взаимодействие нагретого газа с теплозащитным покрытием обусловлено протеканием много­численных и взаимосвязанных процессов.

Известно шесть процессов, используемых для отвода или погло­щения тепла: теплопроводность, конвекция, массобмен, излучение, электромагнитные поля и физико-химические превращения. На прак­тике обычно применяется их комбинация.

НАКОПЛЕНИЕ ТЕПЛА. Системы с накоплением тепла являют­ся низкотемпературными и используются (работают) при темпера­турах ниже точки плавления поглощающего материала.

Здесь действует закон Фурье:

где λ – коэффициент теплопроводности; Т – температура; z – нормаль к изотерме (расстояние от рабочей поверхности).

Максимальное количество тепла, которое может поглотить сис­тема:

где с – удельная теплоемкость материала; m – масса вещества; Т_пл – температура плавления; Т₀ – начальная температура.

При охлаждении поверхности

где S – площадь теплоотдающей поверхности; m – масса расходуемого охладителя; T_w – температура поверхности.

Таблица 1

Материалы, используемые в качестве поглотителей тепла

Материал	λ при 20ºС, Вт/(кг∙К)	С при 20ºС, кДж/(кг∙К)	Тпл, К	Qиспар, кДж/кг	ρ при 20ºС, кг/м3
Медь	386	0,37	1370	450	8950
Алюминий	293	0,92	950	650	2700
Железо	78	0,45	1800	790	7870
Молибден	148	0,25	2990	975	10200
Вольфрам	150	0,08	3680	1790	1900
Бериллий	167	2,18	1640	3690	1820
Графит	130	1,63	4100	9550	2290 теор.

Обозначения: λ – коэффициент теплопроводности; С – удельная теплоемкость; Т_пл – температура плавления; Q испар. – удельная теплота плавления; ρ – плотность вещества.

Среди газообразных охладителей наибольшей теплоемкостью обладает водород (С = 14,5 кДж/кг), на практике используются вода, спирт и т. п. (табл. 2). Расширить интервал допустимых тепловых потоков можно и за счет использования теплоты фазового превра­щения охладителя (испарения). Например, теплота испарения рас­плавленного лития составляет ~ 20 500 кДж/кг, он кипит при темпе­ратуре 1 590 К и давлении 10⁵ Па.

Конвективное охлаждение применяется в камерах жидкостных ракетных двигателей, плазмотронах и т. п.

Массообменный принцип поглощения тепла может быть реали­зован в виде пористого, пленочного или заградительного охлажде­ния. При вводе холодного газа или жидкости в пристеночный слой набегающего потока толщина его увеличивается, происходит оттес­нение горячего газа от охлаждаемой поверхности и интенсивность теплообмена снижается. Преимуществами данного способа можно считать сохранение внешнего вида поверхности, поддержание ее не­обходимой температуры.

Таблица 1

Свойства некоторых охладителей

Вещество	μ, кг/моль	Ср при 370 К, кДж/(кг∙К)
Водород	2	14,45
Гелий	4	5,20
Вода (пар)	18	2,14
Аммиак (NН3)	17	2,22
Азот	28	1,03
Воздух	30	1,00
Метиловый спирт	32	1,72
Аргон	40	0,52
Глицерин	92	2,40
С02	44	0,91

Обозначения: μ - молекулярная масса; Ср - удельная теплоемкость.

Пленочное охлаждение реализуется в случае, если температура стенки не превышает температуры кипения жидкости, но, в конеч­ном итоге, все будет определяться способом подвода тепла.

Наиболее эффективными охладителями являются вещества, обладающие максимальной удельной теплоемкостью и образую­щие газообразные продукты с минимальной молекулярной мас­сой. Эффективным способом тепловой защиты является порис­тое охлаждение.

В качестве охладителя для кромок крыльев и рулей в сверхзву­ковом потоке можно применять аммиак. Кроме охлаждения он еще и защищает от окисления, так как связывает кислород по реакции

4NH₃ + 3O₂ = 2N₂ + 6H₂O.

В пористых материалах из тугоплавких металлов можно испо­льзовать Ag, Сu, Zn, HLi (гидрид лития). Так в сплавах АВМГ и ВНДС используются пористая вольфрамовая матрица и медь. Порис­тое охлаждение можно применять и в МГД – генераторах, теплооб­менных аппаратах и т. д.