25.Изготовление и испытания ракетных двигателей твердотопливных (рдтт).

Оба компонента ракетного топлива (горючее и окислитель) находятся в твердом состоянии внутри корпуса РДТТ. После их воспламенения раскаленный газ вырывается из сопла РДТТ, возникает реактивная сила. Существует большое разнообразие конструкций РДТТ, которые классифицируют по следующим признакам:

1. по габаритам - крупные, средние, малые,

2. по форме камер сгорания, или корпусов - цилиндрические, сферические,

3. по способу крепления снаряженного твердого топлива:

1. со свободным, вкладным топливным зарядом, когда между корпусом РДТТ и зарядом имеется зазор и крепления заряда производится с помощью диафрагм, решеток, перегородок,

2. со связанным топливным зарядом, когда корпус по внутренней поверхности связан с топливным зарядом, что достигается заливкой топлива в жидком состоянии и последующим затвердеванием топлива,

4. по месту расположения сопла в корпусе - с внешним, частично или полностью утопленным соплом,

5. по применяемым материалам для корпуса и для сопла - металлические (стальные, титановые, алюминиевые), и неметаллические (стеклопластиковые, углепластиковые, боропластиковые),

6. по конструкции корпуса - монолитные и сборные.

Для всех конструкций РДТТ можно отметить основные характерные детали и элементы, выполняющие одинаковые функции. К таким характерным деталям и узлам РДТТ относятся:

а) корпуса – оболочки двигателя,

б) днища – переднее и заднее,

в) стыковочные шпангоуты - служат для соединения с корпусом РН или КА,

г) диафрагмы (перегородки, решетки) – для крепления топлива внутри РДТТ,

д) сопла, которые могут представлять собой собранный из отдельных элементов узел, вкладыши сопел,

е) теплозащитные покрытия - наносятся на внутреннюю поверхность РДТТ, чтобы при горении топлива не было прогораний поверхности корпуса РДТТ,

ж) само топливо,

з) воспламенители – для зажигания твердого топлива.

С точки зрения материалов корпусов различают металлические и неметаллические РДТТ. Для металлических корпусов наиболее часто применяют нержавеющие и высоколегированные стали и титановые сплавы; для мелких корпусов, изготовленных заодно с соплом, применяют тугоплавкие сплавы на основе вольфрама, в некоторых случаях применяют алюминиевые сплавы (в виде сотовых конструкций). Для неметаллических корпусов РДТТ наиболее распространенным материалом являются композиционные материалы - стеклопластики, боропластики, углепластики. Для днищ и стыковочных шпангоутов используют те же сплавы, что и для оболочек, во избежание дополнительных тепловых напряжений. Применение титановых и неметаллических материалов для РДТТ обеспечивает выигрыш в массе по сравнению со стальными до 30% и более высокую устойчивость против коррозии.

Общая схема изготовления.

Для наиболее распространенной сборной конструкции РДТТ с металлическим или стеклопластиковым корпусом, когда все названные выше детали изготавливаются отдельно, общая схема изготовления состоит из следующих этапов:

1) изготовление металлического или стеклопластикового корпуса (обечайки),

2) изготовление переднего днища (в стеклопластиковых корпусах часто изготовляется методом намотки совместно с обечайкой двигателя),

3) изготовление заднего днища и соплового блока, поступающего на сборку в сборе,

4) сборка переднего днища с корпусом,

5) подготовка внутренней поверхности корпуса под теплозащитное покрытие,

6) нанесение теплозащитного покрытия,

7) нанесение подложки (основы) под топливо и ее полимеризация (затвердевание),

8) заливка топливной массы в корпус двигателя,

9) полимеризация (затвердевание) топлива,

10) установка соплового блока с задним днищем,

11) контроль и испытания двигателя,

12) консервация РДТТ (закрыть специальными крышками все отверстия РДТТ от попаданий грязи и пыли, крышки снимаются перед полетом).

Изготовление корпусов.

Металлические корпуса РДТТ.

Конструкция их состоит из обечайки, днищ, стыковочных шпангоутов и различных соединительных и монтажных деталей (кронштейны, уголки и другие). Обечайки и днища могут иметь отверстия, окна, ребра и другие местные усложнения. Наиболее часто применяются две схемы изготовления в зависимости от исходной заготовки:

В первом случае заготовкой является стандартный катаный лист, и процесс изготовления состоит из следующих этапов: разрезка листа; обработка кромок; вальцовка (гнут) в цилиндрическую форму; продольная сварка в несколько проходов; отжиг и зачистка швов; контроль швов; механическая обработка стыковочных поверхностей; приварка фланцев, изготавливаемых отдельно механической обработкой; термообработка; контроль. В результате такой схемы получается обечайка, имеющая как продольный, так и кольцевые швы, что является их недостатком.

Во втором случае в качестве заготовок применяется бесшовная труба, которая подвергается раскатке (ротационной обработке), позволяющей получить утолщения на концах обечайки для фланцев под стыковку с днищами. Вторая схема изготовления, обеспечивающая получение бесшовных обечаек корпусов, более предпочтительна.

У крупных РДТТ обечайки состоят из отдельных кольцевых секций, соединение которых производится кольцевой сваркой или механическим способом (крепежными деталями). Сварные швы контролируются неразрушающими методами. Сферические корпуса РДТТ изготавливаются сваркой из двух полусферических днищ, имеющих различные окна и усложнения формы и получаемых штамповкой или обкаткой из листовых заготовок.

Днища корпусов могут быть различной формы (сферической, эллипсоидной и другие). Формообразование их может производится штамповкой, ротационным выдавливанием, в случае крупных размеров штамповкой клиновидных (сегментных) листов с последующей сваркой и калибровкой (придание окончательной формы).

Сборка с обечайкой производится или сваркой через шпангоут, или механическим способом. После сборки обечайки с передним днищем и приварки мелких установочных и монтажных деталей корпус подвергается контролю и гидростатическим испытаниям. Давление испытаний должно превышать на 10-15% максимальное давление в двигателе. При наличии значительного количества сварных швов проводятся виброиспытания.

После контроля и испытаний корпуса поступают на операции подготовки под нанесение теплозащитных покрытий (очистка, обезжиривание, промывка). В качестве теплозащитных обычно применяются асбесто-полимерные или другие композиционные материалы, имеющие малую теплопроводность, способность склеиваться с корпусом, небольшую скорость эрозии (разрушение поверхностного слоя) при работе двигателя. Толщина теплозащитного слоя зависит от распределения температур и свойств теплозащиты и может быть в пределах от 10 до 80 мм в наиболее напряженных зонах. После подготовки стенки на нее наносится клеевое связующее для приклейки теплозащитного слоя.

Неметаллические корпуса РДТТ.

Наряду с металлическими находят применение и неметаллические корпуса РДТТ из композиционных материалов: стеклопластиков, углепластиков, боропластиков и другие. Изготовление таких корпусов производится методом намотки соответствующих волокон (из стекла, углерода, бора), выполняющих роль несущего (силового) наполнителя, пропитанных различными смолами на специальные легкоудаляемые после намотки оправки (болванки). Преимуществами таких корпусов являются выигрыш в массе, отсутствие коррозии, меньшая теплопроводность, что позволяет уменьшить толщину теплозащитного слоя.

Используют два метода нанесения смолы на волокна: мокрый, когда связующая смола наносится непосредственно на уложенную ровницу (волокна) в процессе намотки, и сухой, когда волокна пропитываются смолой до намотки и хранятся при определенных температуре и влажности воздуха.

Методом намотки можно изготовить цилиндрические обечайки, корпуса двигателей заодно с передним днищем, сферические корпуса и отдельно днища.

Могут применяться и другие методы изготовления корпусов РДТТ, например, метод изготовления монолитного корпуса РДТТ электролитическим осаждением высокопрочного металла на подготовленные основы. Схема изготовления корпусов этим методом состоит из следующих этапов: в специальной форме отливается топливный заряд; после застывания и отверждения заряда на него накладывается теплозащитная каучуко-асбестовая прокладка; к топливному заряду присоединяется внутренняя теплозащита переднего днища и теплозащита заднего днища, выполненная заодно с теплозащитой сопла; на топливный заряд наносится защитное покрытие для предохранения его от влаги в электролите; далее на полученную таким образом заготовку наносится специальное металлическое покрытие, создающее катодную полярность полученной сборки, выполняющей роль подложки для электролитического осаждения. Далее выполняется обычная операция электролитического осаждения, например, никеля или другого высокопрочного материала, со скоростью осаждения 0,08-0,1 мм/ч. В результате получается монолитный корпус РДТТ, выполненный заодно с сопловым блоком и передним днищем. Этот метод позволяет снизить массу на 12-15%, повысить надежность и прочность корпуса двигателя, снизить стоимость изготовления за счет сокращения количества технологической оснастки, снижения или даже исключения механической обработки.

Все изготовленные корпуса РДТТ проходят гидростатические испытания на специальных стендах под давлением, на 10-15% превышающим ожидаемое максимальное давление в камере сгорания, при этом в технологии испытаний нужно учитывать, что для некоторых теплозащиты и стеклопластиков контакт с водой не допускается. Тогда вместо воды для испытаний используют воздух.

Изготовление сопел РДТТ.

Сопло РДТТ часто называют сопловым блоком. Сопловые блоки РДТТ бывают составной конструкции и простые монолитные.

Простые монолитные сопловые блоки встречаются реже. Они обычно изготавливаются из жаропрочного и тугоплавкого материала (вольфрам, молибден) методами механической обработки, осаждения из газовой фазы, электролитического осаждения, плазменным напылением с последующей механической доработкой. Такие блоки предназначаются обычно для РДТТ небольшой тяги с малым сроком работы.

Сопловые блоки составной конструкции состоят из следующих элементов: несущий внешний корпус, иногда изготовляемый из отдельных обечаек; внутренняя теплозащита, которая может состоять из нескольких частей; стыковочные шпангоуты для стыковки с элементами днища; различные герметизирующие резиновые кольца.

Несущий внешний корпус (силовая часть сопла) может быть изготовлен из металлических, композиционных или сотовых материалов. Металлический корпус сопел обладает следующими преимуществами: высокая прочность, жесткость, надежность конструкции и относительная простота изготовления. Его недостатки: возможность коррозии и окисления, большая масса. Изготовление металлических корпусов в зависимости от размеров и формы может производиться механической обработкой; раскаткой из трубчатых заготовок, получаемых вытяжкой; вальцовкой из листовых заготовок и продольной сваркой; осаждением из газовой фазы.

Композиционные (стеклопластиковые, углепластиковые, боропластиковые) корпуса сопел получаются намоткой. Преимуществами их являются высокая прочность и малая масса. В такие корпуса часто в процессе намотки заделываются металлические детали, служащие для соединения с другими элементами соплового блока.

Сотовые корпуса сопел находят применение для малонагруженных корпусов, например, для корпусов конических или профилированных раструбов (частей) крупных сопел. В местах сосредоточенных нагрузок необходимо устанавливать в процессе изготовления внутри сотовой обечайки металлические усиливающие кольца. Недостатками являются относительная сложность изготовления, более высокая стоимость и трудность контроля качества склеивания сот с обшивкой (рентгеновский и ультразвуковой контроль).

Внутренняя теплозащитная облицовка сопел РДТТ работает в условиях высоким температур, значительных давлений, эрозионного воздействия истекающей струи раскаленных газов. Конструктивно внутренняя теплозащитная облицовка состоит из отдельных кольцевых элементов (вкладышей), полученных различными способами. Наиболее тяжелонагруженными из них являются вкладыши критического сечения двигателя. Кольцевые вкладыши изготавливают механической обработкой из вольфрама, молибдена, графита, огнеупорного карбида и других материалов. Вкладыши могут также изготавливаться намоткой графитовой или других лент, пропитанных фенольной смолой. Сборка кольцевых вкладышей теплозащиты с корпусом сопла производится склеиванием в скрепленном состоянии.

Собранное сопло подвергается контролю ультразвуком и рентгеноконтролю для определения сплошности материала и целостности конструкции сопла. Точное соблюдение технологических требований и режимов на всех стадиях изготовления сопел является необходимым условием обеспечения высокого качества и надежности. На поверхность теплозащитной облицовки иногда наносят керамические жаростойкие покрытия, что позволяет уменьшить толщину теплозащиты сопла РДТТ.

Сборка и испытания РДТТ.

После изготовления всех деталей и узлов и комплектации они поступают на операцию заливки топливной массы и общую сборку РДТТ. Процесс заливки готовой топливной массы часто занимает значительное время (исчисляемое иногда десятками часов), поэтому полимеризация топлива начинается уже в процессе заливки. С целью обеспечения сплошности топлива и требований к снаряженному двигателю заливка проводится в специализированных установках с несколькими заливочными трубопроводами и специальными стержнями по особой технологии. Процесс полимеризации топлива протекает в течение 50-200 ч в зависимости от размеров двигателя. Так как при полимеризации топливный заряд может уменьшаться в размерах, в конструкции камеры предусматривается установка каучуковых прокладок в переднем днище для компенсации усадки заряда.

Проводят контроль прочности скрепления заряда с теплозащитой стенок корпуса двигателя радиографическим методом, позволяющим обнаружить зазор между теплозащитой стенок корпуса и топливным зарядом, а также контроль сплошности заряда твердого топлива (наличие трещин и раковин).

При общей сборке производится установка всех деталей и узлов двигателя. После этого устанавливается заднее днище с сопловым блоком. Установленное количество твердотопливных двигателей из партии проходит огневые испытания с контролем тяги (мощности двигателя) и с последующим определением степени эрозии (разрушение и унос поверхностного слоя) теплозащитных облицовок двигателя. Все штатные РДТТ проходят химико-термическую стерилизацию, что должно быть предусмотрено при выборе материалов и способов соединения отдельных элементов двигателя. Полностью собранные и испытанные двигатели консервируются и поступают на общую сборку РН или КА.