3.Механические характеристики трт

Одними из основных механических характеристик ТРТ являются характеристики формы(L,D,dвн(к),lотн,Sг, Δ=Vз/Vк) и массы.

В ракетном двигателе, работающем на твердом топливе, топливо целиком

расположено в камере сгорания в виде одного или нескольких блоков

определенной формы, которые называются зарядами или шашками. Заряды

удерживаются стенками камеры или специальными решетками, называемые

диафрагмами.

Очень важна геометрическая форма заряда. Изменяя ее и используя бронирующие покрытия поверхностей заряда, которые не должны гореть, добиваются нужного изменения площади горения и соответственно давления газов в камере и тяги двигателя.

Есть заряды, обеспечивающие нейтральное горение, у них площадь горения

остается неизменной. Так получается, если шашка твердого топлива горит с

торца или же одновременно с наружной и внутренней поверхности (для этого

внутри заряда делается полость). При регрессивном горении поверхность горения

уменьшается. Так получается, если цилиндрическая шашка горит с наружной

поверхности. И, наконец, для прогрессивного горения, которое обеспечивает

увеличение давления в камере сгорания, нужно нарастание площади горения.

Простым примером такого заряда служит шашка, горящая по внутренней

цилиндрической поверхности.

Форма внутренней поверхности бывает разной. Самый простой вариант это заряд с цилиндрическим каналом имеющий Δ =0,84,более сложные варианты: со звездочным каналоим и канально-щелевые они имеют Δ =0,89 и последний вариант имеющий самую высокую Δ это заряд с кольцевой проточкой, у него Δ =0,92.

Важной характеристикой является не только форма заряда,о и способ расположения в двигателе. По способу крепления заряды РДТТ разделяют на прочноскрепленные и вкладные.

Прочноскрепленные с корпусом РДТТ конструкции применяются в основном для получения зарядов, изготовленных из смесевых топлив. Форма заряда организуется в процессе заливки жидкой неполимеризованной смеси компонентов топлива во внутрикамерный объем. При таком способе изготовления заряда отсутствует зазор между внутренней стенкой корпуса двигателя и наружной поверхностью топливного заряда. Такая конструкция заряда не требует применения узлов крепления, а в случаях, когда до конца работы двигателя фронт пламени не достигнет наружного диаметра топливного заряда и теплозащитных покрытий.

Двигатели с прочноскрепленным зарядом обладают следующими преимуществами:

- Более эффективно используется объем КС при заполнении топливом.

- Более простая технология изготовления

-Возможность применения более простого теплозащитного покрытия стенок КС, т к в процессе работы двигателя раскаленные газы не контактируют непосредственно со стенками КС.

- Возможность снизить толщину стенки КС, так как часть нагрузки воспринимается самим зарядом топлива.

Двигатели с вкладным зарядом обладают следующими недостатками:

- Наличие дополнительных устройств, фиксирующих заряд.

- Низкий коэффициент заполнения.

- Контакт горячих газов со стенками камеры сгорания.

К достоинствам двигателей с вкладным зарядом относятся:

- Возможность контроля заряда при хранении.

- Возможность замены заряда при повреждении.

Кроме того тебования к механическим свойствам ТРТ определяются условиями эксплуатации и боевого применения РДТТ: хранение горизонтальное или вертикальное, нахождение ракеты на подвижной пусковой установке или в шахте, полет заряда при работающем или неработающем двигателе.

Один из критериев возможности применения топлив в конкретной конструкции РДТТ - накопление повреждений, или длительная прочность, что позволяет определить запас прочности и установить основные нормы требований к механическим характеристикам топлив.

Важными характеристиками механических свойств ТРТ являются прочность, деформируемость и упругость.

Прочность характеризуется:

1.Предельным (разрушающим) напряжением при растяжении (σ_р) и сжатии (σ_сж);

2.Удельной ударной вязкостью (a_к), характеризующей прочность при действии динамических нагрузок;

3.Долговечностью - временем, прошедшим от начала действия деформирующей силы до разрушения (τ_р);

Деформируемость характеризуется:

1.Предельной относительной деформацией при растяжении (ε_р) и сжатии (ε_сж );

2.Относительной поперечной деформацией - коэффициентом Пуассона (μ);

3.Ползучестью - величиной кажущейся остаточной деформации. Ползучесть оценивают условным модулем - модулем ползучести или обратной величиной.

Упругость оценивают модулем упругости Е, если характер взаимосвязи σ и ε упругий.

В зависимости от состава ТРТ могут быть достаточно прочными(σ_р = 5,0…15,0 МПа), но мало деформируемыми (ε_р = 5…15%) как, например, баллиститные ТРТ. Из них, как правило, изготавливают вкладные заряды. Смесевые ТРТ характеризуются высокой эластичностью (ε_р =30…50%), но сравнительно низкой прочностью (σ_р ≈ 0,5 МПа). Применяются преимущественно для зарядов, прочно скрепленных с корпусом двигателя.

Механические свойства ТРТ зависят от температуры и скорости деформирования. При низких (отрицательных) температурах топлива становятся хрупкими, а при повышенных - они подвержены пластической текучести (ползучести). В зависимости от механических свойств и размеров зарядов устанавливают допустимые пределы изменения температуры при хранении снаряженных двигателей. В отдельных случаях эти пределы могут быть достаточно узкими и эксплуатировать РДТТ (ракеты) возможно только в специальных контейнерах с постоянным температурно-влажностным режимом.

В процессе эксплуатации и боевого применения на заряды ТРТ действуют различного рода нагрузки, способные привести к их разрушению или изменениям характеристик РДТТ сверх допустимых. Это прежде всего температурные нагрузки, массовые силы и внутрикамерное давление.

Температурные нагрузки обусловлены наличием температурной и полимеризационной усадки СТРТ или резкоизменяющимся по своду и длине заряда температурным полем. Для скрепленных с корпусом зарядов температурные напряжения обусловлены различием (примерно на один-два десятичных порядка) и температурных коэффициентах линейного расширения топлива и материала корпуса двигателя.

Значительные температурные напряжения могут возникать в результате аэродинамического нагрева (до 200…250°С), при ударах (до 350…400С°С), а также при существенном отклонении температуры эксплуатации скрепленных зарядов от технологической равновесной температуры (Т_р). За равновесную температуру условно принимают среднеобъемную температуру заряда, при которой отсутствуют напряжения на границе "топливо-корпус". Наибольшую опасность представляет охлаждение заряда до Т<Т_р. Скрепленный заряд в этом случае стремится оторваться от стенок корпуса и в нем возникают растягивающие напряжения; максимальные напряжения - на внутренней поверхности канала цилиндрического заряда. При этом чем больше отличается температура заряда от равновесного значения, тем больше напряжения на канале. Величина напряжения зависит также от относительной толщины горящего свода ,

где R₃- наружный радиус, r_k- радиус канала, или от геометрического параметра

Во вкладном канально-цилиндрическом заряде при изменении температуры возникают радиальные и тангенциальные термические напряжения. Охлаждение приводит к появлению сжимающих напряжений на внутренней и растягивающих – на внешней поверхностях, а нагрев - к противоположному результату. Максимальные напряжения имеют место на внутренней поверхности заряда.

Таким образом, при соответствующих термических напряжениях (деформациях), возникающих в зарядах, механические свойства ТРТ могут ограничивать диаметр канала заряда (толщину горящего свода), а следовательно, массовую долю топлива в двигателе и ухудшать массовое совершенство РДТТ.

Напряжения под действием массовых сил и давления. К массовым силам относят силы тяжести и инерции. Результат действия этих сил зависит от способа крепления заряда в корпусе двигателя.

Вкладной небронированный заряд, опирающийся торцом на решетку у сопла, во время работы двигателя оказывается сжатым в осевом напряжении инерционными силами. В результате действия ускорений и перепадов давления в камере сгорания заряд может деформироваться, вследствие чего поперечные размеры его могут увеличиться, а свободная площадь поперечного сечения – уменьшиться (рис.1).

Рис.1. Схема деформирования вкладного заряда

при действии осевых перегрузок

Величина и характер таких деформаций зависят от механических характеристик топлива, прежде всего от модуля упругости. При некотором значении E<Emin равновесное истечение продуктов сгорания невозможно, так как газоприход превосходит газорасход вследствие уменьшения свободной площади поперечного сечения.

Действие массовых сил на заряд, скрепленный с корпусом, может приводить в основном к двум типам повреждений: при поперечной нагрузке - к осадке заряда и сужению канала, а при продольной нагрузке - к отслаиванию или разрушению заряда.

При нахождении ракеты длительное время в вертикальном положении, например в шахтной пусковой установке, под действием сил тяжести в заряде возникает сложное напряженно-деформированное состояние. Наряду с растягивающими и сжимающими напряжениями, эпюры которых схематично показаны на рис.2.(а), также возникают сдвиговые напряжения, максимальные значения которых реализуются на границе скрепления с корпусом и зависят от массогабаритных характеристик заряда. Возникающее при этом вертикальное перемещение заряда зависит, кроме того, от механических свойств топлива. Если топливо считать упругим материалом, то перемещение (в соответствии со схемой рис.2.(б,в)) определяется зависимостью:

В процессе длительного хранения перемещение, зависящее от механических характеристик топлива, может превзойти допустимую величину, что приведет к недопустимому изменению формы заряда и соответственно внутрибаллистических

характеристик двигателя.

Рис.2. Схема оценки параметров напряженно-деформированного

состояния скрепленного заряда:

а) эпюра контактных нормальных напряжений;

б), в) расчетная схема сдвиговых напряжений.

Опасными являются длительные инерционные перегрузки для зарядов верхних ступеней, которые подвергаются длительным воздействиям ускорений и при работе двигателей нижних ступеней не нагружены внутрикамерным давлением. В этом случае возможно появление такой деформации, которая может вызвать перекрытие критического сечения сопла или изменение площади канала у соплового торца заряда, что вызовет изменение тяги двигателя.

Если корпус жесткий, а заряд имеет относительную толщину свода, равную 0,5, то можно ожидать относительного изменения радиуса канала порядка

где n - величина ускорения в единицах g.

Относительное изменение площади канала у торца может составлять

Рис.3. Схема двигателя (а), действующие в заряде напряжения (б), давление в камере двигателя (в) и распределение параметров напряженного состояния по своду заряда и их изменение во времени (г, д, е)

Весьма опасным является нагружение заряда, скрепленного с корпусом, внутрикамерным давлением продуктов сгорания при запуске двигателя (рис.3. а, б, в). При этом на поверхности канала заряда возникают значительные напряжения и соответствующие деформации, зависящие от механических (E, μ) и

геометрических характеристик заряда.

Из-за появлении материалом СТТ свойств ползучести и релаксации напряженно-деформированное состояние в заряде с течением времени изменяется (рис.3. г, д, е). При r_К → 0 σ_φ →∞, что недопустимо для эластичных и мягких топлив, используемых в зарядах, скрепленных с корпусом двигателя.

Большие растягивающие напряжения и деформации возникают в вершинах щелей заряда, при пуске РДТТ (рис.4). Для избежания больших напряжений, превосходящих прочность топлива, как показывают расчеты, заряд должен иметь

отношение .Таким образом, при заданном давлении, фиксированных механических характеристиках топлива и корпуса двигателя величина R3/rk характеризующая степень заполнения корпуса двигателя топливом и соответственно массовую долю топлива, не может быть произвольной. Эта величина должна быть не меньше того значения, при котором деформация на канале заряда достигнет предельного значения для топлива, из которого

изготовлен заряд.

Таким образом, и в условиях нагружения заряда внутрикамерным давлением, как и при действии температурных нагрузок и массовых сил, механические свойства топлива определяют массогабаритные характеристики заряда,

коэффициент массового совершенства двигателя и характеристики ракет. Оценочные расчеты показывают, что снижение относительной деформации топлива по абсолютной величине на 10% (с 30 до 20%) приводит к уменьшению массы заряда на 4…5%, что снижает дальность полета или массу полезной нагрузки при работе ДУ первых ступеней - на 3,5…4,5%, вторых ступеней - на 1,7…2,3% и третьих ступеней - на 1,0…1,5%.

Рис.4. Схема деформирования поверхности канально-щелевого

заряда при действии внутреннего давления

Рассмотренный характер взаимосвязи свойств топлива, РДТТ и ракеты в целом предопределил необходимость разработки критерия механической эффективности РТТ. В качестве такого критерия предложено соотношение

, или где где σ_и , ε_и - эквивалентные напряжения и деформация на поверхности канала заряда; σ_пр и ε_пр - их предельные значения. По своей сущности этот критерий учитывает как механические, так и геометрические характеристики заряда и связи с его напряженно-деформированным состоянием на наиболее ответственной этапе функционирования, в частности запуске РДТТ. Величина критерия определяется в результате решения обратной задачи Ламе применительно к толстостенному цилиндру в оболочке.