|
|
|
содержание .. 1 2 3 4 5 6 7 ..
1.2 ТВЕРДЫЕ РАКЕТНЫЕ ТОПЛИВА
Твердые ракетные топлива применяются в ракетных двигателях, ГГ, прямоточных и ракетно-прямоточных двигателях и гидроракетных двигателях. Их можно разделить на две группы: баллиститные (гомогенные), например, Н и НМ-2 (табл. 1.8) и смесевые (гетерогенные). Смесевые твердые топлива содержат 20…30% связующего каучукообразного или смолообразного вещества, 60…80% окислителя и до 20% алюминия; имеются также составы, содержащие компоненты баллиститных и смесевых топлив. Возможно также применение в качестве горючего гидридов легких и тяжелых металлов. В качестве окислителей обычно применяют перхлорат аммония; возможно применение других твердых солей хлорной и азотной кислот, богатых кислородом (табл. 1.9). В качестве горюче-связующего используются каучуки (полисульфидный, полиуретановый и др.), полимеры (полиэфирные, фенольные и эпоксидные смолы, полиизобутилен и др.), тяжелые нефтепродукты (асфальт, битум и др., табл. 1.10). В смесевые твердые топлива иногда добавляют также октоген и гексоген. Некоторые составы (с известной долей условности) смесевых твердых топлив США и их характеристики приведены в табл. 1.11 [18].
Обычные баллиститные и смесевые топлива не удовлетворяют требованиям,
предъявляемым к газогенераторным топливам. Поэтому разрабатывают специальные
газогенераторные составы топлив с низкой температурой горения (см. последнюю
колонку табл. 1.11), ограниченной сверху (жаропрочностью материалов
клапанов, турбинных лопаток и других элементов проточной части) и снизу
(устойчивостью горения топлива). Кроме того, ГГ иногда должны работать
длительное время, и топливо должно иметь малую скорость горения. Для
регулируемых ГГ предложен состав топлива, у которого скорость горения
уменьшается с ростом давления (
К смесевым твердым топливам можно отнести пиротехнические составы.
Пиротехнические составы применяются как наполнители воспламенительных
устройств и пироэнергодатчиков; возможно их применение и в ГГ. Основные компоненты, входящие в пиротехнические составы, можно разбить на следующие группы (табл. 1.12):
1. Окислители
– перхлорат калия KCIO 2. Горючие – металлы (алюминий, магний, цирконий, бор, титан) и сплавы (алюминиево-магневый, циркониево-никелевый), неметаллы (фосфор, углерод и сера), неорганические соединения (сульфиды, фосфиды, силициды и др.), органические соединения.
Таблица 1.9 Характеристики твердых окислителей
Таблица 1.10
3. Цементаторы (связующие) – органические полимеры, обеспечивающие механическую прочность пиротехнических составов (идитол, канифоль, эпоксидные смолы, каучуки, этилцеллюлоза). 4. Другие добавки, играющие роль ускорителей или замедлителей горения или уменьшающие чувствительность составов к трению (флегматизаторы).
Для воспламенения смесевых твердых топлив с высоким содержанием NH
В воспламенительных устройствах применяют пиротехнические составы в виде
прессованных таблеток. Плотность во многом определяется давлением
прессования и колебания в пределах 1,3…2,8 г/см
Таблица 1.12 Теплотворная способность пиротехнических составов при стехиометрическом соотношении компонентов
Скорость горения пиротехнических составов в условиях их работы в
воспламенительном устройстве при обдуве таблеток высокотемпературными
продуктами сгорания представляется в виде u=map Пиротехническими твердыми топливами называют также составы с большим количеством металлического горючего (более 50%) и солями неорганическими кислот в качестве окислителя; они предназначены для ГГ ракетно-прямоточных двигателей (РПД). Заряд смесевого ТРТ может быть выполнен в виде блока (блоков), таблеток или порошков. В качестве экспериментальных порошковообразных горючих использовали алюминий, двойной декаборан алюминия, диборид бора и циркония, полиэтилен и т.п., а в качестве окислителя – перхлорат аммония, нитрат аммония и др. Частицы имели размер от 2 до 2000 мкм. В качестве флюидизирующих газов использовались инертные (азот), окислительные (воздух, кислород) и горючие (водород, метан). Возможны следующие способы подачи псевдожидкости из бака в камеру сгорания: с помощью сжатого газа, поршня, винтового насоса и струйного насоса. Порошкообразные горючие применяются в комбинированных стендовых ГГ, позволяющих в широких пределах варьировать давление, температуру и состав продуктов сгорания с целью изучения воздействия многофазных потоков на материалы. Порошкообразным топливом является дымный ружейный порох (ДРП) с диаметром зерна 0,15…1,25 мм и крупнозернистый дымный порох (КЗДП) с диаметром зерна 5,1…10,2 мм; состав в %: нитрат калия – 74; древесный уголь – 15,6; сера – 10,4; температура горения 2600К; расходный комплекс 1200 м/с.
Плотность зерна ДРП 1,75 г/см Зависимость скорости горения от давления имеет вид
u=1,37*(p/98100) Зажигание твердого ракетного топлива происходит при воздействии: 1. потока тепловой энергии (радиационный, контактный и конвективный нагрев); 2. потока химически высокоактивных газов или жидкостей вызывающих при контакте с поверхностью твердого топлива гетерогенную экзотермическую реакцию; 3. механического удара и трения. Фактический процесс воспламенения в реальном РДТТ сложен. К числу главных трудностей при его изучении относятся проблемы определения управляющего механизма, выбора критерия воспламенения, определения химической кинетики предшествующих горению реакций, а также гетерогенный характер смесевых твердых топлив. При проведении опытов за начало воспламенения принимают: 1. первое появление пламени, регистрируемое фотографическим путем или фотоэлементом; 2. резкое изменение показаний термопары; 3. наступление уноса массы топлива.
Таблица 1.13 Механические характеристики ТРТ
Эксплуатационный свойства твердых топлив определяются их физическими, механическими (табл. 1.13), теплофизическими (табл. 1.14), химическими характеристиками, а также физико-химическими характеристиками продуктов сгорания. Наряду с энергетическими, прочностными, теплофизическими показателями твердое ракетное топливо характеризуется взрывобезопасностью, чувствительностью к удару и трению, степенью токсичности и дымности продуктов сгорания, технологичностью изготовления и снаряжения, стабильностью физических и химических характеристик во всем объеме заряда (особенно на границах) при всех условиях эксплуатации.
Таблица 1.14 Теплофизические характеристики ТРТ
1.3 СОНОВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ КОНСТРУКЦИИ
Причем в диапазоне L
Оптимальный относительный запас топлива Учет потерь скорости на преодоление сил гравитации и прохождение плотных слоев атмосферы в первом приближении приводит к соотношениям (n=2; 3):
Время работы ступени t
Для каждой ступени по известным
Таблица 1.15 Параметры ступеней многоступенчатой ракеты
_______________ *D – диаметр двигателя.
На долю двигателей приходится 80…90% массы всей твердотопливной ракеты, и конструктивные особенности РДТТ во многом определяют конструктивную схему ракеты и ее основные технические характеристики. В свою очередь, конструктивные особенности РДТТ в основном определяются (табл. 1.16): формой и принципиально-конструктивной схемой корпуса; формой заряда твердого топлива, способом его крепления в корпусе; числом и компоновкой сопел; типом и компоновкой устройств создания управляющих усилий; устройством узла отсечки тяги.
1.3.1 КОРПУС И СОПЛО РАКЕТЫ
Корпус и сопло представляет собой полую многоблочную (см. рис. 1.1) или сборную односекционную (многосекционную) оболочку цилиндрической формы, закрытую с торцев передним и задним днищами. Корпуса могут иметь и другую форму, например, шаровую, эллипсообразную. Днища выполняются монолитно с цилиндрической частью и отдельно. Внутреннее строение корпуса определяется конструкцией заряда твердого топлива.
Таблица 1.16 Характеристики различных схем РДТТ
Силовые оболочки типа «кокон» изготавливаются из композиционного материала методом спиральной намотки на оправку с выполнением днищ вместе с цилиндрической частью оболочки. Толщина оболочки корпуса в местах перехода днища в цилиндрическую часть определяется по формуле
где р
Равнопрочная цилиндрическая оболочка получается при Толщина днища в заднем месте
где Стыковочные юбки (см. рис. 1.1) изготавливаются намоткой заодно с корпусом, и в них вмотаны закладные детали фланцев. Стыковочные юбки являются частью конструкции ракеты и должны выдерживать комбинированные нагрузки: по оси (сжатие и изгиб), сдвиг и кручение. Цилиндрическая часть силовой оболочки может быть изготовлена методом продольно-поперечной намотки на оправку.
Толщина стенки оболочки корпуса
Силовые оболочки выполняются без единиц с утолщением по обоим торцам с последующей их механической обработкой для подготовки мест соединения с металлическими днищами. Металлические обечайки корпуса Подразделяются по форме на цилиндрические, конические и сферические, а по технологии изготовления – на сварные (с кольцевыми, спиральными и продольными швами) и бесшовные (раскатные и цельнотянутые).
Комбинированные обечайки корпуса представляют собой металлические обечайки,
усиленные наружной оплеткой из стеклонитей или других высокопрочных
армирующих материалов, которые выполнены с определенным натяжением,
создающим в слое оплетки до нагружения оболочки напряжения. Если оплетки
принимает на себя половину окружной нагрузки, действующей на всю
цилиндрическую обечайку, тогда отношение толщин металлической оболочки Соединения элементов конструкции обеспечиваются с помощью специальных узлов, основные требования к которым сводится к обеспечению прочности и герметичности соединений при минимальных массе и габаритных размерах применительно к каждому конкретному случаю с учетом материалов соединяемых элементов и видов нагружения. При одном и том же типе разъемного соединения возможно огромное число модификаций кольцевых уплотнений на стыке. Основным элементом уплотнений является резиновое кольцо. Размеры резиновых колец и канавок под них, а также рекомендации по применению резиновых уплотнительных колец даются в соответствующих общесоюзных и отраслевых стандартах (ГОСТ 9833-73).
В сопловом
блоке РДТТ может
содержаться различное число
сопел: одно (соосное с двигателем или повернутое относительно оси двигателя
на угол 90 Сопло может быть круглым и кольцевым (последние пока не нашли применения в РДТТ). Схема РДТТ с одним центральным соплом характеризуется наилучшими энергомассовыми характеристиками. Для сокращения длины двигателя сопло может быть уплотнено в корпус (см. рис. 1.1). В двигателях ракет, в которых РДТТ располагают в близи центра ракеты, вход в сопло выполняют в виде удлиненной трубы. Габаритные размеры сопла изменяемой геометрии в рабочем положении превышают исходные, таким является раздвижное сопло (рис. 1.3).
Рис. 1.3 Поворотное раздвижное сопло: 1 – заделка привода; 2 – привод; 3 – раздвижные части.
Многосопловая схема позволяет организовать управление ракетой и в двух плоскостях, и по крену. Однако в этом случае ухудшаются условия входа продуктов сгорания в сопло, увеличивается унос теплозащитных покрытий на входе в сопло и в раструбе. Рассмотрены также конструктивные схемы РДТТ с кольцевым соплом, подвижное центральное тело которого позволяет регулировать тягу, и с тарельчатым соплом (топливо безметалльное), Внешний участок расширяющейся части которого образован задним днищем двигателя (это же сопло с заглушенным минимальным сечением служит также передним днищем нижней ступени). Особенности сопел отсечки тяги РДТТ см. в п. 1.3.5. Материалы тепловой защиты РДТТ представляют собой искусственные изотропные и анизотропные композиции , обеспечивающие тепловую изоляцию несущей конструкции и прогнозируемый унос поверхностного слоя. С некоторой степенью условности материалы тепловой защиты можно разделить на облицовки, теплоизоляционные слои и насадки (рис.1.4). Облицовки обеспечивают заданную стойкость первого слоя тепловой защиты тракта от разрушения при взаимодействии с двухфазным рабочим телом; при этом может происходить унос материала с прогнозируемой скоростью. Теплоизоляционные слои обладают низкой проводимостью тепла, но подвержены существенному уносу уже при незначительном уровне конвекции рабочего тела.
Рис. 1.4 Тепловая защита: УУКМ – углерод-углеродные композиционные материалы; УСП – угле- и стеклопластики; ТЗМ – теплозащитные материалы; НО – неориентированные материалы; О – ориентированные материалы.
Насадки концевых
частей сопел одновременно выполняют функции и тепловой защиты, и несущей
конструкции. В зависимости от уровня воздействия обтекающего потока один и
тот же материал может выполнять как функции облицовки, так и изолятора.
Например, геометрия заряда современного РДТТ с центральным утопленным соплом
исключает возникновение больших скоростей обтекания элементов корпуса,
материалы тепловой защиты подвержены в основном нагреву излучением. Тогда
тепловую защиту корпуса выполняют из легких эластичных низкотеплопроводных материалов
на основе каучуков и резин без армировки наполнителями. А для
четырехсопловой конструкции РДТТ в качестве тепловой защиты сопловой крышки,
подверженной воздействию высокоскоростной многофазной струи из канала
заряда, служит материал, выполненный из армированных асбестом или
кремнеземной тканью материалов на фенолформальдегидных связующих, обладающих
достаточной эрозионной стойкостью и большим значением плотности (до 1800
кг/м В многослойных конструкциях теплоизоляционные слои располагают между эрозионно стойким слоем и защищаемым элементом в целях минимизации общей массы данного узла (рис. 1.5). В зависимости от уровня напряженно-деформированного состояния и температуры элементов изолятором может быть теплозащитный материал на основе каучуков, а так же низкотеплопроводный угле- и стеклопластик. Материалы герметизирующего и диффузионного слоев корпуса двигателя одновременно являются изоляторами при прогреве конструкции.
Рис. 1.5 Элементы тракта сопла: 1 – углепластик, применяемый в качестве облицовки; 2 – стеклопластик, используемый как изолятор; 3 – теплоизолятор, выполненный из ТМЗ.
Неметаллические материалы облицовок представляют собой изотропные и анизотропные композиции, состоящие из связующего (матрицы) и наполнителя. Угле- и стеклопластике имеют органическое связующее и наполнители из угольной или кремнеземной ткани. Детали тепловой защиты тракта сопла получают прессованием и намоткой. Прессованием можно получить слоистые (анизотропные) композиты. Крупногабаритные элементы тракта (раструбы сопел) получают наметкой пропитанных связующим лент наполнителя на оправки с последующим отверждением под давлением и механической обработкой. Графиты получают прессованием смеси каменноугольного пека (связующего) с нефтяным песком (наполнителем) с последующей графитизацией при Т>2400К. Пирографиты получают осаждением углерода при разложении метана на поверхность графита интервале температур 2373…2673 К, и пирографит по своим свойствам приближается к свойствам монокристалла; ему присущи резкая анизотропия и экстремальные значения теплопроводности и других характеристик. Углерод-углеродные композиционные материалы (УУКМ) имеют наполнители из углеродных и графитовых тканей и волокон (в том числе объемного плетения) и матрицу из пироуглерода. Ряд деталей получают пропиткой углеграфитового наполнителя связующим из органических смол при карбонизации заготовки, а инертной среде при температуре 1273…1373 К и уплотнении карбонизованной заготовки пироуглеродом – осаждением пленок органических веществ при температуре 1373…1473 К. Другие детали получают наметкой или выкладкой непропитанных связующим углеграфитовых лент или волокон на оправку с последующим уплотнением пироуглеродом в печи. Насадки - концевые части сопел с радиационным охлаждением – выполняют из сплавов на основе молибдена или ниобия, имеющих высокую температуру плавления и достаточные прочные свойства при равновесной температуре насадка, а так же они могут быть выполнены из УУКМ. Условием работоспособности можно принять условие не разрушения элементов конструкции, и эту крайне сложную задачу разделяют на две более простые и в ряде случаев независимые друг от друга: определение температурных полей в силовых элементах; определение напряжений и деформаций в элементах при их силовом нагружении и сравнение с допустимыми значениями при известных температурных полях. Для вкладыша, элементов устройств управления вектором тяги РДТТ, подверженных воздействию рабочего тела, ограничениями служат условия допустимого значения уноса. В некоторых случаях ограничение накладывается на допустимый разброс толщин унесенного слоя материалов.
1.3.2 ЗАРЯД ТВЕРДОГО ТОПЛИВА РАКЕТЫ
В ракетной технике используются различные формы зарядов твердого топлива (рис. 1.6, табл. 1.17): горящие главным образом по внутренним поверхностям (поверхности, горение которых надо предотвратить, покрыты бронирующим составом или защитно-крепящим слоем для скрепления заряда с корпусом); горящие почти по всем боковым поверхностям, например небронированные трубчатые шашки (рис. 1.7); горящие с торца. Заряды твердого топлива изготавливаются по технологии литья под давлением, свободного вакуумного литья и методом проходного прессования. Заряд, изготовленный методом литья, формируется либо непосредственно в корпусе РДТТ, либо в специальном каркасе, либо отдельно в специальной изложнице. Геометрия внутренней поверхности заряда формируется технологической иглой, помещенной внутри корпуса. Технологический процесс изготовления заряда включает в себя подготовку смеси порошкообразных компонентов, подготовку связующего (вакуумирование, смешение жидких элементов, приготовление смеси связующего с алюминием), приготовление топливной массы и формование заряда, полимеризацию заряда. При изготовлении зарядов методом литья под давлением используются смесители непрерывного действия. Приготовленная, в смесителе топливная масса транспортируется при помощи шнеков в изложницу или в корпус двигателя. Давление топливной массы в начале заполнения, равное 0,5…1,0 МПа, возрастает при стравливании в конце заполнения до 2…4 МПа.
Рис. 1.6 Формы зарядов твердого топлива а – многошашечный; б – телескопический; в – со звездообразным каналом; г – с колесообразным каналом; д – торцевого горения; е – цилиндрический; ж – щелевой.
При свободном литье подготовка жидких компонентов и смещение топливной массы производятся в отдельных смесителях, затем масса сливается в изложницу или корпус с предварительным созданием в нем вакуума.
Процесс полимеризации производится под давлением 3…8 МПа в зависимости от
конструкции заряда и двигателя при температуре 40…80 Заряды изготавливаются методом проходного прессования с помощью шнека, продавливающего через пресс-форму топливную массу, которая образует наружную и внутреннюю формы поперечного сечения заряда, после чего происходит отверждение заряда. Заряд, формируемый заливкой непосредственно в корпус и склеиваемый с внутренней поверхностью корпуса, называют скрепленным зарядом твердого топлива (см. рис. 1.1). Вклеиваемый заряд изготавливается предварительно и затем вклеивается в корпус двигателя. Изготовление вклеиваемого заряда осуществляется в толстостенной пресс-форме с внутренним диаметром , несколько меньшим, чем у корпуса.
Рис. 1.7 Формы поперечного сечения зарядов всестороннего горения а – одноканальные шашки; б – многоканальные; в – бесканальные.
Таблица 1.17 Характеристики зарядов различных форм
Таблица 1.18 Параметры заряда со звездообразным каналом
Заряд, изготовленный отдельно и свободно вложенный в корпус двигателя, называют вкладным (рис. 1.8). До появления смесевых топлив единственным способом снаряжения была свободная укладка зарядов в корпус двигателя. Часть поверхности заряда бронируется. Основные требования к бронирующему покрытию состоит в следующем: химическая и физическая совместимость с ТРТ и стабильность в условиях эксплуатации; хорошая адгезия к поверхности заряда; высокая эрозионная стойкость; низкая теплопроводность; низкий уровень дымообразования (в случае баллистидного топлива).
где D
Таблица 1.19 Параметры многошашечного заряда
Конструкция заряда последних ступеней баллистических ракет должна обеспечивать возможность прекращения работы двигателя в любой момент времени полета в заданном диапазоне дальностей. Необходимо, чтобы к моменту достижения скорости , соответствующей минимальной дальности, отверстия системы отсечки тяги сообщались со свободным объемом камеры сгорания РДТТ. С этой целью в заряде могут предусматриваться специальные каналы. В зависимости от эксплуатационных требований к РДТТ, формы заряда и механических свойств твердого топлива выбирается способ крепления заряда в корпусе РДТТ. Преимущество скрепленного заряда заключается в том, что отсутствует теплозащитное покрытие большей части внутренней поверхности, и это способствует увеличению плотности заполнения. Стенки корпуса частично загружены от внутреннего давления зарядом на начальном этапе работы РДТТ.В двигателе отсутствуют специальные двигатели крепления заряда. При свободной укладке заряда в корпус вводится устройство для крепления заряда в виде диафрагм (рис. 1.9), радиальных опор и кольцевых уплотнений, расположенных в зазоре между теплоизолированной стенкой корпуса двигателя и бронированной поверхностью заряда (см. рис.1.8). Система крепления заряда должна обеспечить прочную и надежную фиксацию при воздействии на заряд продольных и поперечных перегрузок и вибраций. Конструкция крепления не должна вызывать высокие локальные напряжения в заряде, которые могут нарушать его целость, вызывать местные разрушения заряда, приводящие к искажению диаграммы давления снижению полноты сгорания топлива.
Рис. 1.8 Свободновложенный заряд и узлы его крепления в корпусе: А – передний узел; Б – задний узел.
Диафрагмы предназначаются для надежного фиксирования заряда твердого топлива в корпусе и одновременно служат колосниковой решеткой, обеспечивающей лучшее горение заряда и полное догорание его частиц в камере сгорания без выброса их из двигателя. Радиальная опора для заряда твердого топлива может состоять из ряда тонкостенных опорных элементов или планок, которые расположены по окружности между зарядом и стенкой корпуса; опорные элементы упруго упираются в стенку корпуса и заряд, поддерживая последний по всей длине. Радиальная опора может быть выполнена также в виде плоских упругих полос, которые вставляются в зазор с предварительным напряжением.
Рис. 1.9 Диафрагмы: а – для крепления многошашечных зарядов; б – для крепления одношашечного заряда.
содержание .. 1 2 3 4 5 6 7 ..
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||