ЗАРЯДЫ РАКЕТНОГО ДВИГАТЕЛЯ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА. УСТРОЙСТВО. КЛАССИФИКАЦИЯ. ТЕХНИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА

Устройства зарядов ракетного двигателя твердого топлива весьма разнообразны. Они определяются требованиями, предъявляемыми к ракетным двигателям: временем работы, величиной и характером изменения тяги, характеристиками выбранного топлива. Заряд должен обеспечить заданный режим работы двигателя и ожидаемые ее результаты, что и достигается, наряду с характеристиками топлива и конструкцией аппарата, устройством заряда. На рис. 1.9 — 1.29 представлены в схематическом виде заряды РД разных свойств и назначения. Проанализируем особенности их устройства и выявим типы двигателей, в которых они применяются.

Топливные заряды бывают монолитными, сборными (составными) и секционными. Как правило, заряд представляет собой асимметричный топливный блок, продольная ось которого совпадает с осью камеры сгорания.

Монолитными (моноблочными) называются заряды, выполненные в виде одной шашки (блока). Монолитные заряды могут быть изготовлены методом прессования или литьем. Прессование заключается в том, что массу выдавливают через специальную матрицу для придания поперечному сечению шашки необходимой геометрической формы. После этого шашка подвергается отверждению при определенной температуре. Такой способ производства РТТ ограничивает получение поперечных размеров шашки величиной, определяемой максимально допустимыми размерами прессового оборудования. Прессованием получаются, главным образом, заряды РТТ баллиститного типа.

Схема РДТТ с зарядом внутреннего горения

Рис. 1.9. Схема РДТТ с зарядом внутреннего горения

нар . . , кам

Рис. 1.10. Схема РДТТ с зарядом, имеющим одноступенчатый канал

Заряды РТТ всестороннего горения

Рис. 1.11. Заряды РТТ всестороннего горения: а - одношашечный; 6 - семишашечный

Заряд с комбинированными щелями

Рис. 1.13. Заряд с комбинированными щелями

Рис. 1.12. Щелевой заряд

Щелевой заряд с профилированными торцами

Рис. 1.14. Щелевой заряд с профилированными торцами

Рис. 1.15. Секционно-секторный щелевой заряд:

7 - сектор щелевой шашки; 2 - секции; 3 - сектор цилиндрической шашки

При изготовлении зарядов методом литья поперечные размеры изделия не ограничиваются. Отливка производится либо непосредственно в камеру двигателя, либо отдельно. Необходимая форма канала заряда получается путем использования профилированных стержней (оправок), извлекаемых после полимеризации и отверждения изделия. При горении твердотопливной шашки величина поверхности горения может оставаться постоянной или изменяться. Если поверхность горения возрастает, повышается и приток газов, такое горение называется прогрессивным, если уменьшается — дегрессив-ным. Если величина поверхности остается постоянной в ходе горения, оно называется нейтральным. Характеристикой прогрессивности горения заряда является отношение площади горящей поверхности заряда S к начальной ее величине 5^. Если отношение Sr/SQ в процессе горения возрастает, заряд горит прогрессивно. Чем больше повышается отношение, тем прогрессивнее горение, и наоборот. Характеристикой нейтрального горения является равенство Sr = SQ. Как общую закономерность можно отметить, что прогрессивным свойством обладают одно-, многоканальные и щелевые заряды, горящие только по поверхности внутренних каналов. Они обычно применяются для стартовых двигателей и ускорителей.

Дегрессивно горят заряды, оголенные только по наружной поверхности. Они находят применение в РДТТ, которые должны обеспечивать постоянное ускорение ракеты на активном участке траектории. Такие зарядные шашки используют в составных комбинированных зарядах наряду с прогрессивными для частичной или полной компенсации прогрессивности второй части заряда. Это бывает необходимым для заряда с определенной интенсивностью газообразования или для изменения ее по запрограммированному закону. Такие заряды могут применяться в маршевых РДТТ для получения определенных динамических характеристик ракеты на траектории.

На степень прогрессивности горения заряда можно влиять несколькими способами. Одним из способов является применение бронирующих покрытий, исключающих горение по покрытой поверхности. Варьируя бронирующим покрытием, можно получить совершенно различную прогрессивность горения шашки одной и той же геометрической формы. В качестве бронирующего состава применяется ацетат- или этилцеллюлоза для зарядов РТТ баллиститно-го типа. К зарядам из полимерных топлив на полисульфидном горючем для бронирования используется синтетический каучук в смеси с газовой сажей, пластификаторами и вулканизаторами. Такая смесь раскатывается на листы, которые вулканизируются под давлением вместе с зарядом при повышенной температуре. Наряду с постоянной прогрессивностью, могут быть заряды переменной прогрессивности.

Варьировать интенсивность газообразования можно подбором топлив с различными скоростями горения и соответствующим размещением их в монолитном послойном заряде. Скорость горения топлива в зарядах такого типа является дополнительным фактором, расширяющим возможности обеспечения требуемого характера горения заряда. Получение зарядов подобного типа практически возможно лишь в случае применения полимерных топлив. Можно выделить два варианта зарядов такой конструкции.

В первом варианте (см. рис. 1.18, 1.19) поверхность раздела топлив с различной скоростью горения совпадает в определенный момент времени с горящей поверхностью. В этом случае процесс делится на периоды горения одного из топлив в послойном заряде. Продолжительность каждого из периодов зависит от скорости горения данного топлива и толщины его свода. Заряды такого типа находят применение в однокамерных двухрежимных двигателях. Прогрессивность горения такого заряда зависит от формы внутреннего канала, а момент ее изменения — от толщины свода топлива, сгорающего первым.

Второй вариант обычно применяется для получения нейтрального горения в заряде из двух одновременно горящих топлив. В этом случае поверхность раздела двух топлив никогда не совпадает с поверхностью горения. Текущее соотношение их поверхностей горения регулируется профилем поверхности раздела (см. рис. 1.20).

Такой заряд позволяет получить требуемый закон изменения поверхности горения при любой относительной толщине горящего свода. В этом случае возможно обеспечить нейтральное горение зарядов, используемых в РДТТ с большой продолжительностью работы. Кроме того, подбором профиля поверхности раздела топлив можно добиться того, чтобы поверхность горения в конце работы совпала с внутренней поверхностью камеры, т.е. избежать образования дегрессивного остатка топлива.

На рис. 1.21 показан концентрический заряд с фигурным каналом, горящий с переменной прогрессивностью. Он состоит из двух концентрических слоев РТТ, имеющих разную скорость горения. В начальный период работы двигателя заряд с данной формой канала обеспечивает высокое давление газов и высокую стартовую тягу. Затем следует участок маршевой тяги, к концу которого фронт горения достигает слоя быстрогорящего топлива, в результате чего обеспечивается резкое возрастание интенсивности газообразования, давления газов и, следовательно, тяги.

На практике чаще требуется только две ступени тяги. Такую работу двигателя обеспечивают заряды торцевого двухрежимного горения, которые схематически изображены на рис. 1.22, 1.23.

Типичные кривые изменения рабочих характеристик для ракетного двигателя приведены на рис. 1.24.

Щелевой заряд с профилированным торцом полой шашки

Рис. 1.16. Щелевой заряд с профилированным торцом полой шашки

L

пш

г

Типичные формы торцов полых шашек щелевого заряда

Рис. 1.17. Типичные формы торцов полых шашек щелевого заряда

Заряд двухкамерного двухрежимного РДТТ со ступенчатым

Рис. 1.18. Заряд двухкамерного двухрежимного РДТТ со ступенчатым

изменением тяги

Тяга

Двухшашечный тандемный заряд из двух РТТ с разной скоростью горения

Рис. 1.20. Двухшашечный тандемный заряд из двух РТТ с разной скоростью горения

Концентрический скрепленный с камерой заряд из двух слоев топлива с разной скоростью горения

Рис. 1.19. Концентрический скрепленный с камерой заряд из двух слоев топлива с разной скоростью горения

Концентрический двухслойный заряд с фигурным

Рис. 1.21. Концентрический двухслойный заряд с фигурным

каналом

Заряд, горящий с торца и обеспечивающий ступенчатую тягу для двухрежимного двигателя

Рис. 1.22. Заряд, горящий с торца и обеспечивающий ступенчатую тягу для двухрежимного двигателя

Заряд, горящий с торца и состоящий из двух марок топлива для двухрежимного двигателя

Рис. 1.23. Заряд, горящий с торца и состоящий из двух марок топлива для двухрежимного двигателя

Кривые p-t и F-t при работе РД с зарядом торцевого горения

Рис. 1.24. Кривые p-t и F-t при работе РД с зарядом торцевого горения

из двух РТТ, горящих с разными скоростями:

F - тяга двигателя; Р - давление газов

Заряды, горящие по торцу, представляют собой монолитную шашку РТТ цилиндрической или конической формы, боковая поверхность и один торец которой забронированы. Горение осуществляется на поверхности одного торца. Заряды, горящие по торцу, и процесс их горения имеют следующие особенности:

  • • при цилиндрической форме заряда площадь горящей поверхности постоянна;
  • • продукты горения торцевого заряда оттекают от горящей поверхности в перпендикулярном ей направлении. Скорость движения образовавшихся продуктов горения в камере в сторону сопла постоянна и достигает нескольких метров в секунду;
  • • плотность заполнения камеры топливом при заряде, горящем по торцу, значительно больше, чем при других типах зарядов, что позволяет получить при одинаковых размерах камеры сгорания РД больший импульс тяги.

Заряды, горящие по торцевой поверхности, могут применяться для маршевых двигателей ракет, а также для различного рода вспомогательных специальных устройств типа аккумуляторов давления, для рулевых двигателей и др. При ограниченном калибре заряд комплектуется с целью увеличения тяги рулевых двигателей из двух шашек, горящих по торцам, а сопловой блок располагается посередине двигателя перпендикулярно его продольной оси (см. рис. 1.25). Заряду, горящему по торцу, можно придать форму, обусловливающую как прогрессивную, так и дегрессивную поверхность горения (см. рис. 1.26).

Заряд, горящий с двух

Рис. 1.25. Заряд, горящий с двух

торцов

Торцевые заряды с непостоянной поверхностью горения

Рис. 1.26. Торцевые заряды с непостоянной поверхностью горения:

а - дегрессивная поверхность горения; б - прогрессивная поверхность горения

Составными (сборными) называются заряды, состоящие из двух или более шашек, размещенных в одной камере сгорания. В таких зарядах поверхность горения, а вместе с ней и интенсивность газообразования можно регулировать соответствующим подбором шашек в заряде. Степень интенсивности газообразования в таком случае определяется количеством шашек различной прогрессивности горения в заряде. Этот метод позволяет получать заряды с различной степенью интенсивности в очень широком диапазоне, так как на прогрессивность горения в этом случае можно влиять не только геометрической формой поперечного сечения шашек, но и соотношением числа шашек той или иной формы в заряде, а также применением бронирующих покрытий. Составные заряды обычно применяются для маршевых двигателей.

На рис. 1.27 показан РДТТ с типичным составным многошашечным зарядом, состоящим из семи цилиндрических шашек.

Обычно многошашечные заряды применяются в случаях, когда время работы двигателя ограничено, при этом необходимо получить большой удельный секундный расход рабочего тела:

РДТТ с 7-шашечным составным зарядом

Рис. 1.27. РДТТ с 7-шашечным составным зарядом:

1 - воспламенитель;2 - изоляция; 3 - камера; 4 - диафрагма; 5 - уплотнение; 6 - сопло; 7- вкладыш в критическом сечении; 8 - заряд; 9 - узел соединения

с боевой частью

- cp2^i Pq

$ruPVPVTT

(1.15)

кр

где Ax =(p(k)/^kR0T0 .

При многошашечном заряде диаметр камеры РД зависит от количества шашек п и может быть в 20—30 раз больше толщины горящего свода шашки. Многошашечные заряды обычно применяются в стартовых двигателях, в двигателях неуправляемых ракет и в некоторых других случаях (запасные устройства, пусковые двигатели, ПАД). При небольшом времени работы двигателей с многошашечными зарядами (доли секунды) увеличивается кучность попадания неуправляемых ракет, обусловленная большой скоростью схода с направляющих пусковой установки.

С увеличением числа шашек в заряде коэффициент заполнения поперечного сечения камеры изменяется скачкообразно (знакопеременно). Например, у 7-шашечного заряда величина es больше, чем у 6-, 5-, 4-шашечных зарядов, но меньше, чем у 8- и 9-шашечных.

Горение многошашечных зарядов происходит по всем их наружным и внутренним поверхностям (в случае незабронированных торцов). При этом продукты горения интенсивно нагревают стенки камеры, что приводит к относительно большим потерям тепла. Кроме того, применение таких зарядов вызывает необходимость в опорных диафрагмах или колосниковых решетках, что усложняет конструкцию заряда и увеличивает пассивную массу двигателя.

В современных конструкциях зарядов РТТ стремятся предохранить стенки камеры сгорания РД от нагрева с помощью самого топлива. К зарядам такого типа относятся, например, телескопические заряды (см. рис. 1.28). Исключение нагрева стенок камеры позволяет значительно облегчить ее конструкцию уменьшением толщины стенок, при этом прочность реализуется за счет холодного металла.

Особенности устройства телескопических зарядов и их горения следующие:

  • • внутренний диаметр камеры РДТТ всегда больше четырех толщин свода шашек: dKaM >4е- 4u-tn, где и — скорость горения топлива, tn — полное время горения топливной шашки;
  • • вся основная внутренняя поверхность камеры двигателя теплоизолирована топливом наружной шашки заряда в продолжение всего времени работы двигателя;
  • • если наружная и внутренняя (центральная) шашки имеют одинаковую длину /ш, закон изменения площади поверхности горения будет нейтральным при бронированных торцах и дегрессивным при небронированных торцах;
  • • если наружная шашка короче центральной, то в процессе горения заряда его поверхность будет уменьшаться; и наоборот, если наруж-

ная шашка будет длиннее центральной, заряд будет гореть прогрессивно. С целью предохранения от механических повреждений и для улучшения внутрикамерных процессов центральная шашка обычно закрепляется в камере.

Способы крепления телескопических зарядов показаны на рис. 1.29:

  • а) центральная шашка скрепляется с наружной сухарями, изготовленными из того же РТТ и прикрепленными к шашкам; центральная шашка может быть изготовлена с выступами;
  • б) центральная шашка крепится к камере с помощью центрального стержня из малотеплопроводного материала;
  • в) центральная шашка с бронированными торцами крепится к переднему и задним днищам с помощью коротких трубчатых кронштейнов; передний кронштейн может быть использован в качестве корпуса воспламенителя.

Одним из видов секционных зарядов является секционно-секторный шелевой заряд (см. рис. 1.15). Секционные, а также модульные заряды нашли широкое применение в крупногабаритных РДТТ. Изготовление зарядов из секций и модулей (частей зарядов) упрощает производство и обнаружение брака, позволяет облегчить перевозку крупногабаритных ракет и зарядов к ним, транспортируя их отдельными секциями.

Важнейшими характеристиками РДТТ являются их энергетические, весовые и конструктивные показатели. Применение более эффективных и разнообразных (по энергетическим, баллистическим, конструктивным, прочностным показателям) РТТ рассматривается как

/

Ni

Г7=т

/

L

-<-

Схемы крепления центральной шашки телескопического заряда

Рис. 1.29. Схемы крепления центральной шашки телескопического заряда:

Рис. 1.28. Схема телескопического

заряда

а - на сухарях; б- с помощью стержня; в - с помощью кронштейна

решающий фактор прогрессивного развития РДТТ. При проектировании РТТ наибольшее распространение получают полимерные топлива на основе полисульфидного каучука, полибутадиена и полиуретана со значительным (до 15—30%) содержанием порошкообразных металлов.

В настоящее время в качестве присадок в полимерных РТТ применяются порошкообразные алюминий, бериллий, которые обеспечивают получение топлива с удельным импульсом до 3000 Н • с/кг. Важной характеристикой РТТ является скорость его горения. В частности, повышение скорости горения очень важно для ракет с РТТ, которые должны иметь высокие ускорения. Примером таких ракет могут служить противоракеты ПРО и ракеты СББ. Известно, например, что американская противоракета «Спринт», имеющая ЖРД, способна развивать ускорение до 100 единиц ускорения силы тяжести. В настоящее время требуются ракеты с ускорением до 1000 g. Наряду с повышением скорости горения, с целью достижения больших ускорений отрабатываются заряды с большой площадью поверхности горения за счет соответствующей геометрической формы топливной шашки.

Заряды из РТТ можно классифицировать по расположению горящей поверхности относительно продольной оси. При этом определяются три типа зарядов. Основные формы разных типов зарядов из РТТ показаны на рис. 1.30.

I. Заряды, в которых горящие поверхности расположены непараллельно продольной оси двигателя, например заряды торцевого горения. Заряды, горящие по торцу, в основном применяются в двигателях с низкой тягой, низкими рабочими характеристиками и длительным временем работы.

Двигатели с такими зарядами имеют большой диаметр камеры, значительную пассивную массу (из-за интенсивного нагрева стенок камеры).

II. Заряды, горящие поверхности которых расположены параллельно продольной оси двигателя. При таких зарядах полностью исключается или, наоборот, имеет место обтекание продуктами горения стенок камеры. К этой группе относятся одношашечные и многошашечные заряды с бронированными торцами, телескопические заряды с бронированными торцами и заряды с профильным каналом и бронированными торцами. Иногда к этой группе относят перечисленные выше заряды с небронированными торцами, если площадь поверхности торца мала по сравнению с площадью боковой поверхности. Заряды этой группы разнообразны по форме и могут обеспечить при работе двигателя постоянную поверхность горения, а также прогрессивное или дегрессивное ее изменение во времени.

Форма заряда

Классификация зарядов РДТТ

Рис. 1.30. Классификация зарядов РДТТ:

/ - заряды первого класса: а - торцевого горения;

//-заряды второго класса (всестороннего горения): 6- крестообразный, в - одношашечный, г - многошашечный, д - телескопический (внутреннего горения); е - звездообразный, ж - «вагонное» колесо; з - модернизированное «вагонное» колесо; и - многоканальный;

III - заряды третьего класса (внутреннего горения с разной толщиной свода по длине): к - щелевой; л - цилиндроконический; м - сфероцилиндрический

III. Заряды, в которых горящие поверхности частично непараллельны продольной оси двигателя. В большинстве случаев такие заряды допускают обтекание стенок камеры продуктами горения топлива. К этой группе относятся заряды: щелевые, с профилированными торцами и др.

Можно также классифицировать заряды с точки зрения теплового воздействия продуктов горения топлива на стенки камеры. Первая классификация удобна для расчета заряда, вторая дает представление о влиянии формы заряда на нагрев стенок камеры сгорания РДТТ. На практике выбор формы заряда часто зависит именно от теплового взаимодействия продуктов горения топлива со стенками камеры, и поэтому наряду с первой классификацией различают три группы зарядов:

  • 1) заряды, форма которых допускает обтекание продуктами горения всей поверхности камеры сгорания (рис. 1.30, в, г);
  • 2) заряды внутреннего горения с формой, исключающей обтекание продуктами горения поверхности камеры до конца горения (рис. 1.30, д—и, л, л/);
  • 3) комбинированные заряды с формой, обусловливающей частичное обтекание стенок камеры сгорания продуктами горения (рис. 1.30, а, б, к).

Заряды первой группы широко распространены в ракетной технике. Они применяются в двигателях с небольшим временем работы, так как при малых значениях Граб даже при наличии тонкого слоя теплоизоляции стенки камеры иногда не успевают прогреться до высокой температуры и не теряют прочности. Эти заряды очень разнообразны по форме и могут иметь постоянную площадь поверхности горения, а также прогрессивное и дегрессивное ее изменение во времени.

Общим недостатком зарядов этой группы является вероятность сильного нагрева стенок камеры в процессе работы двигателя, что обусловливает необходимость теплоизоляции внутренней поверхности камеры. В связи с этим масса конструкции двигателя с такими зарядами получается увеличенной, что делает невозможным их применение в РДТТ дальнего действия. Двигатели с зарядами этого типа имеют большие тепловые потери, уменьшающие удельный импульс Jy (. К перечисленным техническим недостаткам рассмотренного типа зарядов следует добавить, что они к концу работы двигателя часто разрушаются на куски несгоревшего топлива, которые выбрасываются газовым потоком через сопло. Эго вызывает дополнительные энергетические потери.

Заряды второй группы — заряды с внутренней поверхностью горения. Если заряд скреплен со стенкой камеры, то топливо является естественной теплоизоляцией стенок камеры. В этом случае нет необходимости в применении теплоизоляционных покрытии, материал стенок будет работать при невысоких температурах и, следовательно, без потери прочности. Недостатки таких зарядов следующие:

  • • необходимость бронирования поверхности шашек, соприкасающейся со стенками камеры, в случае применения РТТ баллис-титного типа;
  • • необходимость при скрепленных с камерой зарядах прокладки негорящих эластичных прослоек между топливом и стенкой камеры для компенсации разности их деформации при изменении температуры окружающей среды. Часто такие эластичные прослойки трудно подобрать, и приходится делать так называемый скользящий заряд. В этом случае между стенками камеры, покрытыми теплоизоляционным слоем, и забронированной поверхностью заряда оставляют зазор, для того чтобы заряд не испытывал напряжений от воздействия стенок камеры при изменении температуры. В зазор могут поступать продукты горения топлива, что обеспечивает выравнивание давления с наружной и внутренней поверхностей заряда. Из-за сложной формы канала усложняется технология изготовления таких зарядов;
  • • при горении зарядов часто к концу работы двигателя уменьшается поверхность горения. При этом остатки топлива догорают при низком давлении, падение которого растянуто во времени, резко падает тяга, возникают непроизводительные потери. В тех случаях, когда некоторые элементы заряда горят по двум противоположным поверхностям (см. рис. 1.30, ж, з), к концу горения заряды разрушаются, что приводит к выбросу кусков топлива через сопло, а иногда и к «выскоку» давления, вызванному увеличением поверхности горения при разрушении. В некоторых случаях целесообразно делать заряды с переменной по толщине свода длиной (см. рис. 1.30, к, л, м). Такой заряд с внутренней поверхностью горения лучше заполняет камеру. Технологически он легко получается при снаряжении камеры методом заливки. Если заряд изготавливается методом прессования, то переменную по толщине свода часть его длины можно получить механической доработкой.

К третьей группе относятся комбинированные заряды. Они занимают промежуточное место между зарядами, горящими по всей боковой поверхности, и зарядами, горящими по внутренней поверхности. Часть поверхности камеры при таких зарядах обтекается продуктами горения топлива. Она обычно увеличивается со временем, но редко достигает к концу горения половины полной внутренней поверхности камеры. При конструировании зарядов такого типа стремятся сделать поверхность камеры такой, чтобы нагрев продуктами горения был как можно меньше.

 
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ     След >