Проектирование и отработка ракетных двигателей на твердом топливе

симости от направления прокатки листа. Кроме того, величина концентрации зависит от толщины детали, чем она толще, тем больше величина концентрации напряжений. В месте сварки происходит ослабление шва. Прочность металла в этом месте может колебаться в пределах от 0,65 до 0,9 от прочности основного металла. Это надо учитывать при проектировании, увеличивая толщину металла в месте сварки, хотя это нежелательно, поскольку ухудшается технологичность конструкции. Характеристики некоторых сталей приведены в табл. 4.4 [6].

Из сталей обычно изготавливают обечайки, днища, шпангоуты, фланцы, крепежные детали.

Титан применяется в конструкции РДТТ только в виде сплавов, у которых очень высокая удельная прочность (до 30 103 м против (16…24) 103 у высокопрочных сталей). Титан жаропрочен, по химической стойкости он примерно соответствует платине, устойчив к воздействию морской воды и агрессивных сред. Применяется в виде сплавов, которые легируются алюминием, кремнием, железом, медью, марганцем, молибденом, ванадием. Предел прочности у сплавов σâ = 800 1500 МПа. Эти материалы очень хо-

рошо работают от сверхнизких температур до 600 °С. Они

151

хорошо обрабатываются резанием, свариваются, льются, но стоят примерно в 5 раз дороже нержавеющих сталей. У сплавов титана низкий коэффициент линейного расширения – приблизительно в 3 раза меньше, чем у сталей, и небольшая удельная жесткость (2,5…3,0) 106 м. Характеристики титановых сплавов приведены в табл. 4.5 [6]. Применяются эти сплавы для изготовления обечаек, днищ, шпангоутов и сопел РДТТ.

Алюминий имеет небольшую плотность (2700 кг/м3), обладает высокой пластичностью, но имеет очень низкую прочность (40…80 МПа). В чистом виде практически не используется (применяются тонкие алюминиевые листы при изготовлении футляров воспламенителей). При легировании алюминий имеет предел прочности от 300 до 700 МПа, но большинство алюминиевых сплавов теряют прочность при 120 °С (а у стали модуль начинает уменьшаться только при 300 °С). Сплавы легируются магнием, марганцем. Наиболее применяемые – деформируемые, тер-

152

мически упрочненные сплавы. Например, сплав Д16 хорошо обрабатывается, сваривается, предел его прочности 420 МПа. Высокопрочные сплавы алюминия В94, В95, В96 имеют предел прочности от 680 до 750 МПа, теряют прочность при 180 °С. При обработке давлением применяют деформируемые сплавы АК6, АВ с пределом прочности 420 МПа. Для холодной штамповки применяются сплавы АМц, АМг. Литейные сплавы алюминия легируются кремнием – Ал2, Ал4, Ал9 (предел прочности 300 МПа), однако имеют низкую теплостойкость. Для увеличения теплостойкости алюминий легируют железом, никелем, титаном (АК4), медью (Д20, Д21), магнием (Д19). Легирование бериллием увеличивает модуль упругости в 1,5 2 раза. Очень высокие температуры выдерживают специальные порошковые композиты (АП – спеченный алюминиевый порошок; АС – спеченные алюминиевые сплавы). Некоторые характеристики алюминиевых сплавов приведены в табл. 4.5. Алюминиевые сплавы применяют при разработке конструкций малогабаритных РДТТ, предназначенных для крупносерийного и массового производства.

Магний является конкурентом алюминия, его удельная прочность выше, чем у алюминия, небольшая плотность (1740 кг/м3). Основная проблема при применении – повышение жаропрочности его сплавов, которые легируют цирконием, торием, иридием. Это даёт возможность выдерживать кратковременный нагрев до 450 °С. Из магниевых сплавов обычно отливают вспомогательные детали – кронштейны, крышки, платы, так как они легче, чем наборная конструкция. Кроме того, сплавы магния трудно защитить от коррозии, поскольку у магния низкий электрохимический потенциал. К разрушению сплава приводит прямой контакт со сталью, никелевыми и алюминиевыми сплавами, совершенно недопустим контакт с морской водой. При конструировании РДТТ применяется редко.

Бериллий обладает самой высокой удельной прочностью и удельной жесткостью. Его удельная жесткость в 6 раз выше, чем у стали, и составляет величину 17 106 м.

153

По коррозионной стойкости бериллий аналогичен алюминию. Недостатками бериллия являются хрупкость, токсичность его соединений, высокая стоимость. Материал перспективный, но в настоящее время применяется редко.

Защита металлов от коррозии является необходимой операцией при разработке РДТТ. Если по нагрузкам, возникающим при эксплуатации, требуется применение материала, который является еще и коррозиестойким, то вопрос отпадает сам собой. Но изготовление конструкций из таких материалов только с целью исключить коррозию недопустимо – это слишком дорого. Наиболее распространен метод нанесения защитных покрытий. Так, применение лакокрасочных покрытий – простой способ, но требует постоянного восстановления при эксплуатации. Металлические защитные покрытия (оцинковка, хромирование, никелирование) наносятся чаще всего гальваническим способом. Иногда применяют погружение в расплавленный металл (алитирование – нанесение на деталь слоя алюминия) или диффузионный способ, который основан на осаждении покрытия на деталь в специальных печах. При хранении применяют ингибиторы коррозии, которыми пропитываются бумага или чехлы, в которые упакованы детали или узлы конструкции.

При температуре конструкции больше 1000 °С необ-

ходимо применение тугоплавких материалов [2].

Вольфрам имеет температуру плавления 3410 °С, плотность 19,3 103 кг/м3, предел прочности 2110 МПа. Вольфрамовые сплавы используются для наиболее темпе- ратурно-напряженных частей конструкции – вкладышей сопловых блоков, газовых рулей и т.д. Детали изготавливаются спеканием, напыляют с помощью плазменных горелок или осаждают из газообразного гексафторида вольфрама плёнку толщиной до 3 мм. Недостатком вольфрама как конструкционного материала является его высокая плотность, хрупкость и летучесть оксидов при температуре больше 1000 °С.

154

Молибден имеет температуру плавления 2620 °С, плотность 10,2 103 кг/м3, предел прочности 705 МПа. Материал более пластичен и имеет вдвое меньшую плотность по сравнению с вольфрамом. Это один из самых дешёвых тугоплавких материалов. Он имеет такую же область применения, как у вольфрама. Недостатком является малая стойкость против газовой коррозии при температуре больше 1100 °С, поэтому его поверхность покрывают плёнкой никеля или хрома.

Тантал обладает наиболее высокой пластичностью из всех тугоплавких материалов, хорошо обрабатывается и сваривается. Температура его плавления 3030 °С, плотность 16,6 103 кг/м3, предел прочности 775 МПа. Обладает высокой химической стойкостью (как у платины), но при температуре больше 700 °С начинает быстро окисляться. Тантал – наиболее дорогой из тугоплавких материалов.

Ниобий имеет среди тугоплавких материалов наиболее низкую температуру плавления – 2470 °С, его плотность 8,6 103 кг/м3, предел прочности 275 МПа. Химическая стойкость у этого материала ниже, чем у тантала, но он устойчив к действию атмосферы, морской воды и азотной кислоты. При температуре больше 400 °С начинает интенсивно окисляться. Применяют в виде сплавов с покрытиями, которые могут длительное время работать при температуре больше 1200 °С. Имеет самую низкую стоимость из всех тугоплавких материалов.

Керметы – это гибридные материалы из керамики и металла. Изготавливают их путем спекания карбидов, боридов, нитридов тугоплавких металлов или пропиткой керамики этими же металлами. Они имеют низкую плотность, высокую прочность и твердость. Наиболее тугоплавкий из керметов – карбид гафния, имеет температуру плавления 4200 °С. Недостатками этих материалов является их высокая хрупкость, высокая теплопроводность, большие значения коэффициента термического расширения и высокая стоимость. Применяются для изготовления вкладышей сопловых блоков.

155

Графит является самым тугоплавким материалом, который применяется в технике. Практически не плавится, но при температуре 3600 °С испаряется. Его свойства зависят от структуры и величины пористости. При температуре 2000 3000 °С прочность в 2–3 раза выше, чем при обычной температуре. У него высокая теплопроводность и малый коэффициент линейного расширения, следовательно, он имеет хорошую стойкость к тепловым ударам. Хорошо обрабатывается, имеет низкую плотность (1600… 2220 кг/м3). Предел прочности при температуре 20 °С имеет значение от 14 до 140 МПа. Недостатки графита: высокая хрупкость, малая твёрдость, низкая химическая стойкость – он начинает окисляться при температуре примерно 400 °С. Для уменьшения хрупкости графит армируется пластмассой или металлом. Для уменьшения окисляемости применяют покрытия из вольфрама, молибдена или их сплавов оксидами алюминия, тантала или специальными графитокерамическими покрытиями. Для увеличения твёрдости и прочности пропитывают смолами или карбидами кремния. Очень хорошими характеристиками обладает пирографит, который получают осаждением на оправках из горячих газов (1900 °С), содержащих углерод. Пирографит имеет более высокую плотность, газонепроницаем, прочность в 5–10 раз выше обычного графита, теплопроводность его в направлении, перпендикулярном осажденному слою, в 500 раз меньше, чем в направлении, параллельном слою. В графит иногда добавляют бор, кремний, графит, кобальт, ниобий, что делает его твёрже и прочнее. Силицированный графит, пропитанный кремнием, обладает высокой эрозионной стойкостью. Графит можно получать, используя технологию литья с последующей термообработкой. Полученный таким способом материал носит название ситалл. Все виды графита применяются в качестве вкладышей и раструбов сопловых блоков, пирографит можно использовать также в качестве теплозащитного покрытия.

156

Композиционные материалы применяются в ракетных системах, которые должны иметь наиболее высокую эффективность. Изготавливаются они намоткой на оправку волокна или ткани, пропитанной связующим, с последующим отверждением изготовленной детали. В качестве связующих применяют эпоксидные, полиамидные, кремнийорганические смолы. В качестве волокна используют стек- ло-, боро-, углеволокно и органические волокна. Некоторые характеристики композиционных материалов приведены в табл. 4.6 [2].

Основное достоинство композиционных материалов заключается в их высокой удельной прочности. Широкому применению этих материалов препятствует их высокая стоимость.

157

4.9. Особенности конструирования газогенераторов

Газогенераторами твердого топлива называют устройства, которые вырабатывают сжатый газ заданного количества, расхода и давления [3]. Принцип их действия и конструкция, такие же, как у двигателя твердого топлива, однако существуют некоторые отличия. Газогенераторы имеют достаточно широкую область применения:

-источники рабочего тела для приводов систем управления, турбонасосных агрегатов ЖРД и систем электропитания;

-вытеснительные системы подачи топлива и наддува баков в ЖРД и в гибридных ракетных двигателях;

-устройства активного старта ракет и их систем разделения ступеней;

-системы управления вектором тяги и стабилизации ракет в полете;

-пусковые устройства ЖРД, турбореактивных и прямоточных воздушно-реактивных двигателей;

-устройства наддува систем спасения: резиновые баллоны, защитные мешки, плотики, поплавки и т.д.;

-устройства раскрутки гироскопов систем управления

ракет.

Газогенератор на твердом топливе имеет лучшие массовые и объемные характеристики по сравнению с газобаллонными источниками газа и газогенераторами на жидком топливе. Масса газогенератора на твердом топливе примерно в три раза меньше, чем масса газобаллонной системы

стакими же характеристиками. По сравнению с газогенераторами на жидком топливе твердотопливные газогенераторы имеют более высокую надежность, гораздо большие сроки службы, меньшую стоимость и не требуют при эксплуатации регламентных работ по обслуживанию. К недостаткам газогенераторов твердого топлива следует отнести наличие в продуктах сгорания твердых частиц, что вынуждает устанавливать фильтры, и зависимость скорости горения топлива от температуры окружающей среды, что заставляет применять системы регулирования расхода газа.

158

Конструкция газогенератора полностью определяется условиями эксплуатации. Изделия, работающие несколько секунд, проектируются с одношашечным или многошашечным зарядом радиального или всестороннего горения. Если требуется время порядка десятков секунд, то применяют заряд торцевого горения из медленногорящего топлива. В зависимости от компоновки ракеты корпус газогенератора может иметь цилиндрическую, плоскую или тороидальную форму. При необходимости изменения расхода продуктов сгорания генератора и времени его работы может применяться форма заряда с переменной поверхностью горения. Для обеспечения прерывистой работы применяют несколько газогенераторов, работающих на одного потребителя и включающихся последовательно. Возможно применение газогенераторов многократного включения, которые проектируются по тем же правилам, что и аналогичные РДТТ [3].

Требования технического задания к конструкции газогенератора отличаются от требований ТЗ к двигателю. Вместо закона изменения тяги здесь задается программа расхода газа, определяется гарантированное время работы. Давление в камере газогенератора задается, исходя из уровня давления в потребителе газа и сверхкритического перепада давления между ними. Особые требования предъявляются к чистоте производимого газа: в нем должны отсутствовать конденсированные частицы и соединения, агрессивные к конструкции ракеты. Температурный диапазон эксплуатации газогенератора такой же, как и у ракеты, в конструкцию которой он входит. Точно так же он должен выдерживать те же эксплуатационные нагрузки, что и ракета: удары, вибрации, перегрузки и т.д.

Для газогенераторов используются как смесевые, так и баллиститные топлива. Для конструкций, работающих малое время, применяются штатные твердые топлива. Для конструкций длительного времени работы, в частности, для систем управления ракет, применяются специальные топлива. Обычные баллиститные топлива имеют слишком вы-

159

сокую температуру продуктов сгорания, в них содержится слишком много конденсированных частиц (углерод). В качестве специальных топлив можно применять смесевые топлива на основе нитрата аммония, которые имеют низкую температуру продуктов сгорания, но малую плотность, очень гигроскопичны и плохо воспламеняются [3]. Существуют смесевые топлива на основе перхлората аммония (65…75 %) и полиэфирное связующее (26…30 %), которые имеют температуру продуктов сгорания 1385…1500 К, скорость горения 1,6…4,5 мм/с, плотность 1600… 1630 кг/м3 и содержат 2…3 % частиц углерода. Встречаются топлива, имеющие скорость горения 1 мм/с при давлении 7 МПа [3].

Для охлаждения продуктов сгорания используют специальные фильтры-охладители, в которых охлаждение достигается за счет разложения твердых блоков, изготовленных из, например, карбоната кальция, хлорида алюминия, фторида аммония или тефлона. Это позволяет снизить температуру продуктов сгорания до 343…373 К. Охлаждения продуктов сгорания можно добиться подачей в газовод испаряющейся жидкости (вода, спирт), но это ведет к усложнению конструкции. Для снижения температурной зависимости твердых топлив применяют специальные добавки, снижающие влияние давления в камере на скорость горения. Известны топлива, имеющие обратную зависимость скорости горения от давления, т.е. отрицательное значение показателя в законе горения топлива [3].

При конструировании газогенераторов следует иметь в виду, что при работе они имеют большую величину тепловых потерь. Сумма тепловых потерь в газогенераторе и потребителе может достигать 50 %. Это требует применения специальных методик расчета. Для компенсации пика тепловых потерь в начальный период работы на зарядах торцевого горения делают выступы или сверления. Требуемый расход продуктов сгорания газогенератора опреде-

160