Проектирование и отработка ракетных двигателей на твердом топливе

от среднего значения на интервале ±3 % закон горения считается нейтральным. Связь прогрессивности с отношением

при проектировании многорежимных двигателей нужно применять топлива с максимальным значением показателя в законе горения топлива, так как в этом случае заданный перепад давлений получается при меньшем значении перепада поверхностей горения, что сделать проще.

Для проведения анализа характеристик зададимся рядом топлив. Для каждого из них определяем единичный импульс. Уширение сопла известно из технического задания, термодинамические характеристики являются паспортными данными топлива. Расчетное давление в камере сгорания определяется для максимальной температуры эксплуатации двигателя. Для этого от максимально допустимого давления в двигателе надо отступить на величину заданной прогрессивности (известной из ТЗ) и еще раз отступить на величину разбросов давления в камере сгорания,

го давления в камере сгорания при максимальной температуре эксплуатации. Для этих условий и определяем величину единичного импульса. Далее определяем объем камеры сгорания и задаемся коэффициентом объемного заполнения камеры сгорания топливом: εV = 0,8…0,9. Перемножая эти величины, получаем объем топлива, умножая дальше на плотность топлива – получаем массу топлива, и, умножая на единичный импульс с учетом его потерь, определяем оценку полного импульса проектируемого двигателя. Величины коэффициентов потерь единичного импульса определяем по аналогам. Для двигателей с зарядом из баллиститного топлива они будут равны 0,93…0,96, с зарядом из СТТ – 0,91…0,95. Построив гистограмму для

61

нескольких топлив и сравнив характеристики гистограммы с требованиями технического задания, можно определить те топлива, которые удовлетворяют требованиям ТЗ по энергетическим характеристикам.

Анализ топлива по скорости горения начинается с определения времени работы заряда для максимальной и ми-

где е – величина горящего свода заряда, который определяет время работы заряда. Пересчет величины давления с одной температуры на другую (индексы 1 и 2 в следующей ниже формуле) производится следующим образом:

обходимо задаться уже формой заряда. Для заряда торцевого горения величину горящего свода можно задать равной длине камеры сгорания, уменьшенной примерно на 10…15 %. Для трубчато-щелевого, прочноскрепленного со стенками камеры заряда величину горящего свода определяют как половину разности наружного диаметра заряда (D) и диаметра канала (d), которые рассчитывают из усло-

2

вия обеспечения прочности заряда M 2 = D =12...14 .

d

Для звездообразного заряда величина свода составит 5…15 % от наружного диаметра заряда. При выборе формы заряда можно пользоваться следующими соотношениями, полученными из условия обеспечения заданного расхода продуктов сгорания [2]:

3 ≤ ln Rτ ≤ 7 – многошашечный заряд,

2 ≤ ln Rτ ≤ 6 – звездообразный, щелевой или всесто-

роннего горения,

62

0,5 ≤ ln Rτ ≤ 3 – торцевого горения.

Следующие условия определены исходя из обеспечения заданного времени работы [2]:

0 ≤ De ≤ 0,14 – многошашечный заряд, 0,07 ≤ De ≤ 0,30 – звездообразный,

0,14 ≤ De ≤ 0,25 – всестороннего горения, 0,2 ≤ De ≤ 0,45 – трубчато-щелевой,

0,4 ≤ De ≤ ∞ – торцевого горения.

Определив приближенные значения времени работы для того же ряда топлив, строим гистограмму и сравниваем с требуемым по техническому заданию значением. Анализ гистограмм, как правило, дает 2–4 допустимых варианта проектирования заряда определенной конструкции из определенного топлива. Дальнейший выбор осуществляется, исходя из обеспечения надежности, технологичности

истоимости заряда. Окончательная проработка конструкции проводится в САПР, при которой, исходя из требуемого уровня эффективности, работоспособности, надежности

итехнологичности конструкции заряда, необходимо обеспечить:

-заданный закон изменения тяги;

-заданные внутрибаллистические характеристики;

-необходимые параметры выхода двигателя на режим;

-минимальное напряженно – деформированное состояние заряда;

-минимальные остатки топлива;

-надежное крепление заряда к корпусу;

63

-максимальную плотность заполнения камеры сгорания топливом;

-необходимую скорость движения продуктов сгорания в камере сгорания;

-минимальное тепловое воздействие на конструкцию двигателя;

-минимальные потери единичного импульса;

-заданную надежность заряда и воспламенителя;

-правильный выбор бронирующих покрытий и защит- но-крепящего слоя;

-определить гарантийные сроки хранения.

Величину надежности заряда можно определить в соответствии с работами [10, 19].

Надо отметить, что даже незначительное изменение формы заряда влияет на все параметры его работы. Например, уменьшение диаметра канала заряда приводит к резкому увеличению напряжений и деформаций во всем объеме заряда, к незначительному увеличению времени работы, полного импульса и начального давления в камере сгорания. Тяга двигателя останется неизменной, но скорость газового потока в канале заряда возрастет. Различное влияние на каждый параметр двигателя объясняется нелинейностью закономерностей работы заряда. Изменение формы заряда приведет к изменению не только математических ожиданий всех параметров работы заряда, но и их разбросов, а значит,

инадежности изделия.

3.2.Типы зарядов твердого топлива

3.2.1. Трубчатый заряд

Состоит из одноканальных небронированных цилиндрических шашек [2, 5, 7]. Заряд вкладной. Обычно изготавливается из баллиститного топлива. Шашек может быть одна или несколько. Схема заряда приведена на рис. 3.1.

Схема горения шашки трубчатого заряда приведена на рис. 3.2.

64

Рис 3.1. Схема трубчатого заряда: 1 – передний упор; 2 – заряд; 3 – решетка; 4 – воспламенитель

Рис. 3.2. Схема горения шашки трубчатого заряда

Определим поверхности горения трубчатого заряда в зависимости от величины сгоревшего свода (e). Макси-

мальное значение величины горящего свода e1 = R2−r . Оп-

ределим поверхности горения частей заряда, исходя из допущения о параллельном перемещении фронта горения:

- горение поверхности внешнего цилиндра: S1 = = 2π(R −e)(L −2e);

- горение поверхности внутреннего цилиндра: S2 = = 2π(r +e)(L −2e) ;

65

- горение поверхности торцов: S3 = 2π(R −e)2 −

−2π(r +e)2 .

Общая поверхность горения S = S1 + S2 + S3 или

S= 2π (R −e + r +e)(L −2e) +(R −e)2 −(r + e)2 =

=2π(R + r ) (L −4e) +(R −r) = 2π(R + r) (L − 4e) + 2e .

1

Начальная поверхность горения

S0 = 2π(R + r )[L + R − r] = 2π(R + r )[L + 2e1 ].

Характеристика прогрессивности поверхности горения

≈1−0,1z . В конце работы заряда z =1, т.е. максимальное значение уменьшения поверхности горения заряда σêî í 0,9 . Трубчатый заряд имеет слабую дегрессивную характеристику, зависимость S(e) практически линейная. Чем больше удлинение заряда, тем ближе поверхность го-

66

Если заряд многошашечный, то поверхность горения увеличивается пропорционально числу шашек, а величина прогрессивности останется без изменения.

С точки зрения прочности необходимо определить напряжения смятия в месте контакта заряда с опорной решеткой. Кроме того, заряды большого удлинения, особенно многошашечные и работающие при больших перегрузках, нужно проверить на устойчивость – они могут разрушиться при работе двигателя.

Для обеспечения нейтральности поверхности горения иногда применяют бронирование торцов заряда. Делается это очень редко, так как увеличивается трудоемкость, а значит, и стоимость заряда, а дегрессивность заряда незначительная.

Для многошашечных зарядов существует оптимальное количество шашек (n). Максимальный коэффициент объемного заполнения получается при оптимальном количест-

ве шашек n =1+3k (k +1) , где k = 0;1; 2; 3; ... , что составля-

ет 1, 7, 19, … топливных шашек. В практике редко применяют оптимальное количество, так как топлива с требуемой для этого скоростью горения часто отсутствуют.

Достоинства трубчатого заряда заключаются в простоте конструкции, высокой технологичности и возможности создавать большую тягу за короткое время. Недостатки: низкий коэффициент заполнения камеры сгорания топливом; при работе заряда происходит постоянный контакт

67

продуктов сгорания со стенками камеры, что требует нанесения больших слоев теплозащитного покрытия, для крепления заряда в камере необходимо специальное устройство, а это ведет к увеличению пассивной массы двигателя.

Область применения трубчатого заряда – это РДТТ с малым временем работы: тормозные, разгонные, стартовые двигатели и т.д.

Для исключения некоторых недостатков трубчатого заряда, в частности, защиты КС от продуктов сгорания, применяют заряд с бронированной наружной поверхностью. Но это увеличивает в 2 раза время горения заряда и делает поверхность горения прогрессивной, что нежелательно с точки зрения внешней баллистики.

Рис. 3.3. Схема трубчатого заряда с коническим компенсатором и бронированной наружной поверхностью: 1 – заряд; 2 – воспламенитель; 3 – компенсатор

Время горения заряда можно обеспечить подбором соответствующего топлива. Для обеспечения нейтральной поверхности горения применяют конический компенсатор поверхности горения, представляющий собой коническое расширение канала заряда, обращенного к соплу. Это выравнивает скорость газового потока по длине заряда, что позволяет повысить заполнение камеры сгорания топливом. Но, с другой стороны, такой компенсатор для баллиститных топлив можно изготовить только механической обработкой заряда, что увеличивает трудоемкость изготовления конструкции. Схема заряда с коническим компенсатором поверхности горения приведена на рис. 3.3.

68

3.2.2. Телескопический заряд

Телескопический заряд состоит из двух шашек [2, 5, 7]: трубчатой шашки, забронированной снаружи и с торцов, и бесканальной шашки, забронированной с торцов и вставленной в канал трубчатой шашки. Схема телескопического заряда приведена на рис. 3.4.

Рис. 3.4. Схема телескопического заряда: 1 – бронирующее покрытие; 2 – стержень крепления шашки; 3 – решетка; 4 – воспламенитель; 5 – шашка трубчатой формы

Для одновременного выгорания топлива обеих шашек необходимо равенство горящих сводов, т.е. диаметр внутренней шашки должен быть равен удвоенной величине свода наружной шашки. Зависимость поверхности горения от свода нейтральная.

Особая проблема возникает при креплении шашек. Наружная шашка может крепиться с помощью опорных колец, решеток (диафрагм). Центрируют ее с помощью «сухарей», которые клеят на наружную поверхность шашки так, что остается гарантированный зазор. Для крепления внутренней шашки можно сделать захваты (элементы решетки), на которых она будет лежать. Но заряд может сломаться, особенно при поперечных перегрузках. Крепление более надежно, когда внутренняя шашка крепится с помо-

69

щью стержня, проходящего по ее оси. Стержень жестко закреплен с шашкой и фиксируется в диафрагме. Возможно появление дефектов непроклея, подгорания шашки по внутренней поверхности из-за прогрева топлива через стержень с последующим подъемом давления в камере. Существует другой вариант крепления – без всякого стержня, когда используют специальные выступы – зиги – на внутренней шашке, которые опираются на канал наружной шашки.

Достоинство конструкции заключается в возможности получения больших расходов топлива за счет большой поверхности горения и получения нейтральной поверхности горения. Недостатки конструкции заключаются в большой пассивной массе конструкции из-за элементов крепления шашки, малом коэффициенте объемного заполнения камеры топливом. Кроме того, данная конструкция состоит из двух шашек, каждая из которых изготавливается по своим технологическим процессам, что резко увеличивает трудоемкость, а значит, и стоимость заряда. Такие заряды практически не применяются, так как большие расходы продуктов сгорания легче получить с помощью многошашечного заряда, а нейтральный закон горения – применяя, например, трубчато-щелевой заряд.

Рис. 3.5. Схема тандемного заряда: 1 – бесканальная шашка; 2 – трубчатая шашка; 3 – решетка

70