Основные характеристики твердых топлив

Т а б л и ц а 1

 

Параметр Размерность Нитроцеллюлозные Смесевые

топлива топлива

 

Коэффициент тепло- Вт/(м∙К) 0,16…0,27 0,30…0,89

проводности

Теплоемкость кДж/(кг∙К) 14,6 12,6

Коэффициент темпе- м²/с 0,25 0,30

ратуропроводности

Коэффициент линей- 1/К (1,2-2,0)∙10^-4 (0,5-1,5)∙10^-4

ного геометрического

расширения

Удельный импульс Н∙с/кг 2000…2300 2400…2900

тяги

Температура горения К 2200…2300 2400…3250

Скорость горения мм/с 5…20 8…25

Показатель степени ― 0,6…0,7 0,3…0,5

в законе горения

Прочность при растя- мПа 10 0,9

жении

Модуль упругости мПа 1…3 0,7…0,2

при +20°С

при +50°С мПа 0,2…1,0 1…2

при –50°С мПа ― 0,5…0,8

Коэффициент Пуас- ― 0,35…0,5 0,35…0,5

сона

Плотность г/м³ 1,6…1,7 1,7…1,8

 

Секционные заряды используются для крупногабаритных РДТТ и состоят из отдельных продольных секций, которые могут быть армированы для проч­ности продольными и поперечными пластинами. Разделение на секции позво­ляет устранить концентрацию напряжений в вершинах звездообразных каналов при жестком скреплении зарядов с камерой сгорания.

Модульные заряды изготавливаются отдельно от корпуса РДТТ и могут склеиваться со стенкой камеры сгорания или прикрепляться к ней механиче­ским путем.

3.4 Корпус двигателя и его элементы.

 

Главным силовым элементом камеры сгорания РДТТ является её корпус. Он представляет собой в большинстве случаев цилиндрическую оболочку (обе­чайку). В некоторых случаях он может быть сферической формы (рис. 9). Кор­пус выполняется литьём, штамповкой из листа и соединяются сваркой либо из­готавливается из труб или с помощью намотки из стеклопластика. Материалом для метал­лических корпусов обычно служат малоуглеродистые и легированные стали, ти­тановые, алюминиевые, магниевые сплавы.

 

Рис. 9. Схема РДТТ со сферической камерой сгорания:

1 – теплоизоляция; 2 – корпус; 3 – топливо; 4 – сопло; 5 – пиросвеча.

Переднее днище может выполняться отдельно от корпуса, иметь эллиптиче­скую или сферическую форму с выпуклостью наружу или вовнутрь. В днище может монтироваться воспламенительное устройство, а иногда система выклю­чения двигателя, а также сопла противотяги.

Заднее днище и сопло могут составлять единую конструкцию или являться отдельными элементами. На заднем днище могут располагаться: одно или не­сколько сопел, иногда система выключения двигателя, воспламенитель, привод поворотных сопел и др.

Обязательным элементом конструкции РДТТ являются стыковые узлы, ос­новными из которых являются узлы для соединения обечайки и днищ. На прак­тике наибольшее применение находят сварные, резьбовые, болтовые соедине­ния и соединения с помощью гибкой рейки.

Самым экономичным, простым и надежным является сварное соединение. Оно технологичнее и легче любого разъёмного соединения. Однако его нельзя рассматривать как универсальное хотя бы по той причине, что соединение од­ного из днищ с обечайкой чаще всего должно быть разъёмным. Разновидности разъёмных соединений приведены на рис. 10 и 11.

 

Рис. 10. Резьбовое соединение обечайки и днища РДТТ:

1 – смежный отсек, 2 – анкерная гайка, 3 – шпангоут, 4 – обечайка камеры сгорания, 5 – уплотнительная прокладка, 6 – переднее днище или сопловой бак.

Резьба не герметизирует соединение и не обеспечивает требуемую точность по перекосу осей соединяемых элементов. Для герметизации применяют уп­лотнительные прокладки, а для повышения точности делаются цилиндрические пояски, обработанные по допускам 7-го или 8-го квалитета. Этим обеспечива­ется хорошая соосность соединяемых элементов конструкции, уменьшается эксцентриситет тяги. Наиболее часто соединения такого вида применяются для двигателей сравнительно небольших диаметров (D ≤ 500 мм).

 

 

Рис. 11. Фланцевое соединение обечайки и днища РДТТ.

Для РДТТ больших диаметров применяют фланцевое (болтовое, шпилеч­ное) соединение, представленное на рис. 11, которое включает заряд твердого топлива 5, обечайку камеры сгорания 4, шпангоут 3, крышку (переднее днище) 8, шпильку (или болт) 2, уплотнительную прокладку 1.

Для установки вкладных зарядов ТТ в корпусе РДТТ используются специ­альные опорные решетки (диафрагмы) (см. рис. 12) с компенсаторами темпера­турных деформаций. Открытые внутренние поверхности корпуса обычно по­крываются теплозащитным покрытием.

 

 

Рис. 12. Конструктивные схемы опорных решеток.

а – металлические; б,в,г – неметаллические.

 

 

3.5 Система воспламенения РДТТ

 

Воспламенительные устройства РДТТ зависят от назначения двигателя. Для малогабаритных РДТТ применяются устройства, изготавливаемые из тонко­стенного алюминиевого сплава, внутри которого размещается дымный ружей­ный порох или таблетированный пиротехнический состав (см. рис. 2). Корпус воспламенителя приклеивается к более прочному держателю, изготавливае­мому из стали или пластмассы. Для приведения в действие воспламенителя ис­пользуются пиросвечи (обычно две для надежности пуска) (рис. 13). Для за­пуска крупногабаритных РДТТ обычно применяются система воспламенения с дополнительным двигателем (рис. 14).

 

 

Рис. 13. Схема пиросвечи:

1 – корпус; 2 – электрозапал; 3 – пороховой заряд.

 

 

 

Рис. 14. Схема устройства для запуска крупногабаритных РДТТ:

1 – воспламенитель; 2 – пороховой заряд; 3 – топливо РДТТ; 4 – сопловая крышка.

 

3.6 Сопловые блоки РДТТ.

 

Сопловой блок образуется задним днищем, решеткой (диафрагмой), устрой­ством для регулирования критического сечения сопла и раструбом сопла. Кон­структивное решение блока зависит от способа настройки двигателя на темпе­ратурный режим эксплуатации, назначения ЛА и самого двигателя, времени его работы, место расположения РДТТ по длине корпуса, способа создания управ­ляющих моментов и др. С учетом перечисленных факторов применяются одно-сопловые и многосопловые блоки, со сменными вкладышами или центральным телом (“грушей”), с боковыми соплами или удлинительным газоводом, с моно­блочным, разрезным, поворотным или качающимся раструбом, с частично уто­пленным, с коническим или профилированным (по дуге окружности или пара­болы) соплом и др.

Проектирование конструкций сопловых блоков существенно неформальная процедура. Многие конструктивные вопросы сопел решаются эксперименталь­ным путем.

Конструкция металлического соплового блока для небольших РДТТ с ма­лым временем работы может быть выполнена в виде единого конструктивного элемента, иногда вместе с задним днищем. Для крупногабаритных РДТТ ме­таллическое сопло целесообразно изготавливать сварным с раскатанным листо­вым раструбом и точеными кольцеобразными торцами. Для теплоизоляции критического сечения может использоваться напыление вольфрама или других тугоплавких и эрозионно стойких материалов.

Сопла, работающие короткое время (6…9 с), могут прессоваться из конст­рукционного пластика. Сопла, работающие десятки секунд, изготавливают на­моткой из композиционных материалов или делают стальными с переменной по длине сопла толщиной теплоизоляции. В критическом сечении неразъемного сопла помещается вставка из силицированного графита или наборная конст­рукция из композиционных материалов.

Сопловые блоки со сменными вкладышами делаются разъемными (рис. 15). Вкладыш помещается в цилиндрическом стакане между днищем и раструбом сопла. Все зазоры между вкладышем, сопловой втулкой и раструбом сопла должны тщательно герметизироваться во избежании прогара сопла. Необхо­димо также обеспечить точность и соосность соединения элементов сопла, чтобы не возник эксцентриситет тяги.

 

 

Рис. 15. Сопловой блок со сменным вкладышем:

1 – для нормальной температуры; 2 – для высокой температуры; 3 – для низкой температуры.

 

Конфигурация сопла и соплового блока определяется преимущественно на основе эксперимента. Профилирование сопла и соплового блока можно прово­дить с учетом следующих рекомендаций (рис. 16).

 

 

Рис. 16. Конфигурация сопла и соплового блока.

 

Угол входного конуса β_вх целесообразно выбирать в пределах 40…60°. С увеличением этого угла растут теплопотоки к днищу РДТТ и увеличивается унос теплоизоляции. Радиусы скруглений на входе в критическое сечение и на выходе из него следует выбирать в соответствии с диаметром критического се­чения D_кр:

 

D_кр…… до 50 мм 50…70 мм свыше 70 мм

r₁…… D_кр 0,5 D_кр 0,3 D_кр

r₂…… (0,5…1) D_кр (1…2) D_кр (2…3) D_кр

Длина конической части определяется углом a_вых. По статистике a_вых =6…20°. Сокращения длины и массы сопла, а также потерь тяги в сопле можно добиться профилированием сопла (см. рис 16.б). При этом a_вых не должен превышать 25°, а a следует выбирать в пределах 5…7°.

Устройство регулируемого сопла с центральным телом (грушей) показано на рис. 6. В данной конструкции предусмотрено непрерывное регулирование критического сечения сопла при изменении давления в камере с целью поддер­жания постоянства тяги.

Существуют и другие варианты регулирования, например, за счет програм­мированного разгара D_кр.

 

Отчетность по лабораторной работе

 

Для защиты лабораторной работы занятий студент должен представить отчет, выполненный согласно ГОСТ. Объем отчета должен быть не более 10 листов формата А4, графически он может быть выполнен от руки или на принтере.

В отчете должны быть представлены:

- титульный лист;

- введение;

- практическая часть;

- заключение;

- список литературы.

 

Контрольные вопросы

 

1. Преимущества и недостатки двигателей различного типа.

2. Тяга ракетного двигателя.

3. Удельный импульс тяги ракетного двигателя.

4. Удельный расход топлива, тяговооруженность, суммарный импульс тяги, массовое совершенство двигателя.

5. Основные элементы РДТТ. Схема РДТТ.

6. Компоновочные схемы РДТТ.

7. Виды топлив. Присадки. Формы зарядов.

8. Элементы корпуса, их конструкция.

9. Принцип действия и схема системы воспламенения.

10. Конфигурации сопла и соплового блока, их конструкция.

 

 

Литература

 

1. Пенцак И.Н.Теория полета и конструкция БР. М.: Машиностроение, 1974 г.

2. Алемасов В.Е. и др. Теория РД. М.: Машиностроение,1969 г.

3. Винницкий А.М. Ракетные двигатели на твердом топливе. М.: Машиностроение,1973 г.

4. Синюков А.М. БР на твердом топливе. М.: Воениздат, 1972 г.