Заряд твердого топлива ракетного двигателя

 

Заряд твердого ракетного топлива для ракетных двигателей выполнен в виде шашки с размещенным в ее своде армирующим элементом. Армирующий элемент выполнен из ячеистого пористого материала объемной структуры по форме заряда, заполненного топливом. Размер ячеек армирующего материала составляет 1-10 мм при толщине перемычек 0,2-2 мм и кажущейся плотности 0,01-0,80 г/см³. Изобретение позволяет обеспечить изотропные свойства заряда по всем направлениям, снизить напряжение в заряде, изменять баллистические свойства топлива в широком диапазоне скоростей горения. 1 ил., 1 табл.

Изобретение относится к области ракетной техники, а именно к конструкции зарядов, как смесевых твердых топлив (СТТ), так и баллиститных твердых топлив (БТТ) ракетных двигателей.

Заряды, скрепленные с силовой обечайкой корпуса, определяются размерами камеры двигателя и поэтому имеют ограничения по баллистическим характеристикам (полному импульсу тяги, скорости горения в зависимости от состава топлива) и механическим характеристикам (наличие концентраций отрывных напряжений на контактной поверхности "топливо-ЗГС" и деформации на канале заряда, обусловленные составом топлива, соотношением наружного и внутреннего диаметров заряда, например, для тепловой нагрузки, и тепловым перепадом между равновесной температурой заряда и температурой эксплуатации двигателя).

Аналогичные ограничения существуют и для вкладных зарядов, вложенных в корпус двигателя.

С целью повышения баллистических характеристик, обеспечения стабильности работы двигателя при возникновении акустических колебаний в камере двигателя при горении ряда топлив, а также обеспечения прочности заряда широко используется принцип армирования зарядов (свода топлива) какими-либо элементами.

Известен, например, заряд твердого топлива (ТТ) по патенту США, кл. 102-100 3812785 (заявлен 30.07.70 г.). С целью демпфирования колебаний резонансного горения к стенке корпуса двигателя приклеивается сотовая конструкция, представляющая собой листовой материал с ячейками, выполненный в виде сот из ацетата целлюлозы, алюминиевой фольги или стеклоткани, пропитанной фенольной смолой.

Известен также заряд ТТ по патенту США, кл. 102-100 3763787 (заявлен 11.02.71 г. ). Заряд твердого топлива выполнен в виде рулона, армированного металлической сеткой. Армирование выполнено с целью обеспечения локального упрочнения заряда, горящего по внутренней поверхности при высоких уровнях рабочего давления в камере двигателя.

Известен заряд ТТ из книги Д.И. Абдугова, В.М. Бобылева "Теория и расчет двигателей твердого топлива", М., Машиностроение, 1987, стр. 86, рис.5.8, выполненный в виде шашки с размещенными в ее своде армирующими элементами в виде проволочек из металлов с большим коэффициентом теплопроводности. С целью достижения необходимой скорости горения в сочетании с высокой плотностью заряжания заряд армирован теплопроводящими элементами (проволочками), расположенными вдоль корпуса двигателя (по его оси) с определенной плотностью по поперечному сечению. По мере выгорания топлива в таком заряде концы проволочек оказываются над поверхностью горения в зоне высокотемпературных продуктов реакции. Скорость распространения тепла вдоль проволочек значительно превышает скорость горения топлива, часть тепла от проволочек переходит к прилегающему топливу, повышается его начальная температура и, как следствие, увеличивается местная скорость горения топлива.

Все существующие конструкции зарядов, армированные различными элементами, имеют существенные недостатки, обусловленные армированием лишь части заряда, что, как правило, приводит к анизотропии свойств заряда по определенным направлениям.

К основным недостаткам существующих подходов относятся: - усложнение технологических процессов при изготовлении зарядов твердого топлива за счет установки и размещения армирующих элементов в отдельных местах заряда; - наличие побочных эффектов, например, концентрации напряжений в топливе в местах расположения армирующих элементов; - известные варианты армирования зарядов представляют собой частные технические решения, направленные на выполнение определенных функций, но при этом, как правило, снижается механическая надежность заряда из-за возникновения локальных концентраторов напряжений.

Представленные выше конструкции армированных зарядов являются аналогами предлагаемого изобретения. Из патентного поиска и литературного исследования конструкция прототипа не выявлена.

Задачей изобретения является создание конструкции заряда, у которого: 1. Армирование обеспечивает изотропные свойства заряда по всем направлениям.

2. Армирующий каркас обеспечивает снижение напряжений в заряде путем перераспределения их по объему за счет закрепления каркасом малых объемов топлива.

3. Применение армирующего каркаса позволит изменять баллистические свойства топлива в широком диапазоне скоростей горения без изменения штатной рецептуры топлива.

Задача решается за счет того, что в заряде ТТ ракетного двигателя, выполненном в виде шашки с размещенным в ее своде армирующим элементом, армирующий элемент выполнен из ячеистого пористого материала (ЯПМ) объемной структуры по форме заряда, заполненного топливом, причем размер ячеек составляет 1÷10 мм при толщине перемычек 0,2÷2 мм и кажущейся плотности 0,01÷0,80 г/см³.

В соответствии с изложенным твердое топливо армируется каркасом (выполненным из аморфного углерода, металла, керамики, стекла, алюмосиликатного материала и т.д.), который представляет собой ЯПМ объемной структуры, имеющий форму заряда. При изготовлении заряда ячейки заполняются топливной массой.

На чертеже представлено фото структуры ЯПМ.

Функционирование предложенного заряда происходит следующим образом: при зажжении штатного топлива продуктами сгорания воспламенителя фронт пламени распространяется по всей горящей поверхности заряда. По мере выгорания топлива армирующий каркас в виде ячеистого пористого материала частично попадает в зону высокотемпературных продуктов сгорания и за счет механизма теплопередачи резко увеличивает температуру топлива как на поверхности топлива, так и в прилегающих слоях по всей поверхности горения, что, в свою очередь, резко увеличивает скорость горения топлива. Наличие ячеистой структуры каркаса армирующего материала обеспечивает локальное деформирование топлива в пределах отдельных ячеек, что снижает механические нагрузки в топливе и в заряде в целом.

Расчетно-экспериментальными исследованиями установлено, что размер ячеек армирующего материала составляет 1÷10 мм при толщине перемычек 0,2÷2 мм и при кажущейся плотности 0,01÷0,80 г/см³ (см. таблицу).

Данные соотношения армирующего каркаса обеспечивают местное (локальное) деформирование топлива в пределах отдельных ячеек, что снижает требования к уровню предельных механических характеристик топлива и заряда в целом.

ЯПМ получают методом порошковой металлургии с применением специальной оснастки (Анциферов В.Н., Порозова С.Е. "Высокопористые алюмосиликатные материалы: получение, свойства, применение", Пермь, ПГТУ, 1995). ЯПМ легко поддаются мехобработке на обычных станках.

Проведенные экспериментальные исследования подтвердили работоспособность зарядов с каркасами из ЯПМ. Образцы ЯПМ изготовлены из никеля с характеристиками ЯПМ, представленными в таблице.

Испытания проводились при температуре 20^oС на штатном составе в диапазоне рабочих давлений Р=70÷100 кгс/см².

В результате испытаний получено повышение скорости горения штатного состава топлива ~ в 2 раза, т.о. подбором ЯПМ можно регулировать баллистические характеристики заряда в широком диапазоне скоростей горения, не снижая его механических характеристик. При этом базовая рецептура топлива и технология изготовления заряда не меняется.

Формула изобретения

Заряд твердого ракетного топлива для ракетных двигателей, выполненный в виде шашки с размещенным в ее своде армирующим элементом, отличающийся тем, что армирующий элемент выполнен из ячеистого пористого материала (ЯПМ) объемной структуры по форме заряда, заполненного топливом, причем размер ячеек армирующего материала составляет 1-10 мм при толщине перемычек 0,2-2 мм, и кажущейся плотности 0,01-0,80 г/см³.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3