Способ испытаний скреплённых зарядов ракетных двигателей твёрдого топлива

 

Изобретение относится к ракетной технике, в частности к ракетным двигателям твердого топлива, и может найти применение при испытаниях скрепленных зарядов ракетных в системах различных классов. Сущность способа испытаний скрепленных зарядов ракетных двигателей твердого топлива заключается в том, что заряд термостатируют при максимальных отрицательных и положительных температурах его эксплуатации и проводят последующую проверку работоспособности огневыми стендовыми испытаниями. При этом перед огневыми стендовыми испытаниями на заряд воздействуют форсированными температурными нагрузками, значения которых определяют по определенному соотношению. Техническим результатом изобретения является увеличение достоверности результатов испытаний, проводимых в подтверждение сроков сохраняемости скрепленных зарядов. 2 ил.

Изобретение относится к области ракетной техники, в частности к РДТТ со скрепленными зарядами, и может найти применение в системах различного класса.

Срок сохраняемости является одним из основных требований технического задания на разработку зарядов. Как правило, срок сохраняемости зарядов значительно превышает сроки отработки зарядов, поэтому для подтверждения сохраняемости зарядов в течении всего периода эксплуатации используются различные методы ускоренных испытаний. Обычно это метод ускоренных климатических испытаний (УКИ), основанный на достижении предельного изменения физико-механических характеристик (ФМХ) топлива за счет физико-химического старения в форсированных условиях. Например, методика прогнозирования гарантийных сроков хранения авиационных РДТТ, описанная в журнале Э.И. Новости машиностроения, 1985 г., 9, серия "Наука и техника", предусматривает проведение работ в три этапа. При этом кроме форсированного старения методика предусматривает разрушение заряда. Недостатками данного метода является невоспроизводимость реальных условий эксплуатации заряда, длительный период испытаний и большие экономические затраты.

Наиболее близким к заявляемому изобретению является метод прогнозирования накопленных повреждений в заряде РДТТ для определения гарантийных сроков хранения, принятый авторами за прототип. Он включает ускоренное испытание по старению твердого топлива в заряде в условиях повышенных температур и позволяет прогнозировать сохраняемость заряда только из одного типа топлива (РЖ АРД, 1999 г., 11.34.99). Кроме того, напряженно-деформированное состояние (НДС) заряда в условиях испытаний по данному способу и в естественных климатических условиях эксплуатации не одинаково. Различие заключается в том, что старение заряда производиться при повышенных температурах и в этих условиях НДС заряда характеризуется сжатием, а в естественных условиях - растяжением. При этом уровень напряжений, возникающих в заряде в естественных условиях, значительно превышает уровень напряжений в условиях испытаний по данному способу.

При старении заряда, производимом при повышенных температурах, в нем могут происходить физико-химические процессы, не свойственные процессам, происходящим при его эксплуатации. В естественных условиях в топливе заряда преобладающими являются процессы структурирования, в процессе старения при повышенных температурах в конечном итоге преобладающими становятся процессы деструкции топлива, что приводит к разрушению зарядов в процессе их старения.

Проведенными авторами исследованиями установлена температурно-временная граница полной деструкции топлива (фиг.1). На графике представлены режимы УКИ зарядов в координатах температура - время старения. Определялись эти режимы по энергии активации для процесса физико-химического старения топлива, характеризуемого структурированием. Но на ряду с процессами структурирования в зарядах шли и процессы деструкции, которые в конечном итоге приводили к разрушению указанных на фиг.1 зарядах. Из данного графика следует, что процессы деструкции в топливе перестают быть преобладающими при температурах ниже 50^oС. Время старения при температуре 50^oС, необходимое для подтверждения срока сохраняемости, значительно возрастает и составляет 2-3 года. Это при ограниченных сроках отработки зарядов практически невозможно осуществить.

Технической задачей предлагаемого изобретения является устранение перечисленных недостатков данного способа и в первую очередь увеличение достоверности результатов испытаний, проводимых в подтверждение сроков сохраняемости.

Технический результат достигается за счет того, что при испытаниях скрепленных зарядов ракетных двигателей твердого топлива их термостатируют при максимальных отрицательных и положительных температурах эксплуатации зарядов и после этого проверяют работоспособность огневыми стендовыми испытаниями. При этом перед огневыми стендовыми испытаниями на заряд воздействуют форсированными температурными нагрузками, значения которых определяют по следующему соотношению: где T_Д - температура термостатирования заряда; T_Р - равновесная температура заряда; K^-1_ε = ε_τ/ε₀ - коэффициент изменения относительных удлинений топлив от начального значения (ε₀) до величины, соответствующей концу срока сохраняемости заряда (ε_τ); α - коэффициент теплового расширения топлива; безразмерный комплекс, характеризующий степень нагружения заряда; ε_кр - критическое значение относительных удлинений топлива; α²_a, α²_в - коэффициенты изменения относительных удлинений и их предельных значений соответственно.

Сущность изобретения заключается в создании таких условий испытания, которые приводят к протеканию в заряде процессов, аналогичных процессам, протекающим в нем при эксплуатации заряда в естественных условиях.

При эксплуатации зарядов в естественных условиях в них возникают различные стационарные и нестационарные напряжения, обусловленные отличием температуры заряда от его равновесной температуры, массовыми нагрузками и другими внешними воздействиями. В данных условиях основным процессом, приводящим к изменению надежности заряда во времени, является процесс накопления усталости. Поэтому основным рабочим звеном способа подтверждения сроков сохраняемости должно быть не обеспечение предельного изменения ФМХ топлива за счет его физико-химического старения при повышенных температурах, а выработка ресурса накопленной усталости. Компенсация изменений ФМХ топлива, происходящих при эксплуатации зарядов, должны осуществляться увеличением интенсивности действия силовых факторов при условии достижения той же степени накопленной усталости заряда, что и при его эксплуатации в естественных условиях.

Наглядно проиллюстрировать сущность данного способа можно с помощью графика, представленного на фиг.2, где τ_xp - время хранения заряда в естественных условиях;
τ_и - время воздействия отрицательной температуры при выработке накопленной усталости в процессе испытаний;
τ_p - время работы заряда;
τ^c_и - время испытаний заряда по способу, основанному на старении топлива;
ω_xp, ω_p - усталость, накопленная зарядом за время его хранения и время работы соответственно.

Суммарная накопленная усталость скрепленного заряда РДТТ (ω^э) за время его эксплуатации складывается из двух составляющих ω_xp и ω_p:
ω^э = ω_xp+ω_p.
На графике (фиг.2) процесс накопления напряжений при эксплуатации представлен линией ОАВ.

При подтверждении сроков сохраняемости заряда вырабатывается накопленная усталость (ω^u), также включающая две составляющие ω^u_xp и ω^u_p:
ω^u = ω^u_xp+ω^u_p
Условием эквивалентности испытаний по подтверждению срока сохраняемости является равенство:
ω^э = ω^u (1)
Выработка ω_xp осуществляется путем термостатирования при отрицательной температуре в течение времени (τ_и), обеспечивающего равенство усталости, накопленной за время испытаний (ω^u_xp), накопленной усталости за весь период хранения заряда (ω_xp), с учетом изменения ФМХ топлива, происходящим при хранении заряда (линия ОА' фиг.2). Если при выработке ω_xp не учитывать изменения ФМХ топлива, то при испытаниях вырабатывается накопленная усталость ω^u_xp<ω^э_xp, что не удовлетворяет условию эквивалентности (1) (линия ОА" фиг.2).

Выработка ω_p осуществляется огневыми стендовыми испытаниями при форсированных нагрузках (линия А'В'' фиг.2). Форсирование нагрузок при ОСИ можно осуществлять либо увеличением перепада температур от равновесной температуры заряда до температуры заряда при ОСИ, либо увеличением давления в камере двигателя при ОСИ. Степень форсирования определяется степенью изменения ФМХ топлива, происходящих при хранении заряда, и требуемым уровнем вероятности безотказной работы заряда по формуле

где Х_кр, Х_д - критическое значение определяющей механической характеристики топлива (прочность или предельное удлинение) испытуемого заряда и действующая нагрузка (напряжение или деформация) соответственно;
α_a и α_в - параметры разбросов действующих нагрузок и характеристик топлива соответственно;
K_x = X_τ/X_o - коэффициент изменения механических свойств топлива от начального значения (Х_о) до величины, соответствующей концу срока сохраняемости заряда (X_τ).
Если ОСИ проводить в стандартных условиях без форсирования нагрузки, то вырабатывается накопленная усталость ω^u_p<ω^э_p, что также не удовлетворяет условию эквивалентности (1) (линия А'В' фиг.2).

Однако испытания только на накопленную усталость не могут быть в полной мере объективной оценкой его работоспособности, так как заряд при эксплуатации определенное время подвергается воздействию положительных температур, при которых в значительной степени интенсифицируются миграционные процессы в системе "топливо - ТЗП", а также процессы газовыделения в топливе, приводящие к его деструкции. Поэтому целесообразным является наряду с испытаниями на накопленную усталость проводить испытания на попеременное воздействие положительных и отрицательных температур от максимального до минимального их значения. Данный цикл вытекает из реальных условий эксплуатации заряда. Требование о том, чтобы испытание заряда проводились в составе РДТТ вытекает из необходимости создания реальных условий, в которых находится заряд при эксплуатации.

Таким образом, предлагаемый метод подтверждения сроков сохраняемости воспроизводит реальные процессы, протекающие в заряде, и учитывает нагрузки, действующие на него в процессе эксплуатации.

Данный метод был опробован при подтверждении сроков сохраняемости целого ряда скрепленных зарядов для ракет различного назначения.

Формула изобретения

Способ испытаний скрепленных зарядов ракетных двигателей твердого топлива, включающийся термостатирование заряда при максимальных отрицательных и положительных температурах его эксплуатации и последующую проверку работоспособности огневыми стендовыми испытаниями, отличающийся тем, что перед огневыми стендовыми испытаниями на заряд воздействуют форсированными температурными нагрузками, значения которых определяют по следующему соотношению:

где T_Д – температура термостатирования заряда;

T_Р – равновесная температура заряда;

Кε^–1=ε_τ/ε₀ - коэффициент изменения относительных удлинений топлив от начального значения (ε₀) до величины, соответствующей концу срока сохраняемости заряда (ε_τ);

α – коэффициент теплового расширения топлива;

ε_д – безразмерный комплекс, характеризующий степень нагружения заряда;

ε_кр – критическое значение относительных удлинений топлива;

α²_а, α²_в – коэффициенты изменения относительных удлинений и их предельных значений соответственно.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2