Способ подготовки внутренней поверхности корпуса ракетного двигателя для скрепления с ним твердого ракетного топлива

Изобретение относится к области разработки ракетных двигателей с зарядами из твердого ракетного топлива, работающих в широком диапазоне температур, в частности к области скрепления твердого ракетного топлива с корпусом ракетного двигателя. Способ подготовки внутренней поверхности корпуса ракетного двигателя для скрепления с ним твердого ракетного топлива относится к корпусам ракетных двигателей, где на внутренней поверхности корпуса имеется эластичное теплозащитное покрытие или защитно-крепящий слой. Способ заключается в том, что внутреннюю поверхность корпуса обрабатывают сенсибилизатором, например раствором дитретбутилантрахинона в полярном растворителе. Затем внутреннюю поверхность корпуса подвергают ультрафиолетовому облучению светом ртутно-кварцевой лампы. Изобретение позволяет обеспечить высокую и надежную адгезионную прочность топлива к корпусу ракетного двигателя, а также повысить технологичность и безопасность процесса подготовки корпуса ракетного двигателя любой сложной конфигурации. 1 табл., 4 ил.

 

Предлагаемое изобретение относится к области разработки ракетных двигателей (РД) с зарядами из твердого ракетного топлива (ТРТ), работающих в широком диапазоне температур, в частности к области скрепления ТРТ с корпусом РД.

Обеспечение надежного скрепления твердого топлива с корпусом РД, выложенным по внутренней поверхности эластичным теплозащитным покрытием (ТЗП) или защитно-крепящим слоем (ЗКС), является одной из наиболее сложных проблем разработки РД. Главная трудность в достижении высокой адгезии между топливом, ТЗП и ЗКС связана с необходимостью надежного скрепления разнородных материалов и поэтому разработка способа повышения адгезии топлива к ТЗП и ЗКС является актуальной задачей.

Наиболее простым и распространенным способом подготовки поверхности при скреплении эластичных материалов на основе разнородных каучуков, принятым авторами в качестве аналога, является создание искусственного микрорельефа - придание шероховатости гладкой поверхности, что обеспечивается механической обработкой поверхности (В.В.Рагулин. Технология шинного производства, 1971 г., Москва, «Высшая школа», стр.108). Для обеспечения прочного адгезионного соединения, например, в технологии шинного производства широко используется способ подготовки поверхности протектора методом шероховки с помощью металлических щеток. Основным недостатком данного способа применительно к ракетной технике является сложность его использования для шероховки ТЗП и ЗКС малой толщины на тонкостенных корпусах, выполненных из стекло- или органопластика, а также для корпусов РД со сложной конфигурацией ТЗП и ЗКС (фиг.1). При данном способе подготовки поверхности имеют место механические повреждения ТЗП и ЗКС (разрывы, вырывы, порезы, оголение стенки корпуса до силовых слоев), что недопустимо особенно для стекло- или органопластиковых корпусов РД ввиду нарушения их герметичности, а при использовании металлических корпусов механические повреждения ТЗП и ЗКС приводят к дополнительным затратам на их ремонт либо к выбраковке корпусов. При этом в процессе работы двигателя по месту механического повреждения ТЗП и ЗКС возможно разрушение конструкции.

Наиболее близким по техническому результату к заявляемому техническому решению является химический способ подготовки поверхности ТЗП и ЗКС соединениями на основе азидов по патенту США №4604248, кл. С06В 21/00, от 1986 г., принятый авторами за прототип.

Способ подготовки внутренней поверхности корпуса ракетного двигателя для скрепления с топливом по принятому прототипу заключается в следующем: на внутреннюю поверхность эластичного изолирующего элемента (ТЗП, ЗКС), размещенного в камере сгорания (корпусе) РД, наносят тонкий слой адгезива на основе азидопроизводных, который подвергают воздействию дозы энергии (тепловой, электрической и т.п.), чтобы вызвать реакцию азидогрупп с материалом эластичного изолирующего элемента и привить к поверхности этого элемента группы, реагирующие со сшивающим компонентом топлива. Неотвержденное ракетное топливо, содержащее сшивающий компонент, заливают в камеру и отверждают в контакте с привитой поверхностью эластичного изолирующего элемента.

Существенными недостатками известного способа скрепления топливного заряда с корпусом РД являются:

1. Длительность и сложность технологического процесса подготовки поверхности эластичного изолирующего элемента (ТЗП, ЗКС) для скрепления с топливом, заключающаяся:

а) в необходимости нанесения на поверхность изолирующего элемента ТЗП, ЗКС адгезива на основе азидопроизводных, после чего пленку адгезива подвергают воздействию дозы энергии, чтобы вызвать реакцию азидогрупп соответствующих производных с материалом упомянутого эластичного изолирующего элемента с целью прививки к поверхности этого элемента групп, реагирующих со сшивающим компонентом топлива;

б) в сложности обеспечения равномерного распределения адгезива по внутренней поверхности корпуса РД сложной конфигурации. В зависимости от агрегатного состояния используемого азидосоединения (жидкое с низкой или высокой вязкостью либо порошкообразное), а также формы корпуса РД требуется также определенный способ нанесения азидосоединения на поверхность изолирующего элемента и контроль в процессе воздействия дозой энергии за распределением адгезива по внутренней поверхности корпуса.

2. Азидосоединения являются взрывчатыми веществами, чувствительными к механическим и термическим воздействиям, а также обладают достаточно сильными токсическими свойствами, что требует соблюдения жестких требований по правилам техники безопасности при работе с ними, несоблюдение которых может привести к серьезным последствиям.

Задачей предлагаемого изобретения является обеспечение высокой и надежной адгезионной прочности топлива к корпусу ракетного двигателя, повышение технологичности и безопасности процесса подготовки корпуса двигателя любой сложной конфигурации с эластичным покрытием для скрепления с топливом, включая как металлические корпуса, так и корпуса, изготовленные из композиционных материалов.

Решение поставленной задачи достигается способом подготовки внутренней поверхности корпуса ракетного двигателя для скрепления с ним твердого ракетного топлива, где на внутренней поверхности корпуса имеется эластичное теплозащитное покрытие или защитно-крепящий слой, в котором внутреннюю поверхность корпуса обрабатывают сенсибилизатором, например раствором дитретбутилантрахинона в полярном растворителе, и подвергают ультрафиолетовому облучению светом ртутно-кварцевой лампы.

Технический результат достигается за счет того, что теплозащитное покрытие или защитно-крепящий слой корпуса подвергаются воздействию ультрафиолетового облучения ртутно-кварцевой лампой в течение 2÷40 мин при дозе облучения 0,5÷1,0 Вт/м².

В процессе облучения происходит окисление поверхностного слоя ТЗП или ЗКС с образованием кислородсодержащих функциональных групп (карбонильных, карбоксильных, альдегидных), обладающих высокой активностью по отношению к топливу. В процессе полимеризации топлива на основе полимера с функциональными группами, например эпоксидными, уретановыми, двойными связями, содержащего полифункциональный сшивающий компонент с функциональными группами, например аминными, гидроксильными, карбоксильными, происходит образование химических связей между модифицированной поверхностью ТЗП, ЗКС и топливом. При недостаточности функциональных групп в каучуке, являющемся основой ТЗП и ЗКС, для ускорения активных групп на поверхности последнего при УФ-облучении поверхность эластичного покрытия обрабатывают любым сенсибилизатором, например раствором дитретбутилантрахинона в полярном растворителе, вызывающим образование центров светочувствительности, в результате чего ускоряется образование активных групп на поверхности ТЗП и ЗКС при его облучении.

Сущность изобретения поясняется схемой ракетного двигателя с тонкостенным корпусом из стекло- или органопластика со сложной конфигурацией ТЗП и ЗКС, представленной на фиг.1, графическими зависимостями прочности адгезионного соединения топлива с ТЗП, ЗКС (σ) от дозы облучения (W) с применением и без применения сенсибилизатора для ТЗП на основе смеси изопренового и бутадиенового каучуков и для ТЗП на основе этиленпропилендиеновых каучуков, представленными на фиг.2 и 3 соответственно. Схема установки, реализующей предлагаемый способ, представлена на фиг.4. Зависимость относительной прочности адгезионного соединения «ТЗП, ЗКС - топливо» в зависимости от времени облучения поясняется примерами, приведенными в таблице 1.

На графических зависимостях, представленных на фиг.2 и 3, показано, что при оптимальной дозе УФ-облучения ТЗП 0,5÷1,0 Вт/м² достигается требуемая прочность адгезионного соединения. Применение сенсибилизатора ускоряет достижение максимальной прочности адгезионного соединения для резин на основе этиленпропилендиеновых каучуков и практически не оказывает влияния на резину на основе смеси изопренового и бутадиенового каучуков.

Зависимость относительной прочности адгезионного соединения «ТЗП, ЗКС - топливо» в зависимости от времени облучения поясняется примерами, приведенными в таблице 1, где показано, что обработка поверхности ТЗП и ЗКС УФ-светом ртутно-кварцевой лампы в течение 2÷40 мин позволяет повысить прочность адгезионного соединения до когезионной прочности топлива. Для оценки относительной прочности адгезионного соединения использовались металлические образцы с диаметром рабочей части 23 мм с наклеенной на эту поверхность ТЗП или ЗКС, после облучения которого УФ-светом ртутно-кварцевой лампы в течение заданного времени образцы заполнялись топливом. После отверждения топлива образцы испытывались на прочность в соответствии с ОСТ В 84-2227-85 при температуре испытания (23±2)°С и скорости испытания 10 мм/мин.

Способ обработки поверхности ТЗП УФ-светом ртутно-кварцевой лампы с целью обеспечения надежного скрепления топлива с эластичным покрытием корпуса (ТЗП, ЗКС) на основе бутадиенового, изопренового, их смеси, этиленпропилендиеновых и других каучуков позволяет обрабатывать поверхности любой конфигурации.

Обработка осуществляется на установке (фиг.4), содержащей основание 1 с установленными на нем элементами крепления 2 двигателя 3 и блоком питания 4. На основании 1 установлена штанга 5 с закрепленной на ней ртутно-кварцевой лампой 6, а блок питания 4 снабжен временным механизмом отключения 7. Двигатель крепится на основании, включенная ртутно-кварцевая лампа на штанге помещается в камеру сгорания и облучает внутреннюю поверхность в течение времени, заданного временному механизму отключения. Доза облучения контролируется фотометром.

В настоящее время способ обработки поверхности ТЗП для скрепления с топливом методом УФ-облучения опробован на ряде изделий: ЗШ-10М, ЗШ-10М1, ЗШ-59 с ТЗП (ЗКС) па основе смеси изопренового и бутадиенового каучуков и изделий 17А6 с ЗКС на основе этиленпропилендиеновых каучуков с положительными результатами.

Таблица 1 Относительная прочность адгезионного соединения «ТЗП - топливо» в зависимости от времени облучения.
Время облучения, мин	Относительная прочность адгезионного соединения
	ТЗП на основе бутадиенового и изопренового каучуков	ТЗП на основе этиленпропилендиеновых каучуков
Пример 1	Пример 2	Пример 1	Пример 2
0	0,64 CM	0,70 А	0,90 А	1,10 А
1	0,64 CM	0,74 CM	0,98 CM	1,36 CM
2	0,64 К	0,75 К	0,99 К	1,39 К
4	0,65 К	0,77 К	1,05 К	1,50 К
7	0,68 К	0,77 К	1,09 К	1,56 К
10	0,67 К	0,81 К	1,04 К	1,56 К
15	0,66 К	0,80 К	1,05 К	1,57 К
20	0,66 К	0,81 К	1,02 К	1,56 К
40	0,66 К	0,77 К	1,05 К	1,54 К
Примечание: Характер разрушения образцов: А - адгезионный по границе склея «ТЗП - топливо»; К - когезионный по топливу; СМ - смешанный (40-60% когезионный по топливу, 60-40% адгезионный по границе склея).

Способ подготовки внутренней поверхности корпуса ракетного двигателя для скрепления с ним твердого ракетного топлива, где на внутренней поверхности корпуса имеется эластичное теплозащитное покрытие или защитно-крепящий слой, отличающийся тем, что внутреннюю поверхность корпуса обрабатывают сенсибилизатором, например раствором дитретбутилантрахинона в полярном растворителе, и подвергают ультрафиолетовому облучению светом ртутно-кварцевой лампы.