Способ испытания заряда твердого ракетного топлива

Изобретение относится к ракетной технике, а именно к способу ускоренного климатического испытания заряда твердого ракетного топлива в составе герметичного ракетного двигателя. Способ испытания заряда твердого ракетного топлива включает снаряжение заряда в камеру сгорания ракетного двигателя твердого топлива и термостатирование при температуре ускоренных климатических испытаний снаряженного зарядом ракетного двигателя твердого топлива. Время термостатирования определяют с учетом воздействия солнечной радиации по соотношениям, защищаемым настоящим изобретением. Затем осуществляют разборку ракетного двигателя твердого топлива и осмотр заряда с оценкой его монолитности, после чего производят повторное снаряжение заряда в ракетный двигатель твердого топлива и проводят огневое испытание ракетного двигателя твердого топлива на соответствие требованиям технической документации. Изобретение позволяет повысить точность оценки срока служебной пригодности при проведении ускоренных климатических испытаний заряда твердого ракетного топлива. 3 ил., 2 табл.

 

Патентуемое изобретение относится к области ракетной техники и может быть использовано при проектировании, отработке и испытаниях ракетных двигателей твердого топлива (РДТТ) и зарядов твердого ракетного топлива (ТРТ) к ним.

Для определения (и подтверждения) срока служебной пригодности (срок служебной пригодности - временной интервал, в течение которого изделие обеспечивает заданные конструкторской документацией требования (чертежа, технических условий) в реальных условиях эксплуатации.) РДТТ и зарядов ТРТ известен способ ускоренных климатических испытаний (УКИ) последних путем длительного термостатирования (старение) при повышенной температуре, в основе которого лежит соблюдение принципа температурно-временной эквивалентности применительно к реальным условиям эксплуатации изделий (в условиях умеренного климата, влажного и сухого тропического климата и др. по ГОСТ 15150-69, ГОСТ 24482-80). В указанном способе используют понятие эквивалентной температуры (Т_экв), под которой подразумевают такую условную постоянную температуру, при которой в системе за рассматриваемое время происходят те же изменения, что и в естественных природных температурных условиях.

Потеря служебной пригодности заряда ТРТ в течение требуемого гарантийного срока хранения (ГСХ) и эксплуатации (срока служебной пригодности) может произойти по различным причинам, основными из которых являются:

1. Химические превращения в системе (составе) ТРТ, например, связанные с терморазложением нитроэфиров в составе баллиститных топлив либо связующего в составе смесевых твердых топлив, что приводит к снижению скорости горения ТРТ (Фиг 1), а также выходных характеристик РДТТ (уровня тяги, величины импульса тяги).

2. При наличии бронепокрытия (БП) в конструкции заряда - диффузионные процессы в системе «ТРТ - бронепокрытие» (Пат RU 2154616, 2241845). Последние приводят как к потере энергетики, например, баллиститных ТРТ за счет диффузии нитроглицерина (НГ) в бронепокрытие, так и к повышению горючести БП, насыщенного НГ, что, в свою очередь, приводит либо к нерасчетному прогару БП (Фиг.2), либо к повышенному дымообразованию заряда в условиях активного горения БП, что существенно затрудняет наведение ракеты на цель.

3. Снижение уровня физико-механических характеристик ТРТ, обусловленное вышеуказанными химическими и диффузионными процессами, вплоть до механического разрушения заряда (растрескивания).

Как показал технический анализ, все указанные причины потери служебной пригодности заряда ТРТ, в части динамики процесса (скоростей различных химических и физических процессов), описываются известной зависимостью Аррениуса, которая позволяет получить общее соотношение для Т_экв (источник: ж. «Физико-химическая механика материалов», том 13, №1, 1977, «Наукова думка», Киев, Б.Д.Гойхман, Т.П.Смехунова, стр.92-97)

где

Е-энергия активации, кал/моль;

R-универсальная газовая постоянная, кал/моль·К;

τ₀-срок служебной пригодности заряда, сутки;

T_i-средняя температура для интервала Δτ_i, К;

n-число временных интервалов со средней температурой Т_i в течение срока служебной пригодности заряда;

Δτ_i - интервал времени, в течение которого действует температура Т_i в соответствии с ГОСТ 24482-80, сутки.

Указанное соотношение [1] для Т_экв характеризует процесс старения зарядов ТРТ в части конкретного физико-химического процесса с соответствующим уровнем энергии активации (Е). Однако в реальных условиях эксплуатации зенитных управляемых ракет (ЗУР), авиационных ракет (АР) и некоторых других ракет они, а следовательно, РДТТ и заряды ТРТ определенное время «жизни» (например, время боевого дежурства для систем ПВО) могут находиться под прямым воздействием солнечной радиации (ЗУР - на открытых направляющих пусковых установок, АР - пристыкованные к фюзеляжу самолета-носителя на открытой площадке аэродромов). Однако указанное соотношение в форме [I] не учитывает влияние солнечной радиации, создающей порою кратковременную, но весьма существенную дополнительную тепловую нагрузку, что может привести к потере эксплуатационных характеристик заряда ТРТ.

Аналогами патентуемого изобретения являются: пат. RU 2217746 С1, ист. Конструкции и отработка РДТТ, под ред. А.М.Винницкого, М.:«Машиностроение», 1980, стр.207-210, SU 1133507 А, RU 2018826 С1, RU 2056636 С1, DE 1275807 В.

Наиболее близким аналогом к патентуемому решению является изобретение по пат. RU 2217746 С1 (заявка 2002105234 от 26.02.2002 г., МПК G01N 33/22, F42B 35/00), выбранное авторами за прототип.

Технической задачей патентуемого изобретения является разработка эффективного способа ускоренного климатического испытания (УКИ) заряда ТРТ для подтверждения срока служебной пригодности заряда в естественных природных температурных условиях с учетом воздействия солнечной радиации.

Технический результат изобретения заключается (фиг.3) в способе испытания заряда ТРТ в составе РДТТ с учетом воздействия солнечной радиации в подтверждение срока служебной пригодности. Способ включает снаряжение заряда (5) в камеру сгорания (6) РДТТ, термостатирование заряда при температуре УКИ T_у, например 333 К, в течение промежутка времени τ_у, определенного с учетом эквивалентной температуры, по соотношению

разборку РДТТ и внешний осмотр заряда на наличие механического разрушения. При отсутствии механического разрушения заряда (трещин) заряд повторно собирают в РДТТ, оснащают РДТТ средством воспламенения и датчиком регистрации давления в камере сгорания и проводят огневое стендовое испытание заряда в составе РДТТ при крайних температурах эксплуатации заряда, например, 323 К и 273 К на соответствие требованиям документации по заданному уровню давления (р) и характеру зависимости «давление-время». При этом Т_экв определяют по соотношению

где Δτ_1i= Δτ_i-τ_c/кn,

Δτ_1i - временной интервал с температурой воздуха Т_i без учета времени действия солнечной радиации, сутки;

τ_c - общее время действия солнечной радиации за срок служебной пригодности заряда, сутки;

«Т_i+30» - средняя температура при действии солнечной радиации в течение срока служебной пригодности заряда, К (по ГОСТ 24482-80 предусматривается учет солнечной радиации при оценке сроков пригодности изделий, осуществлять путем увеличения средней температуры Т_i на 30 град.);

к - срок служебной пригодности заряда, год.

При этом температуру УКИ Т_у устанавливают предпочтительно 333 К, уровень которой, с одной стороны, как правило, близок к верхнему температурному пределу эксплуатации, с другой стороны - "минимально" влияет на характер протекания кинетических процессов в рецептурах ТРТ и бронепокрытиях (БП), и во взаимных диффузионных процессах в системе «ТРТ-БП», по сравнению с протеканием их при более высоких температурах (например 338 К, 343 К).

Патентуемый способ иллюстрируется на фигурах:

Фиг.1 - Зависимость скорости горения ТРТ

1 - для исходного ("свежего") ТРТ;

2 - для ТРТ, подверженного старению в процессе эксплуатации (хранения);

Фиг.2 - Зависимость "давление-время" - p(τ)

3 - нерасчетная зависимость "давление-время" (обусловленная прогаром бронепокрытия);

4 - расчетная зависимость;

Фиг.3 - Технологическая схема УКИ по патентуемому способу

5 - заряд ТРТ;

6 - камера сгорания РДТТ.

Сущность изобретения заключается в учете воздействия солнечной радиации на заряд ТРТ при определении эквивалентной температуры Т_экв, особенности которого заключаются в следующем:

1) Общее время воздействия солнечной радиации (τ_c) распределяется равномерно на каждый год из назначенного срока службы (срока служебной пригодности) - τ_c/к. При этом учитывают, что годовое изменение температуры окружающей среды практически систематически повторяется.

2) Определяют время воздействия солнечной радиации на заряд ТРТ в каждый интервал времени (Δτ_i), в течение которого действует температура Т_i в соответствии с ГОСТ 24482-80 - τ_с/кn. При этом учитываем, что интервал времени с одной температурой Т_i охватывает разные времена года, поэтому равномерное распределение времени действия солнечной радиации на все n интервалов является наиболее вероятным, отвечающим реальным условиям;

3) Для каждого интервала времени Δτ_i определяется время (Δτ_1i) без учета времени воздействия солнечной радиации по соотношению:

Δτ_1i= Δτ_i-τ_c/кn.

4) Определяется Т_экв с учетом воздействия солнечной радиации по соотношению [3] и определяют требуемое время длительного термостатирования τу с учетом выбранной повышенной температуры Т_у по соотношению [2].

В целом, при указанном порядке определения Т_экв соблюдается принцип равновероятности сочетания (наложения) естественного распределения температур в течение продолжительности срока служебной пригодности для заданного климатического района по ГОСТ 24482-80 и прямого воздействия солнечной радиации на заряд (в составе РДТТ, ракеты).

УКИ, с учетом воздействия солнечной радиации, по патентуемому способу осуществляются в порядке, указанном на технологической схеме (фиг 3).

Пример реализации способа:

Задан общий срок служебной пригодности заряда ТРТ в составе РДТТ - три года при эксплуатации в условиях сухого тропического климата. Суммарное время эксплуатации заряда (в составе РДТТ) под воздействием солнечной радиации в течение срока служебной пригодности заряда составляет 100 часов (4,17 суток). Требуется подтвердить срок служебной пригодности (эксплуатации) заряда ускоренными климатическими испытаниями при повышенной температуре.

Значение повышенной температуры Т_у при подтверждении УКИ выбирается, например, Т_у=333 К. На основании данных ГОСТ 24482-80 для расчета эквивалентной температуры (с учетом времени воздействия повышенной на 30°С температуры, за счет солнечной радиации) составляется табл.1 параметров применительно к заданному климатическому району - с сухим тропическим климатом без учета солнечной радиации, а также вспомогательная температурно-временная табл.2 (с учетом солнечной радиации и в соответствии с ГОСТ 24482-80 с увеличением на 30 град. для заданного срока действия солнечной радиации).

Подставляя численные значения параметров из табл.2 в соотношение [3], определяют значение Т_экв для заданного климатического района эксплуатации РДТТ (заряда ТРТ) с учетом солнечной радиации, а также продолжительность термостатирования τ_у:

Т_экв=309 К; τ_у=18,65 суток (при Т_у=333 К)

С учетом указанных параметров Т_экв τ_у осуществлены УКИ заряда (Фиг.3) из баллиститного ТРТ, включающие, помимо определения параметров Т_экв и τ_у, снаряжение заряда (5) в камеру сгорания (6) РДТТ, термостатирование заряда в составе герметичного РДТТ в течение 19 суток при Т_у=333 К. После термостатирования по указанному режиму была выполнена разборка РДТТ, произведен внешний осмотр зарядов на наличие дефектов и сохранения монолитности заряда. Дефекты отсутствовали, заряды сохранили монолитность. РДТТ был повторно собран с зарядом и подвергнут огневым испытаниям при Т=323 К с получением внутрибаллистических характеристик, близких к расчетным зависимости «давление-время» р(τ) «тяга-время» R(τ) соответствующим заданным требованиям.

Положительный эффект изобретения - повышение объективности (достоверности) оценки срока служебной пригодности заряда ТРТ с учетом прямого воздействия солнечной радиации на общий эксплуатационный ресурс заряда ТРТ, что позволяет повысить надежность отработки зарядов ТРТ (РДТТ) и ракетных систем в целом, особенно для условий теплонапряженного (тропического) климата, в части обеспечения требуемых сроков служебной пригодности.

Способ испытания заряда твердого ракетного топлива в подтверждение срока служебной пригодности в составе ракетного двигателя твердого топлива, включающий снаряжение заряда в камеру сгорания ракетного двигателя твердого топлива, термостатирование при температуре ускоренных климатических испытаний (Ту) снаряженного зарядом ракетного двигателя твердого топлива и проведение огневого испытания ракетного двигателя твердого топлива на соответствие требованиям технической документации, отличающийся тем, что время термостатирования τ_у определяют с учетом соотношения:

в котором для обеспечения возможности учета воздействия солнечной радиации эквивалентную температуру определяют по соотношению:

где Т_экв - эквивалентная температура, К;
Е - энергия активации, кал/моль;
R - универсальная газовая постоянная, кал/моль·К;
τ₀ - срок служебной пригодности заряда, сутки;
n - число временных интервалов со средней температурой Т_i в течение срока служебной пригодности заряда;
Δτ_1i= Δτ_i-τ_c/к·n - интервал времени, в течение которого действует температура Т_i без учета времени действия солнечной радиации, сут;
Δτ_i - интервал времени, в течение которого действует температура Т_i, сут;
Т_i - средняя температура для интервала времени Δτ_i, К;
τ_c - общее время действия солнечной радиации за срок служебной пригодности заряда, сут;
к - срок служебной пригодности, годы,
причем после термостатирования осуществляют разборку ракетного двигателя твердого топлива и осмотр заряда с оценкой его монолитности, затем производят повторное снаряжение заряда в ракетный двигатель твердого топлива, после чего осуществляют огневое испытание ракетного двигателя твердого топлива.