заряд твердого топлива ракетного двигателя

Формула изобретения

Заряд твердого топлива ракетного двигателя, выполненный в виде шашки, содержащей армирующий элемент, отличающийся тем, что армирующий элемент выполнен из высокопористого ячеистого материала (ВПЯМ) объемной структуры по форме заряда, а перемычки (тяжи) в ячейках пористого материала выполнены пустотелыми.

Описание изобретения к патенту

Предлагаемое изобретение относится к области ракетной техники, а именно к конструкции зарядов как смесевых твердых топлив (СТТ), так и баллиститных твердых топлив (БТТ) ракетных двигателей, эксплуатируемых в широком температурном диапазоне (минус 60...60 ^oС), и может быть использовано при проектировании, отработке и изготовлении ракетных двигателей твердого топлива.

Прочноскрепленные с обечайкой корпуса двигателя заряды твердого топлива в процессе эксплуатации и боевого применения подвержены высоким значениям тепловых и транспортных нагрузок, воздействию осевых и радиальных перепадов давления внутри корпуса двигателя при его работе, осевым и поперечным перегрузкам при полете ракеты, что накладывает жесткие требования на физико-механические характеристики топлива.

Механические свойства топлива должны быть такими, чтобы топливные заряды выдерживали возникающие напряжения без разрушения, жесткость топлива должна быть достаточной, чтобы заряд выдерживал все нагрузки, и топливо должно обладать умеренно упругими свойствами, т.к. местные деформации не должны превысить допустимую величину.

С целью обеспечения прочности заряда, повышения баллистических характеристик двигателя, за счет существенного увеличения скорости горения топлива, широко используется принцип армирования зарядов (свода топлива) какими-либо элементами в виде металлической сетки, металлической проволоки, фольги, стеклоткани, полимерной сетки с металлическим покрытием и т.д.

Известен заряд твердого топлива по патенту США 3812785, кл. 102-100 (заявлен 30.03.70г. ), в котором ячеистая структура топлива с сепараторами используется для повышения прочности заряда и увеличения поверхности горения.

Известен заряд ТТ по патенту США 3763787, кл. 102-100 (заявлен 11.02.71г.), армированный стекловолокнистой решеткой.

Известен заряд твердого топлива из книги Д.И. Абдугова, В.М. Бобылева. Теория и расчет ракетных двигателей твердого топлива. М.: Машиностроение, 1987, с. 86, рис. 5.8, выполненный в виде шашки торцевого горения с размещенными в ее своде армирующими элементами в виде проволочек из металлов с большим коэффициентом теплопроводности, ориентированных вдоль оси корпуса двигателя с определенной плотностью по поперечному сечению.

По мере выгорания топлива в таком заряде концы проволочек оказываются над поверхностью горения в зоне высокотемпературных продуктов сгорания, часть тепла от проволочек переходит к прилегающему топливу, повышается его температура и, как следствие, увеличивается местная скорость горения топлива.

Представленные выше конструкции зарядов являются аналогами предлагаемого изобретения.

Основным недостатком существующих конструкций зарядов, армированных различными элементами, является снижение механической надежности заряда из-за возникновения локальных концентраторов напряжений в месте контакта армирующего элемента с топливом.

Наиболее близким по технической сущности является быстросгорающий заряд твердого топлива ракетного двигателя по патенту RU 2130125 С1, МПК 6 F 02 K 9/10 от 17.06.96г., который принят авторами за прототип.

Конструкция быстросгорающего заряда-прототипа представляет собой шашку, содержащую в своде армирующий элемент, представляющий собой ячеистую несущую конструкцию в виде пересекающихся связующих элементов, и покрытие из твердого топлива. Связующие элементы выполнены в виде пустотелых балок необходимого сечения с газопроницаемыми стенками. Ячеистую несущую конструкцию опускают в топливную массу, которая осаждается на ней и застывает. В конечном итоге заряд представляет собой объемную ячеистую газопроницаемую конструкцию, где топливо покрывает связующие элементы на определенную толщину.

На фиг. 1 и фиг.2 показаны элементы ячеистой несущей конструкции быстросгорающего заряда-прототипа, покрытые топливом.

Недостатками заряда-прототипа являются:

1. Заряд получают методом окунания ячеистого несущего каркаса в топливную массу, что не позволяет использовать штатные топлива повышенной вязкости.

2. Топлива с низкой вязкостью низкокалорийные, т.к. в них не используются высококалорийные энергетические добавки, и такие заряды ограничены в применении.

3. Низкая технологичность и производительность процесса заполнения зарядов с ячеистой несущей конструкцией методом свободного окунания.

4. Топливо покрывает пустотелые балки на определенную толщину, между балками, покрытыми топливом, имеются пустоты, что резко снижает коэффициент объемного заполнения заряда топливом, что, в свою очередь, снижает энергетические характеристики двигателя и коэффициент весового совершенства изделия.

5. Поставленная авторами задача создания заряда твердого топлива, обеспечивающего "нейтральный" закон горения, может быть не достигнута, т.к., исходя из фиг.1, топливные газы, пройдя через газопроницаемые отверстия 4, зажгут внутреннюю поверхность 6 только в месте расположения отверстий, в то время как оставшаяся часть внутренней поверхности топливного покрытия будет еще скреплена с несущей конструкцией 1 и, исходя из условия горения топлива параллельными слоями, внутренняя поверхность топливного покрытия будет разгораться (увеличиваться) от газопроницаемого отверстия 4, что не обеспечит "нейтральный" закон горения, т.к. газообразование по наружной поверхности значительно больше газообразования по внутренней поверхности и в этом случае будет обеспечиваться "дегрессивный" закон горения.

6. Возможность нерасчетного режима работы заряда и, как следствие, демонтаж двигателя, т.к. продукты сгорания топлива, пройдя через газопроницаемые стенки 4 (см. фиг.2) пустотелых балок 2 связующих элементов, воспламеняют внутреннюю поверхность 6 свода топлива 3. В процессе выгорания топлива 3 по внутренней поверхности через некоторый промежуток времени после воспламенения топливо уже не будет покрывать связующие элементы, и ячеистый каркас уже не будет выполнять роль несущей конструкции, что значительно снижает механическую надежность топливного покрытия и приведет к разрушению оставшегося несгоревшего свода топлива. Данная ситуация приведет к разрушению двигателя за счет резкого увеличения давления или, в лучшем случае, к потере полного импульса тяги двигателя за счет выброса разрушенных кусков топлива из камеры сгорания.

Задачей предлагаемого изобретения является создание конструкции заряда ракетного топлива, армированного высокопористым ячеистым материалом (ВПЯМ), менее чувствительного к действующим нагрузкам, имеющего более высокую механическую надежность при работе двигателя, более высокие энергетические характеристики и коэффициент весового совершенства.

Задача решается за счет того, что в известном заряде твердого ракетного топлива, выполненном в виде шашки, содержащей армирующий элемент, армирующий элемент выполнен из высокопористого ячеистого материала (ВПЯМ) объемной структуры по форме заряда, а перемычки (тяжи) в ячейках пористого материала выполнены пустотелыми.

Поперечное сечение перемычек (тяжей) может быть круглым, треугольным, квадратным и другой формы.

На фиг. 3 представлена модель структуры ВПЯМ с ячейкой в виде пентагондодекаэдра.

На фиг. 4 представлено сечение объемной ячейки ВПЯМ с основными ее параметрами и полыми перемычками (тяжами).

При изготовлении заряда твердого топлива ячейки армирующего элемента заполняют топливной массой под давлением, что придает заряду изотропные свойства по всем направлениям и снижает напряжения в заряде за счет закрепления каркасом малых объемов топлива. Применение полых тонкостенных перемычек (тяжей) позволит дополнительно снизить напряжения в пределах отдельных ячеек, т.к. позволяет "дышать" топливу за счет их частичного возвратного сминания.

Сетчатая структура ВПЯМ с соединяющимися порами может изготавливаться из металлов, оксидов металлов, графита, полимеров с покрытием и т.д. ВПЯМ получают методами порошковой металлургии с применением специальной оснастки (см. В. Н. Анциферов, С.Е. Порозова. Высокопористые алюмосиликатные материалы: получение, свойства, применение. Пермь: ПГТУ, 1995).

Анализом напряженнно-деформированного состояния заявленного заряда установлено, что армирующий каркас воспринимает действующие тепловые и транспортные нагрузки, воздействие осевых и радиальных перепадов давления внутри корпуса при его работе, воздействие осевых и поперечных перегрузок при полете ракеты, что позволяет при прочих равных условиях снизить требования к предельным механическим характеристикам твердого топлива.

На фиг. 5. представлено фото структуры ВПЯМ, выполненного с полыми перемычками (тяжами). Стрелкой на фото помечена полая перемычка (тяж).

Функционирование предложенного заряда происходит следующим образом. При воздействии на заряд всех видов нагрузок и, в первую очередь, температурного перепада, в заряде возникают напряжения (наибольшие на контакте с корпусом двигателя) и деформации (наибольшие на канале заряда). 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.

Твердое ракетное топливо имеет коэффициент линейного расширения на порядок выше, чем материал ячеистого каркаса, и применение полых перемычек ВПЯМ позволяет "дышать" топливу за счет их частичного возвратного сминания и снижения коэффициента термического расширения, т. е. происходит дополнительное снижение уровня напряженно-деформированного состояния в пределах отдельных ячеек.

Кроме того, используя для изготовления армирующего элемента материалы с высоким коэффициентом теплопроводности, можно значительно повысить энергетические характеристики двигателя, т.к. по мере выгорания топлива армирующий каркас в виде ВПЯМ частично попадает в зону высокотемпературных продуктов сгорания, и за счет теплопередачи происходит резкое повышение температуры топлива как на поверхности топлива, так и в прилегающих слоях по всей поверхности горения, что значительно увеличивает скорость горения топлива.

Заполнение каркаса армирующего элемента топливной массой под давлением позволит более равномерно распределить топливо по всему объему заряда и соблюсти условие равноплотности получаемой конструкции, что повышает энергетические характеристики двигателя и улучшает коэффициент весового совершенства изделия в целом.

Таким образом, использование в заряде твердого ракетного топлива ВПЯМ с полыми перемычками (тяжами) позволяет:

1) снизить высокий коэффициент термического расширения топлива при воздействии переменной температуры;

2) ослабить зависимость модуля упругости топлива от температуры при одновременном его увеличении;

3) уменьшить ползучесть топлива при высокой температуре (особенно важно для ракет класса "воздух-воздух", имеющих высокий уровень температуры за счет кинетического нагрева корпуса двигателя в состоянии подвески под самолетом-носителем);

4) повысить энергетические характеристики двигателя, за счет механизма теплопередачи из высокотемпературной зоны горения, как на поверхность топлива, так и в прилегающие слои по всей поверхности горения, увеличивая при этом скорость горения топлива;

5) получить изотропные свойства конструкции по всем направлениям;

6)) дополнительно снизить напряжения в топливе в пределах отдельных ячеек.