CC BY
32
УДК 621.454.3
ПЕРСПЕКТИВЫ СОЗДАНИЯ ТВЕРДОТОПЛИВНЫХ ИМПУЛЬСНЫХ ЭНЕРГОУСТАНОВОК С СУПЕРКОРОТКИМИ ВРЕМЕНАМИ РАБОТЫ
A.C. ЖАРКОВ, В.И. МАРЬЯШ, Д.Д. АКСЕНЕНКО
ФГУП "ФНПЦ "Алтай", Бийск Алтайского края, Россия
АННОТАЦИЯ. Скомпонована рецептура смесевого состава, мало чувствительного к тепловым, механическим и электрофизическим воздействиям и обладающего необходимыми адгезионными свойствами к жестким и эластичным несущим основаниям. Результаты проведенных исследований позволяют сделать вывод о возможности создания принципиально новых конструкций твердотопливных импульсных энергоустановок с суперкороткими временами работы.
В настоящее время в нашей стране и за рубежом проводятся интенсивные работы по созданию принципиально новых конструкций твердотопливных элементов (ТЭ) для энергоустановок (ЭУ) с короткими временами работы.
Подобные ЭУ находят применение как высоконадёжные компактные энергоисточники в различных областях техники.
Известно, что ресурсы унитарных составов были исчерпаны из-за их низкой энергетики, невозможности получения высоких скоростей горения при приемлемых давлениях в камере сгорания (КС) и технологических ограничений при изготовлении тонкосводных ТЭ, сами же конструкции ТЭ не обеспечивали предотвращения выброса догорающих остатков 13 из КС
Проблема создания ТЭ из высокоэнергетических смесевых составов впервые была поставлена и решена в ФГУП "ФНПЦ "Алтай" в связи с разработкой ЭУ с жесткими ограничениями по разбросам основных характеристик, короткими временами работы и высокими эксплуатационными нагрузками. Был разработан и внедрен в серийное производство целый класс ТЭ, конструкция которых практически полностью исключила выброс догорающих остатков ТЭ из ЭУ.
Опорным базовым элементом данного класса ТЭ являлась трёхслойная шашка-заготовка, в середине которой находилось стеклопластиковое несущее основание (НО), а снаружи и изнутри - прочноскреплённые с основанием тонкие слои смесевого топлива (рис. 1), что позволило существенно повысить энергетику, снизить разбросы характеристик в температурном диапазоне применения, обеспечить короткие времена работы ЭУ (~ 100 мс).
Рис. 1. Шашка со стеклопластиковым НО: 1 - состав, 2 - НО
Целью проведённых исследований являлись выбор и экспериментальное подтверждение концептуальных направлений в решении конструкторских, рецептурных и технологических задач по созданию ТЭ для ЭУ нового поколения с суперкоротким временем работы (до 10 мс)
К настоящему времени в ФГУП ФНПЦ "Алтай" проведен комплекс работ по исследованию возможности создания быстросгорающих ТЭ с НО из высокопористых ячеистых материалов (ВПЯМ). В качестве НО использованы освоенные промышленностью жёсткий высокопористый проницаемый ячеистый материал из медно-никелевого сплава марки ВПЯМ-МН и пенополиуретан эластичный открыто-пористый марки ППУ-ЭО-ЮО, который служит первоосновой для изготовления ВПЯМ-МН.
ППУ-ЭО-ЮО представляет собой эластичную ячеистую пластмассу с открыто-пористой структурой, средним размером ячеек от 1,8 до 3,5 мм и объёмной плотностью от 0,025 до 0.032 г/см3. Внешний вид ППУ-ЭО-ЮО представлен на рис. 2.
Рис. 2. Внешний вид ППУ-ЭО-ЮО 15-кратное увеличение
ВПЯМ-МН получают методом порошковой металлургии последовательным осаждением на ППУ-ЭО-ЮО меди и никеля с последующим их спеканием и параллельным выжиганием пенополиуретана. В11ЯМ-МН представляет собой жесткую решетча-то-ячеистую структуру со средним размером ячеек от 0,8 до 3,2 мм и объёмной плотностью от 0,3 до 1,0 г/см3 Результаты микроструктурного анализа образцов ВПЯМ-МН с плотностью р = 0,3 г/см^ показали содержание меди 12.6%, никеля 87,4%. На сканирующем электронном микроскопе 18М-840 проведено исследование структуры ВПЯМ-
т о
МН с плотностью р = 0.3 г/см и р= 1,0 г/см .
Внешний вид ВПЯМ-МН и сечение ребра ячейки представлены на рис. 3 и 4 соответственно.
Рис. 3. Внешний вид ВПЯМ-МН (11-кратное увеличение)
> ш ' „ - V"
*. * :*
176 тт Н045
Щ II: V ЩШМ В- 5
Рис. 4. Сечение ребра ячейки ВПЯМ-МН (170-кратное увеличение)
Как видно из рис. 2, 3 и 4, каркас ВПЯМ-МН повторяет конфигурацию пенополиуретана, сечение ребер - треугольной формы, средняя толщина стенок 15 мкм при р =
о "5
0,3 г/см"3 и 107 мкм при р= 1,0 г/см .
Материал состоит из плотно упакованных зерен, размеры которых 10...30 мкм (рис. 5). На поверхности и внутри материала наблюдаются поры размером 5... 10 мкм (рис. 6), единичные наросты высотой 3...5 мкм. Такая структура материала оказалась исключительно благоприятной для адгезии состава.
Рис. 5. Микроструктура материала ВПЯМ-МН (3000 - кратное увеличение)
Рис. 6. Микроструктура зерна ВПЯМ-МН (8000 - кратное увеличение)
Особый интерес вызывает использование ППУ-ЭО-ЮО в качестве основы для нанесения состава. Уникальные свойства пенополиуретана (малая плотность, прочность и эластичность) предоставляют благоприятные возможности для создания быст-росгорающего ТЭ нового типа - эластично-пористой конструкции, которую до и после нанесения состава можно сжимать и растягивать в несколько раз (рис.7) и размещать не только в цилиндрической части камеры сгорания (КС), но и по другим внутренним трактам КС (газоводы, предсопловые объемы и т.д.).
В основу перспективных конструкций заложены два основных принципа, обеспечивающие новый качественный уровень ТЭ:
- состав наносится в виде послойного пленочного покрытия на высокопористый ячеистый материал, что позволяет обеспечить развитую поверхность горения и дает большие возможности по варьированию плотности, энергетики и скорости горения;
- многократное повышение скорости горения ТЭ, выполненного в виде газопроницаемого ячеистого моноблока путем продувки через него собственных продуктов сгорания (ПС) между топкими слоями нанесённого состава, что в сочетании с малым сводом позволяет обеспечить суперкороткие времена сгорания пленочного покрытия.
Таким образом, ТЭ как макроконструкция представляет собой пористый газопроницаемый моноблок, а как микроконструкция - пленочное покрытие из смесевого состава на решетчато-ячеистом несущем основании.
Основные рецептурные и технологические проблемы при разработке пленочных покрытий заключались в необходимости достижения приемлемых показателей по энергетике, скорости горения, физико-механическим характеристикам, бездымности ПС, наличия промышленно-сырьевой базы в России.
Рис. 7. Элемент ППУ-ЭО-ЮО в исходном и сжатом состояниях после нанесения состава
В результате проведенных исследований скомпонована рецептура смесевого состава. Состав химически стоек, мало чувствителен к тепловым, механическим и электрофизическим воздействиям и обладает необходимыми адгезионными свойствами к жестким и эластичным НО, ПС бездымны.
Новизна в конструкции потребовала и разработки новых технологических приемов изготовления ТЭ. Нанесение состава на НО в виде пленочного покрытия обеспечивается приготовлением промежуточной технологической смеси с низкой вязкостью за счет применения летучего растворителя и осуществляется погружением в нее на короткое время. Под действием сил поверхности натяжения состав прилипает к НО. Для сохранения газопроницаемости ТЭ после выемки продувается воздухом. Нанесенное пленочное покрытие отверждается при определенной температуре в течение непродолжительного времени с одновременным удалением летучего растворителя.
Технология проста и не требует применения громоздкого и дорогостоящего оборудования. Толщина покрытия за одну операцию составляет 0,06...0,09 мм (рис. 8). Равномерность нанесения массы на элементы многоячеистой основы подтверждена микроструктурным анализом (рис. 9).
Апробированные приемы изготовления ТЭ предполагают применение конвейерной схемы с нанесением при необходимости слоев с различными характеристиками по плотности, энергетике и скорости горения.
Экспериментальные проверки покачали, что пленочные покрытия эксплуатационно устойчивы и не отслаиваются при больших ускорениях в широком температурном диапазоне.
Проведен анализ промышленно-сырьевой базы производства основных материалов для ТЭ с НО из ВПЯМ-МН и ППУ-ЭО-ЮО. Необходимая промышленная база в России имеется.
Рис. 8. Внешний вид нанесённого состава на ППУ-ЭО-ЮО (16 - кратное увеличение)
Рис. 9. Микроструктура состава в зоне нанесения (1000 - кратное увеличение)
Конструкторские и рецептурно-технологические решения позволили проявить следующие преимущества ТЭ:
- возможность уменьшения горящего свода в 10 - 30 раз по сравнению с существующими аналогами ТЭ из унитарных и смесевых составов;
- обеспечение функционирования ТЭ в течение нескольких миллисекунд;
- снижение разбросов основных характеристик в широком диапазоне температур в несколько раз:
- способность выдерживать высокие эксплуатационные нагрузки;
- при задействовании ТЭ в сочетании с традиционными медленно горящим и ТЭ из смесевых составов глубина регулирования основных характеристик ЭУ может достигать нескольких порядков значений.
Гипотетически применение высокопористых НО позволяет получать ТЭ с неограниченным развитием поверхности горения, площадь которой будет определяться в первую очередь геометрическими характеристиками НО и толщиной пленочного покрытия.
Разработаны алгоритм и расчётная модель поверхности НО, изменения поверхности горения S(e) и массы состава т^е) плотностью рт в зависимости от текущего свода е для газопроницаемых ТЭ с начальным объёмом Уз в предположении, что его ячейки представляют правильные додекаэдры, имеют одинаковый диаметр d и упакованы максимально плотным образом, а узлы решетки представляют правильные октаэдры. Приближённые зависимости имеет следующий вид:
S(e) = (2,к/2 + 38,1 бе • d - \20е2) - V3/d3;
тт(е) = (2,1е • й1 + 16,2 к2 • с1 - 60еъ)рт -У3/с13
Проведённые тестовые расчеты позволили определить необходимые массогаба-ритные параметры для проектирования конструкций ТЭ: диаметр ячейки НО, толщину свода и плотность состава, объем ТЭ в ЭУ. На основании полученных зависимостей возможно решение задачи о расчете диаграммы "давление-время" в нульмерной нестационарной постановке.
В качестве примера на рис. 10 представлены результаты расчетов и т-/(е)
о о
для объёма Уз =1 см с диаметром ячейки с/ = 0.32 см и плотности рт - 1,98 г/см .
Из вышеизложенного следует, что выбранные конструкторские и рецептурно-технологические решения позволяют создать принципиально новые ТЭ для импульсных ЭУ с суперкороткими временами работы.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ПОДТВЕРЖДЕНИЕ ПРИМЕНИМОСТИ ПОЛУЧЕННЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ
Испытания в приборе возрастающего давления (ПДВ) показали, что в условиях всестороннего свободного истечения ПС из образцов ТЭ диаметром 30 мм структурно-геометрические характеристики ВПЯМ-МН не оказывают существенного влияния на воспроизводимость баллистических характеристик (рис. 11).
Для экспериментальной проверки конструкторских и рецептурно-техно-логических решений спроектирована и изготовлена модельная камера, позволяющая проводить испытания лабораторных ячеистых образцов диаметром 30 мм с различной объемной плотностью заполнения (рис.12).
т. г э, см' 1.5,15
1.0
10
э
"*
■— Н-П л ■
•V и1у|
* ^ ^ т ** ^ _
0,5
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0.5 е, мм
Рис. 10. Расчёт Б(е) и т^е)
Р.МРа
25
20
15
10
.х" /---
/ У ^
0
0
12
т, мс
Рис. 11. "Огибающая трубка" давления при испытаниях образцов ТЭ с НО из ВПЯМ-МН в ПВД (рт= 0.3... 1,0 г/см3)
1
///////////////////К////1&/////////Л
Рис. 12. Модельная камера: 1 - корпус; 2 - крышка передняя; 3 - сопловой вкладыш; 4 - герметизирующая мембрана; 5 - имитатор свободного объема; 6 - инициатор; 7 - штуцера для установки датчиков давления; 8 - исследуемый образец
Испытания образцов ТЭ с НО из ППУ-ЭО-ЮО в модельной камере подтвердили возможность уменьшения времени работы импульсных ЭУ до уровня нескольких миллисекунд (рис. 13).
Рис. 13. Испытания образцов ТЭ с НО из ППУ-ЭО-ЮО в модельной камере ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Результаты проведенных исследований позволяют сделать вывод о возможности создания принципиально новых конструкций твердотопливных импульсных энергоустановок с суперкороткими временами работы, превосходящих по своим характеристикам известные аналоги для различных видов техники.
SUMMARY. The formula of solid propellant mixture is arranged. The mixture is not sensitive to heat, mechanical and electrophysical influence and have a necessary adhesive behavior to rigid and flexible structural basis. Results of researches allow to draw a conclusion about potential of new construction creation of impact solid propellant powerplant with supershort downtime
