CC BY
119
УДК 629.7.026
А.Ф. Шмаков, Ю.Б. Евграшин
Пермский государственный технический университет
РАКЕТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА С ЗАРЯДОМ, СКРЕПЛЕННЫМ ПО КАНАЛУ С КАМЕРОЙ СГОРАНИЯ
Рассматривается конструкция ракетного двигателя на твердом топливе длительного времени работы с постоянным центром масс в течение всего времени работы. Рассматриваемый заряд позволяет уменьшить НДС примерно в 10 раз по сравнению с зарядом, скрепленным с корпусом двигателя по внешней поверхности, исключить отслоение топлива по адгезионному шву и увеличить полный импульс силы тяги двигателя на 5...10 %.
Ключевые слова: эквивалентные напряжения, напряженно-деформированное состояние, ракетный двигатель, полный импульс.
Существующая практика скреплять заряд по наружной поверхности с камерой сгорания не всегда отвечает требованиям создания эффективной конструкции РДТТ. Например, при создании конструкции маршевого РДТТ крылатой ракеты с длительным временем работы (150-300 с) [1] применяются два вкладных заряда, горящие торцы которых обращены навстречу друг к другу. Сопла расположены в средней части двигателя под углом к продольной оси РДТТ. Данная конструкция применяется для обеспечения постоянства положения центра масс двигателя при его работе. Недостатком данного устройства является малое значение полного импульса реактивной силы. Причиной этого является применение вкладного заряда торцевого горения, при котором достаточно большой объем камеры сгорания занимают теплозащитное и бронирующее покрытия, а также гарантированный зазор между этими покрытиями (застойная зона). Кроме этого наличие наклонных сопел увеличивает потери тяги двигателя.
Применение заряда, прочно скрепленного по наружной поверхности с корпусом двигателя и также обеспечивающего постоянство центра масс конструкции, позволяет уменьшить потери единичного импульса вследствие применения центрального сопла, ось которого совпадает с осью двигателя [2]. По продольной оси заряда установлена жаростойкая труба, прочно скрепленная с каналом заряда, которая вы-
полняет функцию газовода и бронирующего покрытия канала заряда. Заряд горит с обоих торцов, что обеспечивает постоянство центра масс двигателя.
Рис. 1. РДТТ с зарядами торцевого горения
Данный заряд имеет очень высокий уровень напряженно-деформированного состояния, так как он имеет прочное скрепление с наружным металлическим корпусом и одновременно по каналу скрепляется с жесткой трубой из композиционного материала. Кроме этого у данного заряда очень низкая надежность бронирующего покрытия, которое находится в высокотемпературном потоке продуктов сгорания, имеющих достаточно высокую скорость движения.
Рис. 2. РДТТ с прочно скрепленным по внешней поверхности зарядом торцевого горения
Традиция скрепления заряда по наружной поверхности ведет к значительному напряженно-деформированному состоянию заряда по той причине, что при уменьшении температуры заряд начинает сжиматься и стремится оторваться от корпуса по своему максимальному диаметральному размеру. Это ведет к большим напряжениям на контакте «заряд-корпус» и значительным деформациям топлива в зоне
канала. При скреплении заряда по каналу контакт между узлом крепления и топливом происходит по минимальному диаметру, что уменьшает напряженно-деформированное состояние заряда.
При уменьшении температуры заряд начинает сжиматься и облегает жесткую центральную трубчатую опору. Максимальные напряжения при этом уменьшаются в 2.. .22 раза [3]. Кроме этого полностью исключается отслоение топлива от корпуса. Все это ведет к увеличению надежности двигателя. Уменьшение напряженно-деформированнного состояния дает возможность увеличить отношение между наружным и внутренним диаметрами заряда. Это приведет к увеличению коэффициента поперечного заполнения камеры сгорания топливом, увеличит полный импульс реактивной силы двигателя и дальность полета ракеты.
Центральная труба заряда несет достаточно большую нагрузку и выполняет функцию газовода, поэтому она, в зависимости от массы заряда и действующих перегрузок, должна быть жесткой. Она может выполняться из композитного материала или из металла с нанесенным теплозащитным покрытием. Центральная труба крепится к решеткам, установленным в области переднего и заднего днища двигателя и передающим нагрузку на его корпус. Для защиты наружной поверхности заряда от горения на ней устанавливается разрезная манжета, одной поверхностью скрепляемая с внутренней поверхностью корпуса, а другой - с наружной поверхностью заряда. Для того чтобы не было перетекания продуктов сгорания по заманжетной полости, в средней ее части разрез не выполняется. Потери силы тяги за счет не соосности сопел полностью исключаются. Схема данной конструкции приведена на рис. 3.
Рис. 3. Схема ракетного двигателя с зарядом, скрепленным по каналу:
1 - заряд твердого топлива; 2 - центральное трубчатое тело; 3 - решетка;
4 - корпус двигателя; 5 - сопло; 6 - манжета; 7 - неразрезанная часть манжеты
Предлагаемое устройство работает следующим образом.
При эксплуатации двигатель находится под воздействием колебаний температуры окружающей среды, в заряде 1 возникают температурные напряжения, которые воспринимает центральное тело 2. Напряжения в этом месте будут сжимающие, поэтому отслоения топлива от центрального тела исключены. На границе «заряд - корпус двигателя» напряжения отсутствуют из-за наличия разрезной манжеты 6. В средней части манжеты 7 разрез отсутствует, поэтому в этой части возникают достаточно большие напряжения, но они воспринимаются не топливом, а резиной, физико-механические характеристики которой значительно выше, чем у топлива. При запуске двигателя воспламеняются торцы заряда 1, продукты сгорания от переднего торца заряда проходят через отверстие центрального тела 2, смешиваются с продуктами сгорания от заднего торца заряда и истекают через центральное сопло 5, ось которого параллельна оси двигателя. Продукты сгорания заполняют также за-манжетную полость. Переток продуктов сгорания по зазору между наружной поверхностью заряда 1 и корпусом двигателя 4 исключается наличием неразрезанной части манжеты в средней ее части 7.
Для определения количественной оценки степени снижения НДС заряда проведено сравнительное исследование прочностных характеристик заряда, скрепленного по каналу и по наружной поверхности в программе численного моделирования ЛКБУБ.
На рис. 4 представлены эквивалентные напряжения, возникающие в рассматриваемых зарядах от действия давления 6 МПа. Как видно по графику, напряжения, возникающие в заряде, скрепленном по каналу, меньше в 2.22 раза, чем у заряда, скрепленного по наружному радиусу. Напряжения, возникающие в заряде, скрепленном по каналу, равномерно распределены по радиусу.
На рис. 5 представлены эквивалентные напряжения, возникающие в рассматриваемых зарядах от действия температуры -50 С.
При общем сравнении НДС зарядов, прочно скрепленного с корпусом по каналу и скрепленного по внешней поверхности, видно, что заряд с жестким газоводом менее нагружен, чем заряд, прочно скрепленный по внешней поверхности. Эквивалентные напряжения в 10-20 раз меньше, что позволяет при одних и тех же габаритах использовать заряды с меньшим радиусом канала. Уменьшение радиуса приводит к увеличению массы топлива, что увеличивает дальность полета ракеты. Также при действии температурной нагрузки при прочном скреплении заряда с корпусом по каналу исключаются отслоения топлива.
Рис. 4. Эквивалентные напряжения от действия внутреннего давления равное 6 МПа: крепление по каналу: 1 - р=0,492,
2 - р=0,494, 3 - р=0,496; крепление по внешней поверхности: 4 - р=0,492, 5 - р=0,494, 6 - ц=0,496
оЭКв, МПа
Рис. 5. Эквивалентные напряжения от действия температурной нагрузки -500С; крепление по каналу: 1 - р=0,492, 2 - р=0,494, 3 - р=0,496; крепление по внешней поверхности: 4 - р=0,492, 5 - р=0,494, 6 - ц=0,496
В результате проделанной работы были сделаны следующие выводы:
1. Проведенное исследование показало, что заряд, скрепленный по каналу, имеет существенно меньшее НДС при действии давления и температурной нагрузки, чем заряд, скрепленный по наружной поверхности, что позволяет существенно повысить надежность двигателя.
2. Применение заряда, скрепленного по каналу с корпусом ракетного двигателя, позволяет увеличить надежность двигателя за счет уменьшения эквивалентных напряжений в заряде в 2...22 раза и исключения отслоений топлива.
3. Увеличение коэффициента объемного заполнения и исключение потерь силы тяги из-за несоосности сопел позволяет увеличить полный импульс реактивной силы двигателя на 5.10 %.
Библиографический список
1. Rocket Motor with Blast Tube and Case Bonded Propellant: United States Patent № 3765177 / Ritchey Harold W., McDermott John M. - 1973.
2. Ракетный двигатель на твердом топливе: патент РФ № 2312999 / Ю.Б. Евграшин, Р.В. Бульбович, А.Ф. Шмаков [и др.]. Приоритет от 02.05.06.
3. Каплун А.Б., Морозов Е.М., Олиферьева М.А. ANSYS в руках инженера: практическое руководство. - 2-е изд., испр. - М.: Едиториал УРСС, 2004. - 272 с.
Получено 6.12.2010
