- •Рабочие процессы
- •В ракетных двигателях
- •Твердого топлива
- •Справочник
- •Глава 1. Ракетные двигатели твердого топлива
- •1.2 Твердые ракетные топлива
- •1.3 Соновные элементы конструкции
- •1.3.1 Корпус и сопло
- •1.3.2 Заряд твердого топлива
- •1.3.3 Устройства создания управляющих усилий
- •1.3.4. Воспламенительное устройство
- •1.3.5. Узел отсечки тяги
- •1.4. Моделирование рабочих процессов в рдтт
- •Глава 2. Горение заряда твердого топлива
- •2.1. Скорость горения твердого топлива
- •2.2. Термодинамический расчет процессов горения и истечения
- •2.3. Изменение давления в рдтт во времени
- •2.3.1. Периоды работы рдтт
- •2.3.2. Неустойчивые режимы работы рдтт
- •2.3.3. Влияние вращения на внутреннюю баллистику рдтт
- •2.3.4. Анализ отказов двигателя при стендовых испытаниях
- •2.3.5. Горение старого заряда в камере прямоточного двигателя
- •2.4. Регулирование рдтт
- •3.1. Одномерные течения
- •3.1.2. Газодинамические функции
- •3.2. Местные сопротивления в рдтт
- •3.2.1. Течение газа в предсопловом объеме
- •3.3. Течение газа в нале заряда твердого топлива
- •3.3.1. Течение газа в цилиндрическом канале
- •3.3.2. Течение газа в каналах нецилиндрических форм
- •3.4. Разброс параметров рдтт
- •3.5. Выход рдтт на режим установившейся работы
- •3.5.1 Воспламенение заряда твердого топлива
- •3.5.2. Заполнение застойной зоны
- •3.5.3. Натекание в отсек между разделяющимися ступенями
- •3.6. Переходные процессы при отсечке тяги рдтт
- •3.6.1. Отсечка тяги путем вскрытия дополнительных сопел
- •3.6.2. Отделение части двигателя
- •3.6.3. Гашение заряда твердого топлива
- •3.6.4. Волновое движение газа
- •3.7. Двухмерное течение газа в канале заряда
- •4.1. Профилирование сопел рдтт
- •4.1.1. Дозвуковая часть сопла
- •4.1.2. Коэффициент расхода сопел
- •4.1.3. Профилирование сверхзвуковой части сопла для однофазных продуктов сгорания твердого топлива
- •4.1.4. Течение газа с частицами
- •4.2. Потери удельного импульса в сопле
- •4.2.1. Составляющие потерь удельного импульса
- •4.2.2. Отсутствие кристаллизации в сопле
- •4.2.3. Одномерное течение
- •4.2.4. Уточнение потерь на физическую неравновесность многофазного потока
- •4.2.5. Потери удельного импульса многофазного потока из-за утопленности сопла
- •4.3. Эксцентриситет реактивной силы
- •4.4. Характеристики устройств создания управляющих усилий
- •4.4.1. Обтекание выдвижного щитка и дефлектора
- •4.4.2. Вдув газа и впрыск жидкости в сопло
- •4.4.3. Истечение недорасширенной струи навстречу сверхзвуковому потоку
- •4.5. Отрыв потока от стенок сопла
- •4.6. Высотные испытания рдтт
- •4.6.1. Структура стендов для высотных испытаний
- •4.6.2. Пусковое давление цилиндрического выхлопного диффузора
- •4.6.3. Изменение давления в двигателе, барокамере и выхлопном диффузоре
- •4.6.4 Обработка результатов высотных испытаний
- •Глава 5. Взаимодействие продуктов сгорания с материалами тракта рдтт
- •5.1. Компоненты воздействия
- •5.2. Модели конвективного теплообмена
- •5.2.1. Интегральные соотношения теории пограничного слоя
- •5.2.2. Интегральная теория пограничного слоя
- •5.2.3. Моделирование пристенной турбулентности
- •5.2.4. Конвективный теплообмен на утопленной части сопла
- •5.2.5. Конвективный теплообмен за минимальным сечением сопла с цилиндрической горловиной
- •5.2.6. Конвективный теплообмен в возмущенной области при несимметричном вдуве газав закритическую часть сопла
- •5.2.7. Нестационарный теплообмен в рдтт
- •5.2.8. Теплообмен на регуляторах расхода газа
- •5.2.9. Теплообмен в многофазных течениях
- •5.2.10. Свободная конвекция в рдт
- •5.3. Радиационный теплообмен в рдтт
- •5.4. Воздействие газовых потоков на композиционные материалы
- •5.5. Воздействие газовых потоков
- •5.6. Оздействие многофазных потоков на композиционные материалы
- •5.7. Тепловое состояние элементов рдтт
- •5.8. Теплофизические и некоторые другие характеристики материалов
- •5.9. Результаты испытаний тепловой защиты рдтт
- •Глава 1. Ракетные двигатели твердого топлива……….……………………….8
- •Глава 2. Горение заряда твердого топлива ………………………………..44
- •Глава 3. Газодинамические процессы в рдтт………………………………...66
- •Глава 4. Газодинамические характеристики соплового блока…………….113
- •Глава 5. Взаимодействие продуктов сгорания с материалами
1.3 Соновные элементы конструкции
Стартовая масса ракетыm, имеющей n ступеней, связана с максимальной дальностью полета L приближенным соотношением [17] m=,
гдеm - масса полезной нагрузки; =m/m; I - среднее значение пустотного удельного импульса; А и а – коэффициенты, значения которых в первом приближении составляют А=407, а=1/3 при 300 кмL6000 км; А=825, а=1/4 при 6000 кмL12000 км.
Причем в диапазоне L500 обычно n=1, в диапазоне 500 кмL5000 км n=2, в диапазоне 5000 кмL12000 км n=3.
Оптимальный относительный запас топлива =(1-exp(-)).
Учет потерь скорости на преодоление сил гравитации и прохождение плотных слоев атмосферы в первом приближении приводит к соотношениям (n=2; 3):
=0,9;=(1,08…1,12);
= 1-.
Время работы ступени t связано с начальной, задаваемой тяговооруженностью n=t=(при условииmconst).
Для каждой ступени по известным ,n и m находятся основные проектные параметры, в качестве которых для многоступенчатых ракет принято считать диаметр ступени, массу топлива, давление в двигателе, степень расширения сопла, длину сверхзвучной части, длину утопленной части, время работы (табл. 1.15).
Таблица 1.15
Параметры ступеней многоступенчатой ракеты
Параметр |
Первая ступень |
Вторая и третья ступень |
Номинальное давление в камере, МПа Степень расширения сопла, F/F Относительная длина утопленной части сопла Ограничение на диаметр выходного сечения сопла Максимальный уровень потребных управляющих сил, % Начальная тяговооруженность |
6…8 10…12
0…0,3
0,75D
10…12 2,0…2,8 |
3…5 25…100
0…0,3
D 5…8 (вторая); 1…1,5 (третья); 3…3,5 (вторая); 3,5…4 (третья) |
_______________
*D– диаметр двигателя.
На долю двигателей приходится 80…90% массы всей твердотопливной ракеты, и конструктивные особенности РДТТ во многом определяют конструктивную схему ракеты и ее основные технические характеристики. В свою очередь, конструктивные особенности РДТТ в основном определяются (табл. 1.16):
формой и принципиально-конструктивной схемой корпуса;
формой заряда твердого топлива, способом его крепления в корпусе;
числом и компоновкой сопел;
типом и компоновкой устройств создания управляющих усилий;
устройством узла отсечки тяги.
1.3.1 Корпус и сопло
Корпус и сопло представляет собой полую многоблочную (см. рис. 1.1) или сборную односекционную (многосекционную) оболочку цилиндрической формы, закрытую с торцев передним и задним днищами. Корпуса могут иметь и другую форму, например, шаровую, эллипсообразную. Днища выполняются монолитно с цилиндрической частью и отдельно. Внутреннее строение корпуса определяется конструкцией заряда твердого топлива.
Таблица 1.16
Характеристики различных схем РДТТ
Схема РДТТ |
Топливо |
Заряд |
Удельный импульс, м/с |
Время работы, с | |
Рис. 1.2 Рис. 1.8 Рис. 1.1 |
Баллиститное Смесевое Смесевое |
Многошашечный Вкладной Скрепленный |
0,85…1,9 0,1…0,15 0,05…0,08 |
~2000 ~2400 ~2800 |
<10 ~45 ~60 |
Силовые оболочки типа «кокон» изготавливаются из композиционного материала методом спиральной намотки на оправку с выполнением днищ вместе с цилиндрической частью оболочки.
Толщина оболочки корпуса в местах перехода днища в цилиндрическую часть определяется по формуле
=,
где р- максимальное давление в двигателе;D – внутренний диаметр цилиндрической части обечайки; d - диаметр полюсного отверстия; - предел прочности на растяжение стеклоленты.
Равнопрочная цилиндрическая оболочка получается при = 2…3(d, где - толщина кольцевых слоев;- толщина спиральных слоев.
Толщина днища в заднем месте
=,
где - угол намотки.
Стыковочные юбки (см. рис. 1.1) изготавливаются намоткой заодно с корпусом, и в них вмотаны закладные детали фланцев. Стыковочные юбки являются частью конструкции ракеты и должны выдерживать комбинированные нагрузки: по оси (сжатие и изгиб), сдвиг и кручение.
Цилиндрическая часть силовой оболочки может быть изготовлена методом продольно-поперечной намотки на оправку.
Толщина стенки оболочки корпуса определяется по формуле
= pD/(2[]),где []= - предел прочности стеклопластика (0,1…1,1 ГПа); n – запас прочности (1,35…1,5). Эта формула справедлива, когда на два слоя окружных лент наносят один слой продольных лент.
Силовые оболочки выполняются без единиц с утолщением по обоим торцам с последующей их механической обработкой для подготовки мест соединения с металлическими днищами.
Металлические обечайки корпуса
Подразделяются по форме на цилиндрические, конические и сферические, а по технологии изготовления – на сварные (с кольцевыми, спиральными и продольными швами) и бесшовные (раскатные и цельнотянутые).
Комбинированные обечайки корпуса представляют собой металлические обечайки, усиленные наружной оплеткой из стеклонитей или других высокопрочных армирующих материалов, которые выполнены с определенным натяжением, создающим в слое оплетки до нагружения оболочки напряжения. Если оплетки принимает на себя половину окружной нагрузки, действующей на всю цилиндрическую обечайку, тогда отношение толщин металлической оболочки и оплеткиявляется оптимальным. При этом толщина металлической обечайки определяется из условия обеспечения прочности в осевом направлении=pD/4[], а недостаточная прочность в окружном направлении компенсируется оплеткой с толщиной, равной=pD/4[]. В этих формулах [] и []- допустимые напряжения в металлической обечайке и армирующей оплетке соответственно.
Соединения элементов конструкции обеспечиваются с помощью специальных узлов, основные требования к которым сводится к обеспечению прочности и герметичности соединений при минимальных массе и габаритных размерах применительно к каждому конкретному случаю с учетом материалов соединяемых элементов и видов нагружения.
При одном и том же типе разъемного соединения возможно огромное число модификаций кольцевых уплотнений на стыке. Основным элементом уплотнений является резиновое кольцо. Размеры резиновых колец и канавок под них, а также рекомендации по применению резиновых уплотнительных колец даются в соответствующих общесоюзных и отраслевых стандартах (ГОСТ 9833-73).
В сопловом блоке РДТТ может содержаться различное число сопел: одно (соосное с двигателем или повернутое относительно оси двигателя на угол 90), два (поворотных) или четыре, а также 10…20, наклоненных к плоскости сопловой крышки, например, у турбореактивных снарядов (см. рис. 1.2).
Сопло может быть круглым и кольцевым (последние пока не нашли применения в РДТТ).
Схема РДТТ с одним центральным соплом характеризуется наилучшими энергомассовыми характеристиками. Для сокращения длины двигателя сопло может быть уплотнено в корпус (см. рис. 1.1). В двигателях ракет, в которых РДТТ располагают в близи центра ракеты, вход в сопло выполняют в виде удлиненной трубы. Габаритные размеры сопла изменяемой геометрии в рабочем положении превышают исходные, таким является раздвижное сопло (рис. 1.3).
Рис. 1.3 Поворотное раздвижное сопло:
1 – заделка привода; 2 – привод; 3 – раздвижные части.
Многосопловая схема позволяет организовать управление ракетой и в двух плоскостях, и по крену. Однако в этом случае ухудшаются условия входа продуктов сгорания в сопло, увеличивается унос теплозащитных покрытий на входе в сопло и в раструбе.
Рассмотрены также конструктивные схемы РДТТ с кольцевым соплом, подвижное центральное тело которого позволяет регулировать тягу, и с тарельчатым соплом (топливо безметалльное), Внешний участок расширяющейся части которого образован задним днищем двигателя (это же сопло с заглушенным минимальным сечением служит также передним днищем нижней ступени).
Особенности сопел отсечки тяги РДТТ см. в п. 1.3.5.
Материалы тепловой защиты РДТТ представляют собой искусственные изотропные и анизотропные композиции , обеспечивающие тепловую изоляцию несущей конструкции и прогнозируемый унос поверхностного слоя.
С некоторой степенью условности материалы тепловой защиты можно разделить на облицовки, теплоизоляционные слои и насадки (рис.1.4). Облицовки обеспечивают заданную стойкость первого слоя тепловой защиты тракта от разрушения при взаимодействии с двухфазным рабочим телом; при этом может происходить унос материала с прогнозируемой скоростью.
Теплоизоляционные слои обладают низкой проводимостью тепла, но подвержены существенному уносу уже при незначительном уровне конвекции рабочего тела.
Материалы тепловой защиты
Облицовки
Теплоизоляторы
Насадки
УСП
Графиты и пирографиты
УУКМ
Сплавы на основе Mo
и W
Клеи герметики
ТЗМ
УСП
УУКМ
УСП
Метал лы
Не напол ненные
Напол ненные
О
НО
О
О
НО
НО
Слоистые структуры
Объемные структуры
Рис. 1.4 Тепловая защита:
УУКМ – углерод-углеродные композиционные материалы; УСП – угле- и стеклопластики; ТЗМ – теплозащитные материалы; НО – неориентированные материалы; О – ориентированные материалы.
Насадки концевых частей сопел одновременно выполняют функции и тепловой защиты, и несущей конструкции. В зависимости от уровня воздействия обтекающего потока один и тот же материал может выполнять как функции облицовки, так и изолятора. Например, геометрия заряда современного РДТТ с центральным утопленным соплом исключает возникновение больших скоростей обтекания элементов корпуса, материалы тепловой защиты подвержены в основном нагреву излучением. Тогда тепловую защиту корпуса выполняют из легких эластичных низкотеплопроводных материалов на основе каучуков и резин без армировки наполнителями. А для четырехсопловой конструкции РДТТ в качестве тепловой защиты сопловой крышки, подверженной воздействию высокоскоростной многофазной струи из канала заряда, служит материал, выполненный из армированных асбестом или кремнеземной тканью материалов на фенолформальдегидных связующих, обладающих достаточной эрозионной стойкостью и большим значением плотности (до 1800 кг/м).
В многослойных конструкциях теплоизоляционные слои располагают между эрозионно стойким слоем и защищаемым элементом в целях минимизации общей массы данного узла (рис. 1.5). В зависимости от уровня напряженно-деформированного состояния и температуры элементов изолятором может быть теплозащитный материал на основе каучуков, а так же низкотеплопроводный угле- и стеклопластик. Материалы герметизирующего и диффузионного слоев корпуса двигателя одновременно являются изоляторами при прогреве конструкции.
Рис. 1.5 Элементы тракта сопла:
1 – углепластик, применяемый в качестве облицовки; 2 – стеклопластик, используемый как изолятор; 3 – теплоизолятор, выполненный из ТМЗ.
Неметаллические материалы облицовок представляют собой изотропные и анизотропные композиции, состоящие из связующего (матрицы) и наполнителя. Угле- и стеклопластике имеют органическое связующее и наполнители из угольной или кремнеземной ткани. Детали тепловой защиты тракта сопла получают прессованием и намоткой. Прессованием можно получить слоистые (анизотропные) композиты.
Крупногабаритные элементы тракта (раструбы сопел) получают наметкой пропитанных связующим лент наполнителя на оправки с последующим отверждением под давлением и механической обработкой.
Графиты получают прессованием смеси каменноугольного пека (связующего) с нефтяным песком (наполнителем) с последующей графитизацией при Т>2400К.
Пирографиты получают осаждением углерода при разложении метана на поверхность графита интервале температур 2373…2673 К, и пирографит по своим свойствам приближается к свойствам монокристалла; ему присущи резкая анизотропия и экстремальные значения теплопроводности и других характеристик.
Углерод-углеродные композиционные материалы (УУКМ) имеют наполнители из углеродных и графитовых тканей и волокон (в том числе объемного плетения) и матрицу из пироуглерода. Ряд деталей получают пропиткой углеграфитового наполнителя связующим из органических смол при карбонизации заготовки, а инертной среде при температуре 1273…1373 К и уплотнении карбонизованной заготовки пироуглеродом – осаждением пленок органических веществ при температуре 1373…1473 К.
Другие детали получают наметкой или выкладкой непропитанных связующим углеграфитовых лент или волокон на оправку с последующим уплотнением пироуглеродом в печи.
Насадки - концевые части сопел с радиационным охлаждением – выполняют из сплавов на основе молибдена или ниобия, имеющих высокую температуру плавления и достаточные прочные свойства при равновесной температуре насадка, а так же они могут быть выполнены из УУКМ.
Условием работоспособности можно принять условие не разрушения элементов конструкции, и эту крайне сложную задачу разделяют на две более простые и в ряде случаев независимые друг от друга:
определение температурных полей в силовых элементах;
определение напряжений и деформаций в элементах при их силовом нагружении и сравнение с допустимыми значениями при известных температурных полях.
Для вкладыша, элементов устройств управления вектором тяги РДТТ, подверженных воздействию рабочего тела, ограничениями служат условия допустимого значения уноса. В некоторых случаях ограничение накладывается на допустимый разброс толщин унесенного слоя материалов.