1.3.2 Заряд твердого топлива

В ракетной технике используются различные формы зарядов твердого топлива (рис. 1.6, табл. 1.17): горящие главным образом по внутренним поверхностям (поверхности, горение которых надо предотвратить, покрыты бронирующим составом или защитно-крепящим слоем для скрепления заряда с корпусом); горящие почти по всем боковым поверхностям, например небронированные трубчатые шашки (рис. 1.7); горящие с торца.

Заряды твердого топлива изготавливаются по технологии литья под давлением, свободного вакуумного литья и методом проходного прессования.

Заряд, изготовленный методом литья, формируется либо непосредственно в корпусе РДТТ, либо в специальном каркасе, либо отдельно в специальной изложнице. Геометрия внутренней поверхности заряда формируется технологической иглой, помещенной внутри корпуса.

Технологический процесс изготовления заряда включает в себя подготовку смеси порошкообразных компонентов, подготовку связующего (вакуумирование, смешение жидких элементов, приготовление смеси связующего с алюминием), приготовление топливной массы и формование заряда, полимеризацию заряда.

При изготовлении зарядов методом литья под давлением используются смесители непрерывного действия. Приготовленная, в смесителе топливная масса транспортируется при помощи шнеков в изложницу или в корпус двигателя. Давление топливной массы в начале заполнения, равное 0,5…1,0 МПа, возрастает при стравливании в конце заполнения до 2…4 МПа.

Рис. 1.6 Формы зарядов твердого топлива

а – многошашечный; б – телескопический; в – со звездообразным каналом; г – с колесообразным каналом; д – торцевого горения; е – цилиндрический; ж – щелевой.

При свободном литье подготовка жидких компонентов и смещение топливной массы производятся в отдельных смесителях, затем масса сливается в изложницу или корпус с предварительным созданием в нем вакуума.

Процесс полимеризации производится под давлением 3…8 МПа в зависимости от конструкции заряда и двигателя при температуре 40…80C в течение 15…25 суток. После полимеризации технологическая игла, определяющая внутреннюю конфигурацию заряда, извлекается. Литьевая технология позволяет создать конструкцию заряда из нескольких топлив (различные скорости горения, температура горения и т.д.).

Заряды изготавливаются методом проходного прессования с помощью шнека, продавливающего через пресс-форму топливную массу, которая образует наружную и внутреннюю формы поперечного сечения заряда, после чего происходит отверждение заряда.

Заряд, формируемый заливкой непосредственно в корпус и склеиваемый с внутренней поверхностью корпуса, называют скрепленным зарядом твердого топлива (см. рис. 1.1).

Вклеиваемый заряд изготавливается предварительно и затем вклеивается в корпус двигателя. Изготовление вклеиваемого заряда осуществляется в толстостенной пресс-форме с внутренним диаметром , несколько меньшим, чем у корпуса.

Рис. 1.7 Формы поперечного сечения зарядов всестороннего горения

а – одноканальные шашки; б – многоканальные; в – бесканальные.

Таблица 1.17

Характеристики зарядов различных форм

Заряд	L/D	e/D	S/()	Число и форма поперечного сечения канала
Внутриканального горения То же Всестороннего горения Торцевого горения	1…10 1…10 >1 »1	0,33 0,12…0,21 «1 »1	~4L/D ~4L/D »1 ~1	1, круг 1, звезда (см. табл. 1.18) См. рис. 1.7 -

Таблица 1.18

Параметры заряда со звездообразным каналом

Число лучей звездообразного канала		6	7	8
Угол при вершине выступа заряда,		33,53	35,55	37,30
Относительная толщина свода	S=const S=1,1S	0,15 0,21	0,14 0,19	0,12 0,18
Коэффициент заполнения поперечного сечения топлива	S=const S=1,1S	0,82 0,86	0,76 0,80	0,67 0,76
Коэффициент заполнения поперечного сечения дегрессивно догорающими остатками	S=const S=1,1S	0,15 0,09	0,13 0,08	0,12 0,07

Заряд, изготовленный отдельно и свободно вложенный в корпус двигателя, называют вкладным (рис. 1.8). До появления смесевых топлив единственным способом снаряжения была свободная укладка зарядов в корпус двигателя. Часть поверхности заряда бронируется.

Основные требования к бронирующему покрытию состоит в следующем:

химическая и физическая совместимость с ТРТ и стабильность в условиях эксплуатации;

хорошая адгезия к поверхности заряда;

высокая эрозионная стойкость;

низкая теплопроводность;

низкий уровень дымообразования (в случае баллистидного топлива).

Вмногошашечном заряде (см. рис.1.6, а) число шашек, обеспечивающих наибольшую плотность заряжания, равноn = 1 + 3(i+i), где i = 1, 2, 3,…, а коэффициент заполнения поперечного сечения зависит от числа шашек и соотношения m=()/()(табл. 1.19):

=n[D-()],

где D - предельное отношение диаметра шашки к внутреннему диаметру корпуса.

Таблица 1.19

Параметры многошашечного заряда

n		3	7	19
D		0,464	0,333	0,200
	m=1 m=2	0,452 0,610	0,714 0,762	0,757 0,745

Конструкция заряда последних ступеней баллистических ракет должна обеспечивать возможность прекращения работы двигателя в любой момент времени полета в заданном диапазоне дальностей. Необходимо, чтобы к моменту достижения скорости , соответствующей минимальной дальности, отверстия системы отсечки тяги сообщались со свободным объемом камеры сгорания РДТТ. С этой целью в заряде могут предусматриваться специальные каналы.

В зависимости от эксплуатационных требований к РДТТ, формы заряда и механических свойств твердого топлива выбирается способ крепления заряда в корпусе РДТТ.

Преимущество скрепленного заряда заключается в том, что отсутствует теплозащитное покрытие большей части внутренней поверхности, и это способствует увеличению плотности заполнения. Стенки корпуса частично загружены от внутреннего давления зарядом на начальном этапе работы РДТТ.В двигателе отсутствуют специальные двигатели крепления заряда.

При свободной укладке заряда в корпус вводится устройство для крепления заряда в виде диафрагм (рис. 1.9), радиальных опор и кольцевых уплотнений, расположенных в зазоре между теплоизолированной стенкой корпуса двигателя и бронированной поверхностью заряда (см. рис.1.8). Система крепления заряда должна обеспечить прочную и надежную фиксацию при воздействии на заряд продольных и поперечных перегрузок и вибраций. Конструкция крепления не должна вызывать высокие локальные напряжения в заряде, которые могут нарушать его целость, вызывать местные разрушения заряда, приводящие к искажению диаграммы давления снижению полноты сгорания топлива.

Рис. 1.8 Свободновложенный заряд и узлы его крепления в корпусе:

А – передний узел; Б – задний узел.

Диафрагмы предназначаются для надежного фиксирования заряда твердого топлива в корпусе и одновременно служат колосниковой решеткой, обеспечивающей лучшее горение заряда и полное догорание его частиц в камере сгорания без выброса их из двигателя.

Радиальная опора для заряда твердого топлива может состоять из ряда тонкостенных опорных элементов или планок, которые расположены по окружности между зарядом и стенкой корпуса; опорные элементы упруго упираются в стенку корпуса и заряд, поддерживая последний по всей длине. Радиальная опора может быть выполнена также в виде плоских упругих полос, которые вставляются в зазор с предварительным напряжением.

Рис. 1.9 Диафрагмы:

а – для крепления многошашечных зарядов; б – для крепления одношашечного заряда.