книги / Ракетные твердые топлива. Ракетные двигатели на твердом топливе

Двухмерные программы расчета с использованием метода характеристик потока реагирующего газа с учетом двухфазности потока применяются для анализа потока газ–частица в сопле и определения оптимального профиля сопла с обеспечением увеличения удельного импульса, а также получения приемных эрозионных характеристик. Такие программы обеспечивают аналитические решения всех механизмов потерь идентифицированного удельного импульса, которые снижают совершенство.

На рис. 6.15 показано количество лайнера на основе углеродной (графитовой) ткани, пропитанной фенольной смолой, уносимого при химической эрозии и соударении частиц, глубина обугливания лайнера, температура газа и давление в выбранных местах для сопла ускорителя «Спейс Шаттл».

Рис. 6.15. Измерения эрозии и глубины обугливания для материала сопла на основе углеродных (графитовых) волокон,

пропитанных фенольной смолой, для ускорителя «Спейс Шаттл»

Эрозия на носовом обтекателе (1,73 дюйма) является самой высокой, главным образом, в результате соударения частиц Al2O3, перемещающихся вдоль канала двигателя. При ударе час-

251

тиц механически удаляется обугленный материал лайнера. В противоположность этому радиальная эрозия критического сечения сопла, равная 1,07 дюйма, происходит в основном за счет углеродного материала лайнера, реагирующего химически с окисляющими веществами в сочетании с горящим газовым потоком в зоне самой сильной теплопередачи. В месте расположения горловины сопла эрозия за счет соударений, по существу, равна нулю, потому что частицы Al2O3 перемещаются параллельно поверхности сопла.

Сейчас часто используется сокращенное название ITE, которое означает интегральное критическое сечение сопла/вход

(integral throat/entrance – ITE) и относится к вкладышу критическо-

го сечения сопла моноблочного варианта (single-piece), которое также включает в себя часть сужающейся входной секции.

Эрозия критического сечения сопла вызывает увеличение диаметра при работе двигателя и является одной из сложных проблем, встречающихся при проектировании сопла двигателя. Обычно увеличение площади критического сечения сопла более 5 % рассматривается как неприемлемое для большинства применений твердотопливных ракет, так как вызывает уменьшение тяги и давление в камере сгорания. Эрозия имеет место не только в зоне горловины сопла (обычно от 0,01 до 0,25 мм/с или от 0,004 до 0,010 дюйм/с), но также на секциях, расположенных до критического сечения и после него. Сопловые сборки обычно теряют от 3 до 12 % их начальной инертной массы. Эрозиявызывается комплексным взаимодействием между высокотемпературным, высокоскоростным газовым потоком, химически агрессивными веществами в газе и механическим абразивным действием частиц. Углерод в материале сопла реагирует с веществами, подобными O2, O, OH или H2O, и окисляется; накопленная концентрация этих химических веществ является показателем вероятной эрозии. На рис. 6.16 приведены химические концентрации для веществ в выхлопных газах алюминизированного топлива. Топлива, обогащенные горючим (которые содержат немного свободного O2 или O), и твердые топлива, у которых некоторая часть газообразного

252

кислорода поглощается при окислении алюминия, вызывают меньшую эрозию. Неуравновешенную эрозию сопла вызывает смещение вектора тяги.

Рис. 6.16. Изменение состава выхлопных газов на выходе из сопла в зависимости от отношения давлений при фиксированном отношении окислитель/горючее в смеси и для смещенного равновесия. Для замороженного равновесия состав должен быть тем же самым, как и в камере сгорания

Нахождение оптимального контура стенки сопла требует анализа вычислительных компьютерных программ для колоколообразных сопел с использованием метода характеристик, чтобы определить профиль стенки, который обеспечивает быстрый поворот газа ближе к осевому потоку без образования ударных волн или сталкивающихся частиц избыточной окиси алюминия, действующих на стенки сопла. Ключевые параметры, которые управляют проектированием профиля сопла; начальный угол θi (угол, на который поворачивается сверхзвуковой поток сразу после прохожде-

253

ния критического сечения сопла), длина от горловины сопла до выходной плоскости, выходной угол выходной плоскости θе и угол поворота θi–θе. Столкновение с твердыми и жидкими частицами выхлопных газов может быть минимизировано при начальном угле обычно между 20 и 26° и при угле поворота обычно от 10 до 15°. Уменьшение длины сопла колоколообразной формы (с твердыми частицами в газе) обычно составляет от 80 до 90 % длины эквивалентного конического сопла с полууглом 15°. Профиль входа в горловину сопла основан на гиперболической спирали, которая однородно ускоряет поток продуктов сгорания до сверхзвуковой скорости в плоскости горловины.

6.4.Поглощение (абсорбция) тепла

иматериалы сопла

Ракетные двигатели при работе никогда не достигают теплового равновесия. Температуры всех компонентов, подвергаемых действию теплового потока, непрерывно увеличиваются при работе двигателя. В хорошей тепловой конструкции критические зоны достигают максимально допустимой температуры за короткое время после прекращения работы двигателя. Компоненты сопла связаны с их способностью к поглощению тепла (для разложения материала требуются высокая теплоемкость и высокая энергия) и к медленной теплопередаче (хорошая теплоизоляция

снизкой теплопроводностью), чтобы выдержать действие напряжений и деформаций, создаваемых температурными градиентами и нагрузками. Максимальная допустимая температура для любого материала двигателя должна быть несколько ниже температуры, при которой происходит избыточное разложение (потери прочности материала, материал плавится, становится слишком мягким, растрескивается, подвергается пиролизу, отклеивается, слишком быстро окисляется). Продолжительность работы двигателя зависит от конструкции и количества теплопоглощающего и теплоизоляционного материала. Необходимо разработать сопло

сдостаточным количеством теплопоглощающего материала

254

и массой теплоизоляции при различных размещениях в пределах сопла, так что его конструкции и соединения будут выполнять свои функции в течение продолжительности применения при вероятных операционных условиях.

Выбор материала для сопла ракетного двигателя. В табл. 6.3

представлены различные группы материалов для типового сопла в соответствии с его применением. Высокотемпературные продукты выхлопных газов создают необычно жесткие и суровые условия для материалов сопла, особенно, когда применяются металлизированные топлива.

255

256

Около 60 лет назад сопла изготовлялись из одного куска плавленого полукристаллического графита, и некоторые из них были укреплены металлическими конусными конструкциями. Они легко подвергались эрозии, но были низкими по стоимости. В настоящее время они еще используются для двигателей с короткой продолжительностью работы, при низком давлении в камере сгорания, при полетах ракет на малых высотах с низкой тягой, относящихся к классу тактических ракет. Для более жестких условий вкладыш в горловину сопла или ITE помещался на графитовый элемент. Этот вкладыш был плотнее, изготовлен из лучшей марки графита; позже нашли применение вставки из пиролитического графита и графитовые материалы, усиленные волокнами. В течение определенного периода времени использовались вольфрамовые вкладыши. Они имели очень хорошую эрозионную стойкость, но были тяжелые и часто растрескивались. Пиролитический графит был освоен и еще используется в качестве прокладок для вкладыша для небольших сопел (см. рис. 6.12). Высокопрочные графитовые или углеволокна были основными достижениями при создании новых высокотемпературных материалов. Для сопел небольшого и среднего размеров заготовки ITE были затем изготовлены из материала системы углерод-углерод, системы углеволокна (carbon fibers) в углеродной матрице. Ориентация волокон может быть двухмерной (2D) и трехмерной (3D). Некоторые свойства этих материалов представлены в табл. 6.3 и 6.4. Для больших сопел существующая технология не позволяла провести изготовление больших 3D углерод-углеродных заготовок ITE, поэтому использовали укладку или наслаивание углеволокна (силиконового волокна) в виде полотнав матрицу фенольной смолы.

Участки, расположенные до и после горловины сопла, имеют меньшую теплопередачу, меньшую эрозию и более низкие температуры, чем в критическом сечении сопла, и для их облицовки можно использовать менее дорогие материалы: различные сорта графита или абляционных материалов, прочные высокотемпературные волокна из углерода (графита) или из окиси кремния в матрице из фенольных или эпоксидных смол.

257

На рис. 6.17 показано поворотное сопло с многослойным теплоизоляционным покрытием позади графитных элементов сопла, прямо подверженных действию тепла. Эти теплоизоляционные покрытия (между очень горячими деталями горловины сопла и кожухом) ограничивают теплопередачу и предупреждают достижение чрезмерных температур кожуха.

Рис. 6.17. Карданная подвеска основного жидкостного ракетного двигателя «Спейс Шаттл»

В расширяющейся выходной секции теплопередача и температуры более низкие и подобные, и поэтому здесь могут быть использованы менее стойкие и менее дорогие материалы. Этот выходной сегмент может быть изготовлен составным с сегментом горловины сопла (как это делается для большинства небольших сопел) или может быть сделан из одноили двухэлементных сборок, которые затем крепятся к сегменту горловины сопла небольшого диаметра. При этом могут быть использованы абляционные материалы без ориентированных волокон, как в случае полотна или лент, но с применением коротких волокон или теплоизолирующих керами-

259

ческих частиц. Для больших отношений площадей (верхние ступени или космические полеты) сопло будет часто выступать за пределы хвостовой части ракетоносителя. Это обеспечивает радиационное охлаждение, так как подверженный воздействию выходной конус может излучать тепло за счет радиационного излучения в космосе. Легкие тонкие высокотемпературные металлы (ниобий, титан, нержавеющая сталь или тонкая оболочка типа углерод-углерод) с радиационным охлаждением используются в нескольких применениях в конструкции выходного конуса для верхних ступеней или космических ракетоносителей. Поскольку радиационно-охлаждае- мые выходные секции сопла достигают теплового равновесия, то продолжительность их работы является неограниченной.

Конус (housing) или конструкционная опора сопла изготавливается из такого же материала, как и металлический корпус: сталь или алюминий. Конус никогда не должен нагреваться до очень высокой температуры. Некоторые из более простых и небольших сопел (состоящих из одной, двух или трех частей, главным образом, графита) не должны иметь раздельной конструкции конуса, а использовать ITE (интегральную структуру горловина/входная часть) для этой конструкции.

Оценки внутренних температур в сопле и распределения температур во времени могут быть сделаны с использованием двухмерных разностных методов конечных элементов при анализе переходных (неустановившихся) процессов теплопередачи. Этот анализ, в принципе, подобен методу расчета переходного процесса теплопередачи, показанного на рис. 6.18. После окончания работы двигателя температуры в сопле достигают равновесного значения за счет передачи тепла от более горячих внутренних частей, которые были подвержены действию горячего газа, к более холодным частям. Иногда наружные части будут нагреваться выше предельной температуры и разрушаться или повреждаться после окончания работы двигателя. Структурный анализ (напряжений и деформаций) ключевых компонентов сопла зависит от анализа теплопередачи, который определяет температуры составных частей сопла.

260