книги / Ракетные твердые топлива. Ракетные двигатели на твердом топливе
.pdf
Рис. 6.18. Типовые распределения температур по ширине стенки неохлаждаемой металлической камеры
сгорания как функции времени нагрева от начала до 4,650 с
261
Это позволяет использовать соответствующие физические свойства материала, зависимые от температуры. Конструкция должна также позволить увеличить длину сопла за счет повышения температуры и дифференциально расширить взаимосвязанные части.
Типичные материалы, используемые для ITE (интегрального материала для горловины и входной секции) или вкладыша критического сечения сопла, представлены в табл. 6.4. Они подвергаются воздействию наиболее тяжелых или суровых условий теплопередачи, действию температурных напряжений и высоких температур. Их физические свойства часто являются анизотропными, т.е. их свойства изменяются в зависимости от ориентации кристаллической структуры или направления и расположения усиливающих волокон. Поликристаллические графиты являются экструдированными или формованными. В наличии имеются сорта с различными плотностями и возможностями. Как уже упоминалось, они широко используются для простых сопел и изготовления частей ITE. Пиролитический графит является сильно анизотропным материалом
иимеет отличную теплопроводность в заданном направлении. Этот графит изготавливается путем отложения кристаллов графита на основание печи, содержащей метан. Он сейчас реже применяется, однако еще используется в ракетных двигателях старых конструкций (см. рис. 6.12).
Материал углерод-углерод изготавливается из тщательно ориентированных наборов углеродных (графитовых) волокон (сплетенных, вязаных, резаных или специально уложенных), заключенных в углеродную матрицу. Двухмерный 2D-материал имеет волокна, ориентированные в двух направлениях (под прямым углом друг к другу), 3D-материал имеет волокна, ориентированные в трех направлениях (под прямым углом друг к другу),
и4D-материал имеет дополнительный комплект волокон, расположенных под углом около 45° к другим трем направлениям. Органическая жидкая смола инжектируется в пространство между волокнами. Затем этот пакет или сборка прессуется, наполнитель за счет нагрева превращается в обугленный продукт и уплотняется
262
с последующей инжекцией и процессом повышения плотности. Затем при температурах выше 2000 °С выполняется графитизация. Этот материал является дорогим, но подходящим для применения в конструкции сопла. Сильно уплотненный материал является превосходным в части теплопередачи в сопле. Многонаправленное усиление волокнами позволяет им лучше выдержать высокие температурные напряжения, создаваемые высокими температурными градиентами в пределах каждого элемента сопла.
Абляционные материалы. Эти материалы не только широко используются в конструкциях сопел ракетных двигателей, но также применяются в качестве теплоизоляционных материалов. Они обычно являются композиционными материалами из органических и неорганических высокопрочных волокон, а именно: кварцевого стекла, арамидов (Кевлар) или углеродных волокон, пропитанных органическими пластиковыми материалами, такими как фенольные и эпоксидные смолы. Волокна могут использоваться в виде отдельных прядей или лент (применительно к геометрии образца на намоточной машинке) или могут применяться в виде ткани или ленты, пропитанных смолой.
Абляционный процесс является комбинацией поверхностного плавления, сублимации, обугливания, испарения, разложения в глубину и пленочного охлаждения. Прогрессирующие слои абляционного материала подвергаются эндотермическому разложению, т.е. физическим и химическим изменениям, что связано с поглощением тепла (рис. 6.19). Хотя некоторая часть абляционного материала испаряется (некоторые типы также имеют вязкую жидкую фазу), однако достаточно обугленный и пористый твердый материал остается на поверхности, чтобы сохранить основную геометрию и целостность поверхности. После старта ракеты абляционный материал действует подобно любому тепловому сливу, но плохая теплопроводность вызывает быстрый подъем температуры поверхности. При температурах от 650 до 800 К некоторые из смол начинают распадаться эндотермически в пористый карбонизированный уголь и пиролизные газы. По мере увеличения глу-
263
бины обугливания газы подвергаются эндотермическому крекингпроцессу и просачиваются через обугленный слой в противотоке с тепловым потоком. Эти газы затем образуют искусственный, обогащенный горючим, защитный, относительно охлажденный, но относительно тонкий пограничный слой над обугленной поверхностью.
Рис. 6.19. Зоны в абляционном материале во время работы ракетного двигателя с волокнами под углом 45° к потоку
Поскольку обугленное вещество почти всё является углеродом и может выдержать нагрев до 3500 К (6000 R) то пористый обугленный слой позволяет сохранить первоначальную поверхность (но с грубой поверхностной текстурой) и обеспечить геометрическую целостность. Обугленное вещество является слабым материалом и может разрушаться или удаляться при прямом столкновении твердых частиц, перемещающихся в газовой фазе. Конструкция с абляционным материалом используется для части или для всех камер сгорания и/или сопел, показанных на рис. 6.20 (а также на рис. 6.1–6.4 и 6.15).
Абляционные элементы изготовляются либо формованием под высоким давлением (от ≈55 до 69 МПа или от 8000 до 10 000 фунт/дюйм2 при температуре 149 °С или 300 °F) или методом обмотки лентой заданной формы, с последующим отверждением в автоклаве при давлении от 1000 до 2000 фунт/дюйм2 (от 70 до 140 кг/см2) и при температуре 300 °F (≈150 °С).
264
Четыре
конструкционные
опоры
Параметр |
Камера сгорания |
Двигатель |
Удельный импульс на уровне моря, с |
368 |
362 |
Удельный импульс в вакууме, с |
421 |
415 |
Тяга на уровне моря, фунт |
640 700 |
650 000 |
Тяга в вакууме, фунт |
732 400 |
745 000 |
Соотношение смеси |
6,74 |
6,0 |
Рис. 6.20. Упрощенныйвидракетного двигателяRS-68 сгазогенераторным циклом(данныедвигателя представленывтаблице)
Метод обмотки является наиболее применяемым при изготовлении очень больших сопел. Этот метод обычно включает в себя нагрев оправки (≈54 °С или 130 °F), прогрев ленты и смолы (от 66 до 121 °С или от 150 до 250 °F), вальцевание ленты под давлением
265
при одновременной подаче смолы при прокатке на вальцах при приложении нагрузки (≈35 000 Н/м или 200 фунт/дюйм ширины), поддержание соответствующей скорости вальцевания, натяжения ленты, ориентации обмотки и скорости подачи смолы. Опыт доказывает, что плотность обмотки является важным показателем технологической приемлемости, причем желательный критерий должен составлять около 90 % плотности, полученной в автоклаве. Содержание смолы обычно колеблется от 25 до 35 % в зависимости от ткани, используемой для усиления материала, и конкретной смолы, а также наполнителя. Обычно механические свойства отвержденного абляционного материала, а также износоустойчивость и долговечность материала в процессе работы ракетного двигателя коррелируют очень тесно с плотностью отвержденного материала. В пределах диапазона оптимальной плотности низкая плотность означает плохое связывание усиливающих слоев, высокую пористость, низкую прочность и высокую скорость эрозии.
В жидкостных ракетных двигателях абляционные материалы были эффективны в небольших камерах сгорания (где имеется недостаточная способность к регенеративному охлаждению) в пульсирующих, способных к повторному запуску ракетных двигателях для управления космическими летательными аппаратами и в ракетных двигателях с изменяемой (дросселируемой) тягой. На рис. 6.20 показано абляционное покрытие сопла для большого жидкостного ракетного двигателя.
Теплопередающие свойства многих имеющихся абляционных и других материалов на основе волокон будут зависеть от их структуры, состава и конструкции. На рис. 6.21 показано несколько известных ориентаций волокон и способов применения. Ориентация волокнистых усилителей, будь то лента, ткань, волокна или случайно распределенные короткие волокна, оказывает заметное влияние на эрозионное сопротивление сопел из композиционных материалов (см. рис. 6.15).
При перпендикулярном газовом потоке теплопередача к внутренней стенке довольно высока, потому что путь теплопередачи является коротким. Хорошие результаты были получены, когда
266
Рис. 6.21. Упрощенные схемы трех различных типов усиленных волокнами абляционных материалов
волокна располагались под углом от 40 до 60° относительно газового потока над поверхностью. При изготовлении сопла важную роль для продолжительности работы сопла данной конструкции играют метод намотки, формования, отверждения, особенности приготовления смолы и источники смолы.
6.5.Детали воспламенителя
Всвязи с тем, что масса топлива воспламенителя небольшая (часто менее 1 % от массы топлива в двигателе) и оно горит, главным образом, при низком давлении в камере сгорания (с низким
удельным импульсом Is), его доля в суммарном импульсе двигателя очень мала. Одна из целей разработчика – уменьшить массу топлива воспламенителя и свести массу инертных элементов воспламенителя к минимуму, обеспечив достаточную гарантию воспламенителя при всех операционных условиях.
На рис. 6.22 показано несколько альтернативных положений установки воспламенителя. При установке воспламенителя на переднем торце газовый поток над поверхностью топлива помогает обеспечить воспламенение. В случае установки воспламенителя на заднем торце обеспечивается небольшое движение газа, в частности, около переднего торца, здесь воспламенение обусловлено температурой, давлением и теплопередачей от газа, производимого воспламенителем. Если воспламенитель устанавливается
267
Рис. 6.22. Схемы установки воспламенителей:
а – задний, внутренний; б – задний, внешний; в – передний, внутренний (поддерживаемый выходным конусом сопла); г – передний, внешний. Конфигурации зарядов не показаны
на сопло, то конструктивные элементы воспламенителя и его опорная часть сбрасываются сразу же после того, как воспламенитель израсходовал все свое топливо, так как требуется удаление излишней массы в виде корпуса воспламенителя. Имеется два основных типа воспламенителей: пиротехнические и пирогенные.
6.5.1.Пиротехнические воспламенители
Впроизводственной практике пиротехнические воспламенители определяются как воспламенители (а не как воспламенители пирогенного типа, как описывается дальше), использующие твердые взрывчатые вещества, или энергетические, подобные твердому ракетному топливу, химические составы (обычно в виде небольших гранул топлива, которые создают большую поверхность горения и обеспечивают весьма короткое время горения), как теплопроизводящие материалы. Это определение соответствует ши-
рокому разнообразию конструкций, известных как мешочные и плетеные воспламенители, жестяные банки с порохом, пластиковые корпуса с составом, в виде корзины с гранулами, перфорированные трубки, сгораемые корпуса, ленточные и волокнистые воспламенители. Наиболее известной является конструкция воспламенителя в виде корзины с гранулами (рис. 6.23).
268
Пластина с отверстиями
Рис. 6.23. Типичный пиротехнический воспламенитель с тремя различными топливными зарядами, которые воспламеняются последовательно
Воспламенение основного заряда, в данном случае гранул, помещенных в корпус и состоящих из 24 % бора, 71 % перхлората калия и 5 % связующего, происходит в две стадии: на первой стадии при получении электрического сигнала инициатор высвобождает энергию небольшого количества чувствительного порошкообразного пиротехнического состава, помещенного в инициатор, называемый петардой (запалом) или воспламенительным зарядом; затем усилительный заряд воспламеняется за счет тепла, высвобождаемого воспламенительным зарядом, и, наконец, воспламеняется основной воспламенительный заряд для топлив.
Специальной формой пиротехнического воспламенителя является поверхностно связанный (surface-bonded) или установленный на заряде (grain-mounted) воспламенитель. Такой воспламени-
269
тель имеет инициатор, помещенный в пределах сэндвича плоских листов; слой, касающийся заряда, является основным зарядом пиротехнического воспламенителя. Эта форма воспламенителя используется для многоимпульсных двигателей с двумя или более зарядами торцевого горения. Воспламенение второго и последующих импульсов этих двигателей характеризует необычные требования для имеющегося пространства, совместимости с материалами заряда, продолжительности, температуры и давления, получающиеся при работе бустерного заряда. К преимуществам листового воспламенителя относятся небольшой вес, малый объем и высокий тепловой поток на поверхности заряда. Любой применяемый инертный материал (такой как провода, электрические керамические изоляторы) обычно вылетает через сопло двигателя при воспламенении, и его удары иногда вызывают повреждения сопла или перекрывают его, если материал до этого не разрушился на небольшие кусочки.
6.5.2. Пирогенные воспламенители
Пирогенный воспламенитель представляет собой небольшой ракетный двигатель, который используется для воспламенения большого ракетного двигателя. Пироген не разрабатывается для получения тяги. Все воспламенители используют одно или несколько сопловых отверстий, могут быть звукового и сверхзвукового типов, и большая часть из них использует известные составы для зарядов твердотопливных двигателей и технологию их проектирования. Теплопередача от пирогена на твердотопливный заряд является, главным образом, конвективной, с горячими газами, контактирующими с поверхностью заряда в противоположность значительной радиационной (излучательной) энергии, испускаемой пиротехническими воспламенителями. На рис. 6.1, 6.2 и 6.24 показаны ракетные двигатели с типичными пирогенными воспламенителями. Воспламенитель на рис. 6.25 имеет три сопла и цилиндрический заряд с высокоскоростным топливом. Технические характеристики двигателя: снаряженный вес 22 874 фунта, твердое топливо на основе гидроксилсодержащего полибута-
270