книги / Ракетные твердые топлива. Ракетные двигатели на твердом топливе

диена весом 21 400 фунтов, вес после окончания горения 1360 фунтов, массовая доля двигателя 0,941, диаметр критического сечения сопла 6,48 дюйма, коэффициент расширения сопла 63,8. Двигатель работает 146 с при среднем давлении 651 фунт/дюйм2 (886 фунт/дюйм2 – максимальное давление) и имеет среднюю тягу 44 000 фунтов (максимальная величина 60 200 фунтов) с эффективным высотным удельным импульсом 295 с. Для пирогенных воспламенителей инициатор и усилительный заряд подобны конструкциям, используемым в пиротехнических воспламенителях. Продукты реакции от основного заряда воздействуют или ударяются о поверхность заряда ракетного двигателя, вызывая воспламенение двигателя. Обычной практикой является установка воспламенителей у очень больших двигателей снаружи, причем пирогенный воспламенитель направляет струю газов через сопло большого двигателя. В этом случае воспламенитель является частьюназемного оборудования.

Для предохранения от осечки при зажигании или неумышленного воспламенения двигателя обычно используется два метода: один из них заключается в использовании классического пре- дохранительно-взводящего устройства, а второй – в разработке предохранительных устройств для инициатора.

Рис. 6.24. Схема одной из концепций двухимпульсного экспериментального ракетного двигателя с двумя зарядами, разделенными перегородкой

271

а

б

Рис. 6.25. Поперечное сечение твердотопливного ракетного двигателя верхней ступени (IUS), использующего теплоизолированное сопло из графитовой матрицы: а – поперечное сечение двигателя; б – увеличенное поперечное сечение устройства компоновочного решения сопла

Энергия для случайного воспламенения (обычно является катастрофой, если происходит) может возникнуть за счет: 1) статического электричества; 2) возбужденного тока в результате электромагнитного излучения от таких источников, как радар; 3) возбужденных электрических токов от наземного испытательного оборудования, коммуникационной аппаратуры или от сосед-

272

них электрических цепей в ракете; 4) воздействия тепла, вибрации или удара при обращении и операциях. Функционально предохра- нительно-взводящее устройство служит в качестве электрического выключателя, чтобы поддерживать воспламенительную цепь заземленной, если она не действует, в некоторых конструкциях она также механически не согласована или блокируется цепь случаев, так что нежелательное воспламенение предотвращается, даже если инициатор срабатывает. При транспортировке во взведенном положении пламя при воспламенении может надежно распространиться к усилительному заряду и затем к основному заряду.

Электрические инициаторы в воспламенителях двигателя также называются пирозапалом, запальной свечой, электрозапалом и иногда контактными вводами. Они всегда состоят из инициирующего элемента в цепи воспламенения и при правильном проектировании могут выполнять функции предохранительного устройства против ненамеренного воспламенения двигателя. На рис. 6.26 показаны три типичные конструкции инициаторов.

Первый и второй типы (см. рис. 6.26, а, б) конструктивно образуют часть корпуса ракетного двигателя и вообще являются контактными вводами (headers). В типе инициатора с интегральной диафрагмой (см. рис. 6.26, а) начальная энергия воспламенения проходит в форме ударной волны через диафрагму, активирующую акцепторный заряд, причем диафрагма остается целой. Этот же принцип также используется для передачи ударной волны через стенку металлического корпуса или металлическую вставку в намотанном корпусе из композиционных материалов; корпус не нужно подвергать пенетрации и уплотнять. Тип инициатора с контактным вводом (см. рис. 6.26, б) напоминает простую запальную свечу с двумя проволочными мостиками с высоким сопротивлением, вмонтированными в заряд инициатора. В конструкции со взрывным мостиком (см. рис. 6.26, в) применяется небольшой проволочный мостик (0,02–0,10 мм) из материала с низким сопротивлением, обычно из платины или золота, который взрывается при применении заряда высокого напряжения.

273

а

б

в

Рис. 6.26. Типовые электрические инициаторы: а – тип с интегральной диафрагмой; б – тип с контактным вводом с двойным проволочным мостиком; в – тип с взрывным проволочным мостиком

Предохранительный аспект инициатора является основной особенностью конструкции в форме: 1) минимальной пороговой электрической энергии, требуемой для активации; 2) блокирую-

274

щих мер безопасности для создания напряжения; 3) реагирования только на специфический импульс энергии или частотной полосы. Такие предохранительные устройства постоянно входят в компромисс с системой безопасности, обеспечиваемой классическим пре- дохранительно-взводящим устройством.

Новым методом инициирования действия воспламенителя является использование лазерной энергии для начала горения заряда инициатора. Здесь нет проблем с возбужденными токами и другим непреднамеренным электрическим инициированием. Энергия от небольшого лазера неодим – YAG, внешнего по отношению к двигателю, передается через оптоволоконный стеклянный кабель к заряду пиротехнического инициатора. Иногда оптическое окно в корпусе или в крышке может позволить разметить заряд инициатора внутри корпуса.

6.5.3. Анализ воспламенителя и его конструкции

Основные теории инициирования воспламенения, учитывающие теплопередачу, разложение топлива, дефлаграцию, распространение пламени и заполнение камеры сгорания, известны

иприменяются при проектировании пиротехнических и пирогенных воспламенителей. В общем, математические модели физических и химических процессов, которые должны рассматриваться при проектировании воспламенителей, еще далеки от полноты

иточности.

Анализ и разработка воспламенителей независимо от типа сильно зависят от экспериментальных результатов, включая прошлые успехи и неудачи с полномасштабными двигателями. Влияние некоторых важных параметров стало довольно предсказуемым при использовании данных, полученных на разработанных двигателях. Например, данные рис. 6.27 являются весьма полезными при оценке массы основного заряда воспламенителя для двигателей различного размера (свободного объема двигателя). Из этих данных получена следующая зависимость:

275

6.6. Подход к проектированию твердотопливного ракетного двигателя

Впроектировании твердотопливных ракетных двигателей имеются некоторые общие элементы, однако отсутствует единая хорошо определенная методика или метод проектирования. Отдельные разработчики и их организации имеют различные подходы, уровни подготовки, последовательности этапов или акценты. Подход также изменяется в зависимости от количества данных по результатам проектирования, свойствам топлив, зарядов, конструкциям или материалам со степенью новизны (много «новых» двигателей в действительности являются модификациями проверенных существующих двигателей) или от имеющихся проверенных компьютерных программ для анализа.

Впроцессе проектирования необходимо соблюдать требования, предъявляемые к ракетному двигателю (табл. 6.5). Если проектируемый двигатель имеет некоторое подобие с проверенными существующими двигателями, то их параметры и лётный опыт

будут помогать в части уменьшения конструкторских усилий

иповышения уверенности при проектировании. Выбор топлива

иконфигурация заряда обычно выполняются заранее на этапе предварительного проектирования. Не всегда легко подобрать то-

пливо, чтобы оно удовлетворяло трем ключевым требованиям, а именно: совершенству (Is), скорости горения, подходящей для получения заданной зависимости тяга–время, и прочности (максимальные напряжение и деформация). Хорошо охарактеризованное топливо, обоснованная конфигурация заряда или хорошо проверенные элементы конструкции бывают предпочтительными и часто видоизменяются, чтобы соответствовать новому применению. При разработке нового двигателя использование проверенного топлива, конструкции заряда или конструктивных элементов позволяет избежать многочисленных анализов и проверок.

Анализ структурной целостности должен быть сделан, по крайней мере, для нескольких наиболее вероятных мест, где напряжения и деформации могут превышать допустимые, что будет

277

Таблица 6 . 5

Типовые требования при проектировании ракетного двигателя на твердом топливе

278

действовать на заряд или другие ключевые компоненты при определенных нарушениях. В частности должен быть выполнен анализ сопла, если оно имеет сложную конструкцию или позволяет управлять вектором тяги. Если анализ газового потока показывает, что, возможно, происходит эрозионное горение в течение определенного промежутка горения, то должно быть принято решение, будет ли оно допустимым или избыточным, в последнем случае должна быть выполнена модификация топлива, материала сопла или геометрии заряда. Обычно предварительная оценка выполняется также относительно резонансных явлений в полости заряда с целью идентификации возможных мод нестабильности горения. Анализ совершенства двигателя, теплопередачи и напряжений в критических местах следует выполнить обязательно.

Анализ состава топлива, геометрии/конструкции заряда, анализ напряжений, термический анализ тесно взаимосвязаны. Трудно придать окончательную форму одному из этих показателей без рассмотрения всех остальных, и поэтому, может быть, придется сделать несколько итераций для каждого из них. Данные по испытаниям лабораторных образцов, модельных и полномасштабных двигателей оказывают весьма сильноевлияние наэти стадииразработки.

Предварительные схемы компоновки и полученные методом компьютерного проектирования (CAD – computer aided design) изображения двигателя с его ключевыми компонентами должны быть сделаны подробно, чтобы определить заданные размеры игабариты с достаточной точностью. Например, предварительное проектирование теплоизоляции (часто с анализом теплопередачи) будет обеспечивать получение предварительных размеров этой теплоизоляции. Компоновка двигателя используется для оценки объемов, инертных масс или топливных масс, а также массовой доли топлива.

Если любой из этих анализов или компоновочных решений показывает потенциальную проблему или возможную неудачу в обеспечении начальных требований или ограничений, то это может привести к видоизменению конструкции, топлива, конфигурации заряда. Процесс проектирования необходимо повторить для измененной конструкции двигателя. Если предлагаемые изменения являются

279

слишком сложными или неэффективными, то изменения требований к двигателю могут быть сделаны для конкретной проблемы. Известно, что на этапах предварительного и окончательного проектирования имеется несколько итераций. Любая важная новая характеристика может привести к дополнительным разработкам и испытаниям, чтобы доказать совершенство, надежность, эксплуатационные свойства или стоимость; это означает выполнение более продолжительной программы и вложение дополнительных ресурсов.

Упрощенная диаграмма одного частного подхода к предварительному проектированию двигателя и его разработке показана на рис. 6.28. На диаграмме не показаны многие другие стадии, такие как проектирование воспламенителя и его испытания, выбор лайнера и теплоизоляции, проектирование УВТ и его испытания, анализ надежности, оценка альтернативных конструкций, спецификации материала, ступени контроля качества и инспекции, обеспечение безопасности, специальные испытательное оборудование и аппаратура для испытания и т.п.

Если требования по совершенству являются узкими и претенциозными, то необходимо изучить накопленные допуски совершенства различных других параметров. Например, практические допуски могут быть приписаны плотности топлива, диаметру критического сечения сопла (эрозия), масштабному коэффициенту скорости горения, начальной площади поверхности горения, массе топлива или показателю в законе скорости горения. Эти показатели, в свою очередь, отражаются сами на допусках в технологическом процессе, специальных приемочных испытаниях, в допусках по размерам или в точности взвешивания компонентов топлива. Стоимость всегда является важным фактором, и часть усилий разработчика должна быть направлена на поиск компонентов конструкции с низкой стоимостью, выбор более простых технологических процессов, уменьшение этапов сборки и в целом удешевление разработки. Например, приспособления для заливки, оправки для намотки корпуса, оснастка для формирования теплоизоляции могут быть довольно дорогими.

280