ИССЛЕДОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ РАКЕТНОГО ДВИГАТЕЛЯ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

1) Изучение конструкции образца ракетного двигателя твердого топлива (РДТТ);

2) Исследование конструктивных параметров РДТТ практическим и расчетным методам; их сравнительная оценка.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Ракетным двигателем называется реактивный двигатель, использующий для своей работы только вещества и источники энергии, имеющиеся в запасе на борту перемещающегося аппарата.

Ракетный двигатель твердого топлива (РДТТ) – это двигатель, работающий на твердом ракетном топливе.

Твердое ракетное топливо (ТРТ) представляет собой композицию горючих и окисляющих твердых компонентов, при сгорании которых образуется высокотемпературная смесь газообразных и конденсируемых (жидких, твердых) продуктов.

Эта высокотемпературная двухфазная смесь (система) обычно называется продуктами сгорания ТРТ и рабочим телом РДТТ.

РДТТ создают тягу в результате преобразования:

- химической энергии твердого топлива в тепловую энергию его продуктов сгорания;

- тепловой энергии продуктов сгорания в кинетическую энергию их потока;

- истечения продуктов сгорания (рабочего тела) из двигателя.

Конструкция РДТТ в конкретном случае определяется его целевым назначением, уровнями требуемых энергетических и тяговых параметров, усилиями эксплуатации, экономическими требованиями и рядом других факторов.

Однако любой РДТТ включает:

- корпус;

- сопловой блок;

- заряд ТРТ;

- систему запуска двигателя.

Основными преимуществами РДТТ перед другими типами ракетных двигателей являются:

- простота конструкции;

- высокая надежность;

- удобство и относительная безопасность эксплуатации.

В результате РДТТ находит широкое применение во всех областях ракетной и космической техники. При этом по существу ограничениями служат только:

- несколько меньшая энергетическая эффективность твердых ракетных топлив по сравнению с другими типами химических топлив и источников энергии (ядерных, электрических);

- существенная зависимость параметров рабочего процесса, а следовательно и тяговых характеристик двигателя, от начальной температуры заряда ТРТ;

- определенная сложность управления процессом горения твердого ракетного топлива (в частности, сложность управления скорости горения ТРТ).

Важнейшими параметрами РДТТ являются:

- тяга (Р) – равнодействующая внутренних и внешних сил давления, действующих на поверхности двигателя в процессе истечения из него рабочего тела;

- полный импульс тяги (I_п) – произведение среднего значения тяги на полное время работы двигателя;

- удельный импульс тяги (I_уд) – отношение тяги двигателя к расходу топлива из РДТТ;

- коэффициент массового совершенства двигателя (a) – отношение массы неснаряженного РДТТ к массе твердого ракетного топлива, запасенного на борту двигателя;

- геометрические размеры конструкции РДТТ.

Параметрами, характеризующими твердое ракетное топливо являются:

- масса заряда (m_з) и его размеры;

- температура горения (Т₀);

- газовая постоянная (R) и показатель адиабаты (k) продуктов сгорания ТРТ.

Рабочий процесс РДТТ и процесс истечения рабочего тела из двигателя характеризуется изменением величин:

- давления (р);

- температуры (Т);

- скорости потока рабочего тела (W) во времени и по длине тракта РДТТ. При этом особо выделяются значения параметров (р, Т, W) в сечениях: начало камеры (индекс «к») и вход в сопло («с»); а также в критическом («*») и выходном («а») сечениях сопла двигателя.

Описание конструкции изучаемого образца РДТТ

Двигатель рассматриваемого образца поворотный однорежимный РДТТ однократного включения и использования.

Основные элементы РДТТ (рис. 1):

- корпус (2);

- сопловой блок (15);

- система тепловой защиты (10);

- заряд твердого ракетного топлива (12);

- система запуска (13, 14).

Дополнительно рассматриваемый РДТТ имеет:

- узел отсечки тяги (6) и

- исполнительный орган системы управления векторами тяги (СУВТ), в данном случае поворотный РДТТ в целом (11).

1. Корпус РДТТ.

Корпус (2) является одновременно емкостью для заряда ТРТ, камерой сгорания и силовым элементом двигателя. В камере сгорания происходит процесс преобразования химической энергии ТРТ в тепловую энергию его продуктов сгорания.

Корпус включает пластмассовую обечайку (2) и два стальных днища (1, 7). Обечайка (2) имеет форму полого цилиндра. Она изготовлена методом намотки стеклоткани с одновременной пропиткой ткани эпоксидной смолой. Переднее днище (1) плоское, заднее (7) имеет эллиптическую форму. Обечайка соединена с днищами с помощью ленточных резьб. Внутренняя поверхность обечайки покрыта плотным пластиковым герметизирующим слоем, который предотвращает проникновение в поры пластмассовой обечайки высокотемпературных газов и повышает механическую надежность корпуса двигателя. Внутренняя поверхность днищ защищена теплоизолирующим покрытием коксующегося типа.

Заднее днище (7) имеет фланцы. С помощью фланцев на внешней поверхности днища образуется «канавка», которая служит для размещения взрывного элемента - детонирующего заряда (3) узла отсечки тяги РДТТ.

На обечайке в ее среднем сечении укреплено стальное кольцо, к которому по линии диаметра приварены две полуоси (11).

Сопловой блок.

В сопловом блоке (15) происходит преобразование тепловой энергии продуктов сгорания ТРТ в кинетическую энергию струи. Он жестко скреплен (сварен) с задним днищем (7) корпуса РДТТ. Несущим элементом сопла служит стальной патрубок. В патрубке последовательно установлены два латунных вкладыша (8, 9). Внутренние полости вкладышей конические, их сочетание образует сходящуюся и расходящуюся части тракта сверхзвукового сопла. С целью тепловой защиты патрубка между ним и вкладышем вклеен слой низкотеплопроводного текстолитового покрытия.

3. Заряд твердого ракетного топлива (12) выполнен из топлива, представляющего собой смесь мелкодисперсных твердых компонентов: окислителя – перхлората аммония (NH₄ClO₄), горючего – связующего (типа «каучук» - «смола») и металлического горючего (порошок алюминия). Топливо сформировано в виде сплошного цилиндра. Его поверхность по образующей и одному торцу покрыта негорючим бронирующим составом. Заряд ТРТ плотно вставлен в корпус двигателя и по бронировке скреплен с его обечайкой (2) и передним днищем (1). Горение твердого ракетного топлива, т. е. превращение топлива в высокотемпературное рабочее тело, осуществляется только с поверхности небронированного торца заряда S, которая в течение всего процесса сгорания заряда остается практически постоянной.

4. Система запуска РДТТ обеспечивает воспламенение заряда ТРТ и устойчивый выход двигателя на заданный режим работы. Система располагается со стороны заднего днища РДТТ (7). Она включает инициирующее (14) и воспламенительное (13) устройства.

Инициирующее устройство представляет собой пиропатрон (14), который состоит из корпуса, электрического мостика накаливания, навески-состава легко воспламеняющегося от теплового импульса, а также таблеток из горючей пиротехнической смеси. Пиропатрон (14) установлен на заднем днище (7) корпуса РДТТ.

Воспламенительное устройство (воспламенитель) коробчатого типа имеет пластмассовый корпус и снаряжение из дымного пороха. Воспламенитель (13) укреплен на торцевой небронированной поверхности заряда ТРТ (12).

При запуске РДТТ от первоначального электрического импульса последовательно зажигаются легковоспламеняющийся состав и пиротехническая навеска пиропатрона (14), затем навеска дымного пороха воспламенителя (13). Высокотемпературные продукты сгорания дымного пороха поджигают поверхность горения заряда ТРТ (12) и двигатель выходит на заданный режим работы.

5. Узел отсечки тяги РДТТ (6) предназначен для гашения твердого ракетного топлива способом резкого сброса давления из камеры двигателя и срыва пламени с поверхности горения заряда (12). Узел отсечки располагается на заднем днище РДТТ (7) и состоит из детонирующего заряда (3), монтажного кольца (4) и электродетонатора (5).

Детонирующий заряд (3) имеет снаряжение из взрывчатого вещества и корпус в виде кольцевой медной трубки. На поверхность трубки по линии минимального диаметра выдавлена кумулятивная выемка, которая направляет действие ударной волны при детонации заряда ВВ в сторону обечайки РДТТ.

Детонирующий заряд ВВ (3) установлен в «канавке» заднего днища (7) двигателя и закрыт монтажным алюминиевым кольцом (4). В бобышке монтажного кольца с помощью резьбы установлен электродетонатор (5). По устройству и принципу действия электродетонатор аналогичен пиропатрону. Их различие заключается в типе снаряжения: электродетонатор (5) имеет снаряжение в виде заряда взрывчатого вещества, а пиропатрон (14) — в виде навески горючего пиротехнического состава, поэтому электродетонатор создает взрывной, а пиропатрон - тепловой импульс.

В процессе отсечки тяги по команде системы управления на электродетонатор (5) подается первичный электрический импульс, от которого последовательно взрываются заряд ВВ электродетонатора (5) и кольцевой детонирующий заряд (3) узла отсечки тяги. Направленным действием взрывной ударной волны сопловое днище (7) разрушается и отделяется от корпуса РДТТ. Давление в камере двигателя резко снижается, пламя срывается с поверхности горения заряда ТРТ (12) и он гасится, обеспечивая отсечку тяги двигателя.