Фахрутдинов И.Х., Котельников А.В. - Конструкция и проектирование ракетных двигателей твёрдого топлива, страница 13

3. Прогрессивное горение оставшейся трубчатой части заряда до полного выгорання топлива. Рассмотренная схема горения справедлива, если щелевая часть заряда отделена от трубчатой броней н горения по внутренннм торцам щелей не происходит. Если внутренние торцы щелей не забронированы, то горение по этой части заряда происходит, распространяясь в глубь трубчатой части. Прн этом образуются фигурные поверхности горения, которые необходимо учитывать прн расчете прогрессивной составляющей поверхности горения заряда. Предположим, что заданы начальные н конечные значения тяги по времени. Из теории двигателей известно, что /!кап%кон а »1»ач/' к,кон — (Янач/Ясон) ° (2 10) Соотношение (2.10) позволяет установить зависимость геометрических характеристик заряда от требуемых значений тяг.

Составим систему уравнений Янач+ Яков = 25ср~ Якач/Якон (Йнач//Ркон) Из этой системы найдем ! В конце горения заряда площадь поверхности горения равна Як,к, а щелевая н переходная части — уже выгорели. Учитывая (формула (2.1)), что масса топлива оа, известна, а также выбраны тнп топлива, характеризуемый значениями ис, ч, /г,„Т;, А (и), выбор соотношения длин участков Г.» н /.,» может производиться в следующем порядке. 1. Задается давление в камере Р„, ср. 2. Определяется величина свода заряда ес.

3. Определяется средняя за процесс величина площади поверхностн горения Я,р — †,/р,ес. о4 4. Определяются требуемые значения площадей начальной н конечной поверхностей горения по формулам (2.11). 6. Конечная площадь поверхности горения Як<„— — иР(Š— е,) = иР'(Т, — е,), (2.12) где Тп = /.,/Р. Принимая для обеспечения прочности заряда е, = ес/с/ < 0,33 н приравнивая выражения (2.11) н (2.12), получим следукяцее уравнение: = иР' (/.» — е,). (2.13) /тнсретеа(1+ (/свао/Д!кон) ) Выполняя расчет для нескольких комбинаций 4(, Е н е„можно установить значения масс элементов заряда н оптимальное значе- нне массы заряда. 6.

Площадь поперечного сечения заряда в цилиндрической части в начальный момент определяется как Яп.с = — (Р' — (Р— 2ес)а).' . п.с 4 7. Определяется общая длина заряда где /сь = 1,03 ... 1,06 — коэффициент, учитывающий объем, занимаемый щелями. Длина щелевой части заряда /-,» = Л вЂ” / — .(., где 1. = ес. 8. Площадь поверхности горення в переходной части в каждый текущий момент можно определять по формуле Я, = и ~(2 (е, — е) + Ь) + 2 (е' — 4 ) + ие (Р— 2е) — Ьи ~, где Ь вЂ” текущая ширина щели, Ь ~ 20 ...

40 мм. Точность прн- блнження достаточна, т. е. переходная часть занимает незначн- тельную часть объема заряда (обычно не более 3 ... 10 с4); и число щелей. 9. Начальное значение параметра горения в щелевой части заряда П,, необходимое для расчета профиля н числа щелей, определяется решением двух уравнений для начальной площадн поверхности горения на щелевом участке: (2.14) (2.16) Так как площадь горения торцев не превышает нескольких про- центов от суммарной площади горення'заряда, можно пренебречь вырезами под щели н кривизной профиля торцев н предположить ее равной площади поперечного сечения заряда в цилиндрической части заряда 5, ю Я,.

Подставив в формулу (2.16) выражение 5», = и (Р— 2е,) Е„, И!рази Рис. 2.16. Торцевой заряд РДТТ: л — с увеличиввющейся поверхностью го- рени»; б — с уменьшающейся поверхно- стью горения: е, е — со ступенчетым ев. коном изменения поверхности горения з) 59 Рис. 2.14. Сечение заряда со звезда- Рис. 2.15. Фазовые изменения поверх- образным каналом: ности горения заряда со звездообразт' — топливо; й — пеноалестовые встввин НЫМ Каналаи Звездообразный заряд РДТТ. Он имеет поверхность горения, образованную внутренним каналом звездообразного сечения.

Зти заряды получили большое распространение, так как удовлетворяют почти всем требованиям, предъявляемым к твердотоплнвным зарядам [26). Горение заряда происходит только по внутренним поверхностям, это создает хорошие условия для предохранения стенок камеры сгорания от нагрева. Поверхность заряда может быть подобрана почти не изменяющейся в процессе горения. Некоторая прогрессивность в конце горения заряда частично компенсируется в результате эрозионного разрушения сопла. Имеющиеся недостатки в конструкции заряда могут быть устранены.

Например, появление дегрессивно-горящих остатков (рис. 2.14) (в двигателях небольших калибров, например, к ракетам воздух — воздух) приводит к нежелательным изменениям характеристик работы двигателя и неэффективному расходу дорогостоящего топлива. Устранение этого недостатка возможсь но несколькими путями: установкой в местах образования остатков топлива идентичных а=с им по конфигурации вкладышей из пенопласта; концентрация напряжений вострых углах звезды уменьшается их скруглением.

Число лучей звезды может мел) б1 няться в широких пределах и зависит от геометрических соот- ношений 1.!Р и требуемого закона изменения поверхности горения. Горение звездообразного заряда можно разделить на три фазы (рис 2.15). 1. Горение идет по двум условным участкам — дуге н прямой. 2. После исчезновения прямолинейного участка горение продолжается по дуге с переменным углом ср. 3. Фронт горения достиг стенки камеры сгорания. Заряд распался на дегрессивно-горящие остатки. Догорание остатков происходит при понижении давления, что сопровождается падением удельного импульса.н тяги двигателя. Расчет основных характеристик звездообразного заряда можно вести по методике, изложенной ранее, либо описанной в литературе (22, 28 !.

В большинстве случаев звездообразные заряды применяются в двигателях маршевых ступеней ракет и изготавливаются из смесевых топлив. Торцевой заряд. Он может иметь одну или две поверхности говения (рис. 2.16). Зто наиболее простые по конструкции заряды.

Торцевой заряд позволяет получить максимальный коэффициент заполнения РДТТ, продолжительное время работы и сравнительно небольшие тяги. Указанные особенности определяют его наиболее целесообразное применение в качестве управляющих или маршевых РДТТ. Торцевые заряды могут также использоваться в газогенераторах различного назначения, где требуется продолжительное время работы, например, в бортовых источниках мощности (БИМ), в пороховых аккумуляторах давления (ПАД) и др.

Торцевой заряд позволяет получить любой из известных законов изменения поверхности. Для получения увеличивающейся или уменьшающейся поверхности горения достаточно изготовить заряд конической формы и нанести бронирующее покрытие по наружной поверхности и одному из торцев. Увеличение поверхности горения получается при незабронированном торце меньшего диаметра, уменьшение — при незабронированном большем торце. Ступенчатого горения можно достигнуть двумя способами: изготовлением двухступенчатого заряда (с двумя различными диаметрами) или заряда, изготовленного из двух составов топлив, расположенных последовательно с различными скоростями горения (см.

рис. 2.16, г). Увеличить тягу двигателя с зарядом торцевого горения можно увеличением диаметра заряда; применением топлива с большей скоростью горения; применением в одном двигателе двух зарядов, горящих по торцу. В последнем случае горящие поверхности зарядов обращены друг к другу и сопловой блок располагается в средней части цилиндрической обечайки двигателя (см. рис.

1.16, л). Основные размеры торцеього заряда определяются следующим образом: (2.16) Недостаток торцевого заряда состоит в том, что он требует нанесения в камере сгорания двигателя значительного слоя ТЗП. При горении по торцу происходит перемещение фронта горения вдоль оси двигателя. При этом стенка камеры оголяется и подвергается воздействию горячих газов, Заднее днище и прилегающая часть цилиндрической обечайки будут испытывать воздействие горячего газового потока в течение времени, приблизительно равного времени работы двигателя.

Поэтому в этих местах потребуется максимальный слой ТЗП. Критическое сечение и раструб сопла будут также подвергаться эрозионному разрушению длительное время. Комбинированный заряд состоит из нескольких частей, различающихся по конструкции и составу топлива. Комбинированные заряды применяются для создания заданной в ТЗ зависимости изменения тяги. Отдельные блоки могут иметь звездообразную форму, цилиндрическую, цилиндроконическую и другие. Блоки могут между собой не соединяться.

Примером комбинированного заряда может служить заряд твердотопливного ускорителя МВКС «Спейс Шаттл» (см. рис. 1,10). Исходя из допущений, что уиос БП за все время работы двигателя отсутствует, а количество тепла, поглощенное топливом, мало по сравнению с количеством тепла, поглощенным БП, рекомендуется следующая формула для приближенного определения толщины БП: свпРзп 1и ((7ь — 7 у(7 — 7 0п)]' где Хвп, свп, рвп — соответственно коэффициент теплопроводности, теплоемкости и плотность; Т, — температура газа в камере сгорания; Т, — начальная температура заряда и БП; Та заданная допустимая температура топлива в месте контакта с бронировкой.

2.4. БРОНИРИОЩИЕ ПОКРЫТИЯ Бронирующие покрытия наносятся на те поверхности заряда твердого топлива, горение которых исключается из процесса горения в течение заданного времени работы двигателя. К бронирующим покрытиям (БП) предъявляются следующие требования: хорошая адгезия с топливным зарядом; химическая и физическая стабильность в течение всего срока хранения топливного заряда; низкая теплопроводность и малая плотность; технологичность нанесения; недефицитность.