Фахрутдинов И.Х., Котельников А.В. - Конструкция и проектирование ракетных двигателей твёрдого топлива, страница 14

В зависимости от типа топлива выбирается тот или иной состав БП. Для зарядов из баллиститного топлива применяют смолы (например, эпоксидную) с наполнителем из хлопчатобумажных нитей..Смоченные в смоле нити наматываются на цилиндрическую поверхность заряда. На торцевые поверхности наносятся полимерные БП. Для смесевых топлив в качестве БП обычно применяют тот же каучук, какой входит в состав заряда в качестве горючего-связующего.

Наполнителем может служить газовая сажа. Толщина бронируюшего покрытия выбирается исходя из условия нагрева поверхностного слоя топлива, находящегося в контакте с БП. Температура нагрева не должна превышать температуры вспышки топлива. 60 совсем отсутствует для зарядов >орцевого горения. В приведенной методике влияние изменения плотности заполнения сечения камеры частично компенсируется коэффициентом /, который увеличивается с увеличением !» и наоборот. Обозначим через а=— 2р„/ х>р н Подставив а в уравнение (3.4) и продифференцировав его, получим: К )тн а/ „— а — т" Рк — — тн =О, (3.5) имея в виду, что » — ! ч/ 2» /ун У (» 1) /хкук ' 1 — ( Р / + к »-ь! где А = й ( 2, )» '. Если варьировать давление в камере сгорания при неизменной степени уширения сопла а = Ркр/Р, = !) (Х) = сопз1, то для различных решений отношение Р„/Р, = и (Х) будет величиной постоянной. Тогда / „= ~' — К„Тк 1 — [п(Л)[» + " " а(Л) = Ач (л) Откуда сынвс1 Рк = — -ь.

У вЂ” — —— 6 У Ьв Ь и (3.6) 64 Рн а' )1к)"к РкАЧ (Л! Так как температура в камере сгорания практически не зависит от давления, примем, что 2» 1 » — ! у— Ь = — Й„Т„т' 1 — [п(Л))" + "„" п(Л) =сопз1; с = — "" Р = сопзЕ [/я„т„ АЧ (Л) н Подставляя обозначения, получим к Окончательно уравнение (3.5) примет вид Отношение с/Ь обозначим как !(р с/Ь— Р н ! — !1 А>1(Л) [ — [ 1 — н (Л) » ) + н (Л) (» — 1) тогда Рн г(~ )' !1 + Для значения й = 1,25 Рн 2,озв)(Л) 1 1 — н(Ц +н(Л) .1/>» — 1 Если т( близко к единице, можно принять (3.7) где о к — — и/р„— удельная прочность материала корпуса. Из формулы (3.7) следует, что давление в камере сгорания можно допускать тем больше, чем выше удельная прочность материала корпуса и плотность топлива, плотность заполнения сечения и удлинение двигателя. Формула (3.6) устанавливает связь между внутренним и внешним давлением.

С уменьшением Р„значение оптимального внутри камеры давления уменьшается, так как заданная скорость истечения на срезе сопла при меньшем Рн создается меньшим давлением. При атом существует граница минимального давления в камере сгорания, которая определяется устойчивостью процесса горения топлива и размерами Ркр и Р,. Обе площади растут при заданной тяге пропорционально уменьшению давления. Расчет оптимального давления в камере сгорания производится в следующей последовательности. 1.

По известным из ТЗ параметрам (/„, з, !р, Рн) выбирается наиболее близкий аналог двигателя. Используя таблицы газодинамических функций, находим значения д (Л), Л, /. Если подходящего аналога нет, то можно использовать характеристики двигателя, близкого по значению величины тяги. Определим 5=1 — р РРк', Рк где )! = 1,5; д (Л) — находим из условия Р, < Гк и по известному из ТЗ давлению окружающей среды Рк. При определении плотности заполнения сечения необходимо учитывать наличие бронирующего покрытия, термоизоляции и зазора между зарядом и стенкой камеры сгорания н (>вв >в) + РРир > Рк 6 фахртхдвков и. х.

в »р. Рис. ЗА. Завиеииость давлеиия в ка- мере сгорания от характеристик ма- териала корпуса и топлива при раз- личиях давлениях иа срезе сопла Р,логи а,р иа гр где г,„, — внутренний радиус камеры сгорания без термоа изоляции; г, — радиус заряда без бронирующего покрытия. 2. Найдем длину камеры сгорания и значение коэффициента Г 3.

Определим величину давления в первом приближении по формуле: где г( — —— с Ри Ь ,Г ~ ' ь 1~ Ад (Л) ~/ '( ! — и (Л) " ) + и (Л) 4. Г1о найденному значению Р„уточняется масса топлива н конструкция заряда (поверхность горения, необходимая для получения заданного закона изменения тяги), Р„р, Р„Г., А, 1, д(Л). Если найденные значения д (Л), А, Г близки к первоначально принятым, то на этом расчет заканчивается.

Если же найденные значения отличаются от первоначальных, то расчет повторяется до тех пор, пока предыдущие значения не станут близки или будут совпадать с последующими. 5. При отсутствии каких-либо аналогов проектируемого двигателя выбор рабочего давления можно производить, пользуясь графиком рис. 3.1. Платность заполнения сечения можно определить'по формуле м УРвти АРирп где Є— "давление в камере сгорания принимается из опыта проектирования аналогичных двигателей или литературных источников.

Ззн РАСЧЕТ ВИУТРИБАЛЛИСТИЧЕСКИХ ХАРА КТЕРИСТИ К РДТТ 66 Из рассмотренного в гл. 1 содержания ТЗ на разработку РДТТ было установлено, что до начала эскизного проектирования бывают заданы следующие характеристики двигателя: суммарный импульс, время работы, ограничения по тяге (максимальное и минимальное значения), масса топлива, габаритные ограничения (наружный диаметр двигателя, длина двигателя, диаметр среза сопла).

В начале проектирования производится комплексный анализ всех требований в целом, предъявляемых к двигателю, в результате чего формируются исходные представления (без загромождающих деталей и подробных конструктивных разработок и расчетов), во-первых, об основных определяющих условиях эксплуатации и требованиях, предъявляемых к параметрам двигателя (температурном состоянии конструкции, перегрузках, аэродинамическом нагреве, секундном расходе, типе диаграммы тяги . и др.), и, во-вторых, об общей конструктивно-компоновочной схеме двигателя (типе топлива, способе крепления топливного заряда, материалах основных элементов конструкции и ТЗП, наличии или отсутствии наружного ТЗП, газовода, газодинамических органов управления вектором тяги и др.).

Затем уточняются внутрибаллистические характеристики. Этот этап включает в себя: выбор конфигурации топливного заряда; оптимизацию уровня максимального давления в двигателе; формулирование требований к топливу; проведение расчета внутрибаллистических характеристик. В тех случаях, когда нет специально оговоренных требований или особых условий эксплуатации (например, таких как очень высокая температура обечайки 1» 250 сС вследствие аэродинамического нагрева перед пуском с самолета и др.), наиболее рациональным является топливный заряд, скрепленный по наружной поверхности с обечайкой корпуса.

Такая конструкция заряда обеспечивает наибольшее заполнение топливом внутреннего объема двигателя. Для РДТТ, эксплуатируемых в широком температурном диапазоне, это становится возможным при использовании топлива, обладающего высокими физико-механическими характеристиками, в частности, значительной деформацией при низких температурах, т.

е. для скрепленного заряда определяющими, с точки зрения его прочности, являются величины деформации поверхности центрального канала при минимальной температуре. Таким условиям удовлетворяют ряд рецептур топлив, имеющих приблизительно одинаковые значения плотности и удельного импульса, на основе композиции высокоэластичных каучуков, перхлората аммония, алюминия и небольшого количества различных технологических добавок. Варьирование скоростью горения осуществляется изменением содержания специальных каталитических добавок. Для РДТТ, применяемых в узком положительном температурном диапазоне эксплуатации, могут быть использованы топлива с высокой плотностью, достигаемой за счет некоторого ухудшения физико-механических характеристик.

6* 67 Для РДТТ, выполняемых с вкладным топливным зарядом, могут быть использованы топлива с высокими плотностью и удельным импульсом, полученными также за счет некоторого ухудшения физико-механических характеристик (эластичности). Таким образом, исходя из условий эксплуатации проектируемого РДТТ и принятой схемы крепления топливного заряда, выбирается тип топлива. При выборе формы заряда руководствуются в основном накопленным опытом проектирования и отработки аналогичных РДТТ. В качестве предварительной формы заряда целесообразно выбирать наиболее простую конфигурацию, не имеющую концентраторов напряжений (таких, например, как радиальные и кольцевые прорези).

Простая форма заряда повышает надежность РДТТ в работе и эксплуатации, упрощает оснастку, технологический процесс заполнения и повышает надежность дефектоскопирования заряда. В случае, если простой формой заряда, даже с помощью небольших кольцевых проточек, не удается обеспечить требуемый — нейтральный, прогрессивный; дегрессивный или другой — комбинированный тип "зависимости поверхности горения от величины выгоревшего свода, то выбирают сложную форму заряда — канально-щелевую или звездообразную.

В некоторых случаях при выборе формы заряда приходится исходить из других соображений, превалирующих над соображениями простоты и надежности. Так, в случае больших значений секундного расхода (= ",= ф= —" = 3ир,) при малом времени работы и большой массе топлива предпочтительнее может оказаться сложная (например, звездообразная) форма заряда с развитой поверхностью горения как требующая меньшую скорость горения топлива, чем простая форма с неразвитой поверхностью, для которой требуемый высокий уровень скорости может оказаться трудно достижимым. Выбранная форма заряда уточняется после определения рас' четной зависимости поверхности горения от величины выгоревшего свода и сравнения ее с требуемой.

Расчет геометрических параметров для выбранных форм зарядов производится по методу, аналогичному рассмотренному ранее, после чего производится расчет внутрибаллистических характеристик двигателя. Расчет внутрибаллистических характеристик РДТТ ставит основной задачей определение давления в камере и тяги, развиваемой двигателем, в зависимости от времени работы, при наличии газодинамического устройства управления вектором тяги — также боковой составляющей тяги, создаваемой этим устройством, При этом решаются и следующие сопутствующие задачи: определяются параметры газового потока (давление, температура, скорость газового потока) в канале топливного заряда, с внутренней стороны днищ, в газоводе (если таковой имеется), которые используются при расчетах теплового состо- 68 яния, давления и прочности элементов кбйструкции двигателя и теплозащитных покрытий.