Фахрутдинов И.Х., Котельников А.В. - Конструкция и проектирование ракетных двигателей твёрдого топлива, страница 8

Вполне приемлемой является погрешность оценки влияния, находящаяся в пределах 1 сА. Уравнения взаимосвязи значительно упрощаются (линеаризуются) и принимают вид ЛА =- в ЛВ+ с ЬС+ до дА дА дд Как видно, при этом рассматриваются приращения исследуе- мой функции А в зависимости от приращений аргументов В, вместо сложной функциональной зависимости общего вида А =/(В, С, 1:!х ...). Значения частных производных обычно о р д п е еляются числен- ным методом с применением электронно- но-вычислительных машин. Малые приращения функции А отыскиваются в зависимости от заданных малых приращений аргумента р В п и постоянных (иден- тичных) в исследуемых ра расчетных точках значениях аргументов С, /7..., Н зависимость средней скорости полет д ц а ЗУР о ели апример, от массы конструкции, массы топлива и удельного им у п льса РДТТ может быть представлена в виде ~Л'ср дрср, дрср к к+ к г д! Ие сР = дскк к дксс тд Если в качестве примера для определенной ракеты принять значения частных производных равными д(/ср/дтк = — 1,5 м/(с.кг); д(/с /дт, = 2,5 м/(свкг); ЙГср/д/ д —— = 2,3 м/(с с), то величение массы конст рукции на 10 кг приведет к уменьшению аз- с едней скорости на м/с, у 15 /с, что может быть компенсировано ра- р РДТТ полнительно 6 кг топлива или повы- мещением в камере Д до шепнем удельного импульса на 65 с.

1.8. ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ РДТТ ла применения во второй мировой войне С момента начала ельно более высокие технические характе истики и получили весьма широкое распространение, хотя и 0 б созданы высокопрочные стали, тита о ~е еной сложненйя конст кции и н вь после ние 20 лет ыли со д 0 леевые составы, высокопрочные волокнии жа оп очные сплавы, кл Р р озионно стойкие и теплозащитные матестые композиционные, эрозионн 32 риалы. Это, а также успехи в области технологии производства корпусов, сопл, воспламенителей и эрозионно стойких элементов позволили существенно улучшить ряд конструктивных характеристик РДТТ, прежде всего коэффициента массового совершенства РДТТ, уменьшить энергетические потери в камере сгорания и сопле. Коэффициент массового совершенства уменьшился почти на порядок (с 0,7 ...

1,0 до 0,07 ... 0,2) 122). Появилась возможность обеспечивать надежную работу теплозащитных и эрозионно стойких элементов сопл практически любых габаритных размеров, узлов отсечки тяги, а также органов регулирования тяги как по значению, так и по направлению. Вместе с тем благодаря применению стеклопластиков, мартенситно-стареющих высокопрочных сталей, высокопрочных титановых, алюминиевых сплавов и надежных антикоррозионных покрытий был значительно увеличен гарантийный срок хранения РДТТ. Существенное повышение энергетических характеристик баллиститных порохов и, главное, появление высокоэнергетических смесевых топлив с широким диапазоном скоростей горения и высокими плотностями, успехи в области технологии формирования и дефектоскопии топливных зарядов позволили на 30 ... 40 % улучшить энергетические характеристики РДТТ и их надежность, Существенные эксплуатационные преимущества этого класса двигателей по сравнению'с ЖРД и гибридными ракетными двигателями сделали их самйми распространенными в ракетной технике и широко применяемыми в космической.

Развитие РДТТ после !958 — 1960 гг. проходило по пути увеличения удельного импульса, плотности и скорости горения смесевых топлив и уменьшения коэффициента массового совершенства двигателя. Среди направлений улучшения энергетических характеристик можно назвать снижение потерь, связанных со скоростной неравновесностью двухфазного потока, соответствующим профилированием сопл (с учетом изменения профиля из-за эрозионного разрушения покрытия в процессе работы двигателя) и посредством использования при изготовлении смесевых топлив из тонкодисперсных порошков и специальных покрытий частиц алюминия.

Целям улучшения массового совершенства будут служить работы по дальнейшему повышению удельной прочности металлов и волокнистых композиционных материалов, улучшению характеристик угле- и углеметаллопластиков, увеличению коэффициента заполнения объема камеры двигателя, возможному при увеличении скорости горения с одновременным повышением эластичности и прочности топлива.

Наряду с этим имеется естественная тенденция повышения требований надежности, увеличения температуры внутри камеры и давлений, применения улучшенных композиционных материалов, расширения температурного диапазона эксплуатации, увеличения тяговооруженности и совершенствования элементов управления вектором тяги и склонением ракеты, создания элементов, 3 Фахсутквксв и. х. к др. 33 позволяющих снятие статического электричества, обеспечения стойкости против биологических вредителей, солнечной и других видов радиации и т. д, Обеспечение перечисленных требований, усложнение и ограниченная возможность унификации и стандартизации РДТТ сопровождаются увеличением длительности экспериментальной и технологической отработки и возрастанием их стоимости. Поэтому, несмотря на существенные экономические н эксплуатационные преимущества этого типа двигателей по сравнению с ЖРД и ГРД, анализ стоимости, творческий подход при проектировании и изготовлении, оптимизация применения РДТТ в ракете, оптимизация конструкции РДТТ, — являются наиболее важными факторами, обеспечивающими сокращение сроков разработки этого типа двигателя.

Важное значение из перечисленных факторов имеет применение оптимального РДТТ в ракете. Попытка улучшить характеристики двигателя, рассматриваемого изолированно, может привести к возрастанию сложности и неприемлемой стоимости. Совместный анализ возможных путей улучшения РДТТ разработчиками ракеты и двигателя может дать выигрыш в характеристиках без сопутствующего чрезмерного усложнения. Зтому, например, способствует разработка и внедрение САПР с применением вычислительных комплексов.

ГЛАВА 2 ТОПЛИВНЫЕ ЗАРЯДЫ РДТТ 2Л. СВЕДЕНИЯ О ТВЕРДЫХ РАКЕТНЫХ ТОПЛИВАХ Применяемые в РДТТ топлива являются унитарными (многосоставными), содержащими в своем составе горючие, окислнтельные н другие компоненты. По своей физической структуре твердые ракетные топлива (ТРТ) делят на два класса: гомогенные и гетерогенные.

2.1.1. Гемогенные пли нитроцеллюлозные топлива Нитроцеллюлозное топливо (баллиститный порох) порох на основе нитратов целлюлозы, пластифицированных нитроэфирами или их смесями. Исходное вещество — целлюлоза является сложным полимерным веществом. При обработке целлюлозы азотной кислотой образуются нитраты целлюлозы или нитроклетчатка. Нитроклетчатка является унитарным топливом„ содержащим в своем составе атомы окислителя и горючего.

Однако самостоятельного значения как топливо нитраты целлюлозы не имеют, так как горение этого вещества, спрессованного в топливные шашки, происходит неустойчиво, что объясняется порнстоволокнистой структурой нитроклетчатки. Рыхлая структура вещества способствует горению не только по поверхности, но и внутри многочисленных пор. При этом объемное горение переходит в детонационное. Чтобы избежать детонационного горения путем устранения пористо-волокнистой структуры нитроклетчатку желатинизируют растворителем.

Для ракетных топлив применяют труднолетучие растворители (нитроглицерин н нитродигликоль). Зги вещества также являются энергоносителями, так как имеют в своем составе атомы горючего и окислителя. Применять их в качестве самостоятельного унитарного топлива в ракетном двигателе также не представляется возможным из-за высокой чувствительности к механическим и термическим воздействиям.

При обработке нитратов целлюлозы нитроглицерином илн нитродигликолем образуется пластифицированная топливная масса, которую затем можно прессовать в шашки различной конфигурации. Нитроцеллюлозное топливо имеет две энергетические основы— нитраты целлюлозы и растворитель-пластификатор в виде нитроглицерина или нитродигликоля. Отсюда появилось названне— двухасновные топлива. Состав нитроглицериновых топлив достаточ- 3' 35 Таблица 2.1 Таблица 23 Массовое содержание, ел Массовое содержание, мв Компонент Компонент 54 — 60 25 — 43 8 — Н до 1 — 5 до 2 до 5 Нитраты целлюлозы Растворители.пластификаторы Дополнительные пластификаторы Стабилизаторы химической стойкости Технологические добавки Катализаторы и стабилизаторы горения 60 — 80 15 — 20 10 — 15 до 5 Таблица 2.2 Рввраеотчнн Компонент ФРГ СССР США США США 57 28 4 1 3680 2340 61,5 3,5 35 3720 2390 1,24 49,5 47,0 3,5 0,42 4890 3030 1,22 !569 51,5 43,0 1,0 4,83 5140 3160 1,21 2256 52,2 43,0 4,9 5140 3160 1,22 2256 7,5 6,5 17 0,69 0,71 2,0 1610 1600 0,7 4,0 1600 Некоторые характеристики питроцеллюлозных топлив Нитроцеллюлоза, % Нитроглицерин, % Этилцентралит, % Другие компоненты, % Калорийность !)ж, кДж/кг Температура горения Т, К Показатель адиабаты й Удельный импульс 1, м1с, при Р„1Рн = = 7,0/О,! Скорость горения, мм1с, при Р„= 7 МПа, 1и = 20'С Показатель степени ч в зависимости от скорости горения Нижний предел давления Ржщ, МПа Плотность р, кгIмв но сложен, так как помимо указанных веществ в них входят компоненты, имеющие специальное назначение.

К ним относятся дополнитмьные растворители-пластификаторы, стабилизаторы горения и стабилизаторы химической стойкости, технологические добавки, катализаторы. В настоящее время разработано большое количество рецептур нитроцеллюлозных топлив. Несмотря на это весовые соотношения компонентов топлива находятся в узких пределах. В табл. 2.1 и 2.2 приводятся эти вмичины !9, 22!. 2.1.2. Смесеные твердые топлива („Смесевое твердое топливо (СТТ) представляет собой многоьомпонентную гетерогенную смесь окислителя, горючего- связующего и различных добавок, способную к закономерному горению без доступа кислорода извне с выделением значительного количества энергии.