1, 3 – шпангоуты; 2 – обечайки; 3 – фланцы; 4 – швы.

Прочность металла в сварных швах уменьшается. Для сталей типа СП прочность в швах составляет 0,9 прочности основного металла. Для сталей типа ЭП ~ 0,65– 0,7 прочности основного металла

Основные требования, предъявляемые к конструкции корпусов:

• минимальная масса при заданном внутреннем свободном объеме для размещения зарядов и достаточная прочность при всех видах нагружения;

• надежная тепловая защита от воздействия ПС;

• герметичность корпуса;

• обеспечение требуемого уровня деформируемости корпуса.

16.3. Узлы стыка

Способ крепления двигателя к ракете определяет конструкцию узлов стыка.

К передним узлам стыка крепятся верхняя ступень, отсек или обтекатель ракеты, к заднему – нижняя ступень ракеты, либо ее отсек (межступенчатый, либо хвостовой). Если двигатель предназначен только для создания тяги, его можно крепить к ракете с помощью одного узла стыка.

Узлы стыка на двигателях с корпусами типа “кокон” можно размещать либо на втором коконе, намотанном поверх силовой оболочки, либо на обечайках, примотанных к силовой оболочке консольно. Кроме того, один или несколько периферийных узлов крепления могут быть расположены на боковой поверхности корпуса.

Схема стыков несущей конструкции корпуса

1 – верхняя ступень ракеты;

2 – передний шпангоут корпуса;

3 – силовая оболочка корпуса (первый кокон);

4 – оболочка корпуса (второй кокон);

5 – нижняя ступень ракеты

Схема консольного стыковочного узла

1 – верхняя ступень ракеты;

2 – передний шпангоут корпуса;

3 – силовая оболочка корпуса (первый кокон);

4 – оболочка корпуса (второй кокон);

П
ериферийный узел стыка корпуса

1 – корпус двигателя;

2 – ракетный отсек;

3 – периферийный центральный шпангоут корпуса.

На рис. приведена схема крепления вспомогательного двигателя (креновых двигателей) внутри ракетного отсека.

1
– нижний удлиненный узел стыковки корпуса

2 – узлы крепления вспомогательного двигателя

3 – вспомогательный двигатель

Основным несущим элементом конструкции корпуса РДТТ является обечайка. Обечайки корпусов делятся по форме на цилиндрические, конические и сферические, а по наличию сварных швов – на сварные (с кольцевыми, продольными и спиральными швами) и бесшовные (раскатные и цельнотянутые)

Обечайки могут быть гладкие или иметь приклеенные, припаянные или приваренные к ним местные элементы. Обечайки могут заканчиваться фланцами или переходами в днища. Они могут иметь промежуточные пояса жесткости (кольца, бандажи, хомуты).

Приближенная оценка напряженного состояния

Для приближенной оценки исходных напряжений ( возникающих при работе двигателя и зависящих от р_к) в длинном гладком цилиндре воспользуемся выражением

, , (1)

где ₁ и ₂ – напряжения в сечениях вдоль образующей и по кольцу.

В длинных обечайках можно пренебречь нагрузками, действующими по краям. Длинной считают обечайку, для которой выполняется условие:

l  3, где .

Принимая для металлических обечаек =0,3, получим:

, т.е. l  2,4 .

Если на обечайку корпуса действуют одновременно осевая сила N, изгибающий момент М и давление р_к, мaксимальное нормальное напряжение в цилиндрической оболочке ( от внешних сил ) определяется выражением

. (2)

Напряжение от р_к определяется по формулам (1).

Тогда эквивалентное напряжение в обечайке от действия всех сил

; _2экв=_max + ₂

16.4. Днища

Обычно днища изготавливают штамповкой или раскаткой с одинаковой по всей поверхности толщиной.

Днище с корпусом соединяют при помощи фланцев, резьб и др.

К оптимальным относятся днища, обладающие технологичностью, удовлетворяющие требованиям минимальной массы (при достаточно большом внутреннем объеме и при условии обеспечения наилучшей компоновки с соединяющимся с двигателем отсеком ракеты ).

Полусферическое днище обладает минимальной массой:

_сф = ₁ = ₂ =

Минимальная масса полусферического днища соответствует отношению b/R = 0,58.

Э ллиптическое днище

Напряжения ₁ и ₂ можно определять из уравнения

,

где R₁ и R₂ – соответственно меридианальный и окружной радиусы кривизны. В центре днища R₁=R₂=R_сф и поэтому ₁ = ₂ = _сф. На кромке R₁ = b²/R, а R₂ = R и окружное напряжение

.

Сжимающие напряжения на периферийной кромке днища и растягивающие в цилиндрической оболочке корпуса являются причиной изгибных деформаций на участке перехода от днища к цилиндрической обечайке. При отношении b/R = 0,707 сжимающие напряжения ₂ = 0, но разница в перемещениях кромок обечайки корпуса и днища остается. Поэтому, переходные зоны от днища к цилиндру усиливают введением кольца.

Толщина днища (b/R=0,4…0,7)

Наиболее часто рекомендуемое соотношение b/R = 0,607.

Полусферическое днище образуется сопряжением сферической поверхности с торовой поверхностью в периферийной части днища (R_тора  0,12 R).

В тороидальной части , (R_т - радиус тора).

В сферической части , (R_с – радиус сферы).

В зоне перехода от сферы к тору возникают дополнительные изгибные деформации. Этот недостаток несколько уменьшен в днище Бицено.

При R_сф = 2R поверхность перехода от сферы к цилиндрической обечайке корпуса образуется вращением кривой

x, r – координаты (ось r проходит через точку Е)

ЛЕКЦИЯ 17

РАСЧЕТ И ПРОЕКТИРОВАНИЕ

ЭЛЕМЕНТОВ КОНСТРУКЦИИ РДТТ

( ПРОДОЛЖЕНИЕ)

17.1. Материалы, употребляемые в конструкциях сопловых блоков РДТТ

Выбор материалов для элементов сопла определяется двумя основными факторами:

-распределением температуры вдоль сопла по времени работы ;

- химическим и эрозионным действием продуктов сгорания.

Материалы для сопел РДТТ должны обладать:

-жаростойкостью и жаропрочностью при температурах до 3500К,

- достаточной конструктивной прочностью,

-эрозионной стойкостью в высокотемпературном сверхзвуковом потоке, насыщенном твердыми частицами;

-минимальной массой,

-совместимостью с окружающей и внутренней средой.

Достаточно легкое сопло может быть получено только при использовании принципа многослойности, когда каждый отдельный слой конструкции выполняет строго определенную функцию, а вся сборка в целом обеспечивает работоспособность при удовлетворительных характеристиках сопла.

Детали соплового блока по функционированию и месту расположения могут быть разделены на группы:

-воротник,

-входной конус,

-облицовка соплового вкладыша,

-выходной конус,

-раструб.

В качестве материалов для сопловых блоков широкое распространение нашли:

- для вкладышей критического сечения – тугоплавкие металлы и их сплавы, графиты ( для крупногабаритных РДТТ ( более 300 мм) – армированные пластмассы);

-для входных и выходных конусов и раструбов – армированные пластмассы.

Назначением соплового вкладыша является либо обеспечение стабильности величины диаметра d_кр, либо заданного закона его изменения.

Тугоплавкие материалы

Молибден. Относительно низкая плотность, высокая теплопроводность и высокая теплоемкость позволяют применять его для изготовления облицовок в сопловых блоках РДТТ. Почти все детали изготавливают ковкой. При температурах 2420…2470К образуется легкоплавкая эвтектика Mo-MoO₂, вымываемая потоком газа с большой скоростью уноса.

Вольфрам. Обладает самой высокой эрозионной стойкостью и достаточно высоким сопротивлением химическому воздействию. Существенным недостатком является его большая плотность.

При наличии в составе ПС конденсированных частиц Al2O3, они попадают вначале на относительно холодную поверхность облицовки вкладыша. Увеличение толщины слабо теплопроводного слоя Al2O3 в дальнейшем приводит к нагреванию его поверхности до температуры 2320…2370К, определяющей плавление окислов Al2O3. С этого момента происходит интенсивный унос осевшего слоя до оголения W. Если п.с. имеют окислительную способность по отношению к W, то начинается его окисление и разгар.

Тантал имеет более высокую Тпл, чем Мо, но при высоких температурах быстро взаимодействует с H2O г, СО2 г, HCl г. Более стойким является сплав тантала с вольфрамом.

Графиты являются широко распространенными материалами для теплонапряженных элементов сопел РДТТ. Имеют высокую температуру сублимации, отличаются высокой теплопроводностью, достаточной прочностью, особенно, при высоких температурах, достаточно высокой коррозионной и эрозионной стойкостью.

Широкое применение для изготовления сопловых элементов нашли поликристаллические (плотный), силицированный и пиролитический графиты.

Поликристаллические графиты состоят из графитовых кристаллов, соединенных вяжущей основой. Графиты с большой плотностью (1,9…2,0) 103 кг/м3 имеют достаточно высокую стойкость к эрозии. При использовании графитов необходимо иметь в виду, что графиты в условиях сопловых блоков характеризуются значительным уносом массы, начиная с температуры 2070…2170К. Вследствие плохой смачиваемости оседание защищающего слоя Al2O3 на графит происходит менее интенсивно, чем на металл.

Для сопловых вкладышей широко применяется пиролитический графит. Процесс его образования заключается в высокотемпературном пиролизе содержащих углерод газов и осаждении освобожденного углерода на технической графитовой оправке. Пирографит – это ориентированный кристаллический графит. Отличается исключительной анизотропией теплопроводности: в тонком слое можно реализовать перепад температур до 2000К. К недостаткам, затрудняющим его применение, следует отнести хрупкость, низкую прочность скрепления с другими материалами, склонность к расслоению в процессе хранения

Материалы с нормированным уносом массы

Армированные пластмассы обладают низкой теплопроводностью, возможностью изготовления элементов сопла в очень широком диапазоне геометрических размеров и способностью поглощать большие количества тепловой энергии при своем разрушении. В крупногабаритных РДТТ эти материалы могут использоваться для изготовления сопловых вкладышей вместо дифицитных тугоплавких металлов и графитов. Скорость уноса массы в критическом сечении у таких материалов составляет 0,2…0,3 мм/с. Материалы типа “углерод – углерод” имеют скорость уноса ~0,1 мм/с и менее. При изготовлении сопловых вкладышей волокна (ткань) у таких материалов должны быть перпендикулярны оси двигателя. При этом унос материала подчиняется закономерности вида: