Л-17 (Электронные лекции)
Описание файла
Файл "Л-17" внутри архива находится в папке "Электронные лекции". Документ из архива "Электронные лекции", который расположен в категории "". Всё это находится в предмете "основы ракетных двигателей твёрдого топлива (рдтт)" из 7 семестр, которые можно найти в файловом архиве МГТУ им. Н.Э.Баумана. Не смотря на прямую связь этого архива с МГТУ им. Н.Э.Баумана, его также можно найти и в других разделах. Архив можно найти в разделе "лекции и семинары", в предмете "основы ракетных двигателей твёрдого топлива (рдтт)" в общих файлах.
Онлайн просмотр документа "Л-17"
Текст из документа "Л-17"
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 dкр, 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.
| Характеристики | Мо | Та | W | |
| Тпл, К | 2890 | 3269 | 3680 | |
| , Вт/(м2К) | 290 К | 136 | 62 | 156 |
| 1000 К | 113 | 71 | 110 | |
| 1500 К | 94 | 76 | 104 | |
| 2000 К | 78 | 80 | 98 | |
| 2500 К | 70 | 98 | 95 | |
| Плотность, кг/м3 | 10200 | 16600 | 19200 | |
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:
, =0,8.
Коэффициент V1 зависит от свойств материала и химического состава п.с. топлива. При этом заданная программа изменения тяги обеспечивается переменной по времени поверхностью горения топливного заряда, увязанной с нормированным изменением площади критического сечения сопла.
Армированные пластмассы разделяются на 2 группы: стеклопластики (на основе кремнеземных тканей) и углепластики (на основе угольных и графитовых тканей).
Для защиты сопловых вкладышей на их рабочие поверхности тем или иным способом наносят специальные покрытия.
Наиболее распространенным покрытием вкладышей из графита являются вольфрам и его сплавы, карбид вольфрама, молибден и его сплавы, окислы алюминия, тантала и некоторых других металлов; специальные графитокерамические покрытия (50% графита, 25% борида титана, 24% дисолицида молибдена, 1% специальной связи), пиролитический графит и др.
Типичные характеристики материалов для сопел (Т=293К)
| Характеристика | Теплопроводные жаростойкие материалы | |||
| Графит | W (кованый) | Пирографит | ||
| Плотность, г/см3 | 1,73 | 19,0 | 1,8 – 2,26 2473 | |
| ,Вт/(мК) | вдоль волокна | 104 – 23,7 (2473) | 142,5 – 89,1 (2473) | 142,5 – 89,1 (2473) |
| поперек волокна | 59,4 – 22,3 (2473) | – | 1,78 – 0,45 | |
| С, Дж/(кгК) | 0,25 – 0,6 2473 | 0,033 – 0,047 (2473) | 0,22 – 0,5 2473 | |
| Характеристика | Композитные обляционные материалы | |||
| на основе угольн. ткани | графитовая ткань | кварцевая ткань | ||
| Плотность, г/см3 | 1,43 | 1,45 | 1,75 | |
| , Вт/(мК) | вдоль волокна | 1,23 – 1,38 (673) | 3,40 – 4,31 (673) | 0,52 – 0,56 ( 673) |
| поперек волокна | 0,71 – 0,86 ( 673) | 1,02 – 1,36 ( 673) | 0,45 – 0,48 ( 673) | |
| С, Дж/(кгК) | 0,2 – 0,36 ( 673) | 0,24 – 0,39 (673) | 0,24 – 0,30 ( 673) | |
Иногда вместо нанесения на графит защитных покрытий оказывается достаточным провести:
- рекристаллизацию поверхностного слоя с получением т.н. структуры суперграфита,
-специальную обработку детали с целью получения на рабочей поверхности слоя повышенной жаропрочности из карбидов титана, циркония и т.д;
-силицирование, в результате чего в поверхностном слое детали образуется структура, в которой графит оказывается связанным с карбидом кремния.
Хорошо обеспечивает эрозионную защиту графитовых вкладышей нанесение на их рабочую поверхность защитного покрытия из вольфрама. Покрытие может наноситься газопламенным или плазменным напылением, электролитическим осаждением, спеканием в вакууме.
.
Для изготовления раструба сопла и его элементов в качестве конструкционных и теплозащитных материалов широко применяют стеклопластиковые материалы. Теплопроводность стеклопластиков составляет 
теплопроводности стали. Стеклопластики на основе кремнеземных (96 – 98% SiO2) и кварцевых (100% SiO2) волокон не теряют своих свойств до температуры 1370 – 1770К. В качестве связующих для стеклопластиков применяют фенольные, эпоксидные и кремнийорганические смолы.
Пропитанные тканые ленты изготавливаются из лент или тканей обычного тканевого переплетения и предназначены для намотки теплозащитного слоя укладкой слоев параллельно потоку.
В перекрестных лентах волокна стеклонитей располагаются под углом (чаще всего 45) к направлению ленты. Эти ленты предназначаются для намотки деталей эрозионно стойких покрытий (ЭСП) с укладкой слоев перпендикулярно или под определенным углом к потоку (эквидистантность уноса).
Раструбы с углом раскрытия не более 30 изготавливаются методом окружной намотки, т.е. укладкой лент параллельно оси вращения на оправку, имеющую профиль наружней поверхности, идентичной внутреннему профилю будущего раструба.
17.2. Конструкционные материалы, используемые для несущих конструкций РДТТ
Оптимальным называется материал, обладающий наилучшими свойствами при минимальных затратах и минимальной массы конструкции. При проведении технико-экономического анализа необходимо кроме цены материала учитывать стоимость изделия и всей системы в целом. При расчёте эффективности применения материала нужно учитывать не только уменьшение массы, но и сопутствующие факторы. Уменьшение стартовой массы 
ступенчатой баллистической ракеты за счёт 1 кг пассивной массы эквивалентно уменьшению массы топлива на 40 кг.
С точки зрения обеспечения минимальной массы наиболее выгодным для несущей конструкции (например, оболочки корпуса РДТТ) будет материал, имеющий максимальную удельную прочность, если определяющий вид нагружения в конструкции растягивающий, или максимальную удельную жёсткость, если требуется обеспечить устойчивость конструкции.
Удельная прочность – 
.
