1611257135-3356d66bd122f3beb3c5fa95c991a265 ([2016] Ермилов Нуруллаев Куценко - Ракетные двигатели на твердом топливе [Пермь]), страница 42

Поликристаллические графиты являются экструдированными или формованными. В наличии имеются сорта с различнымиплотностями и возможностями. Как уже упоминалось, они широкоиспользуются для простых сопел и изготовления частей ITE. Пиролитический графит является сильно анизотропным материаломи имеет отличную теплопроводность в заданном направлении.Этот графит изготавливается путем отложения кристаллов графитана основание печи, содержащей метан. Он сейчас реже применяется, однако еще используется в ракетных двигателях старых конструкций (см. рис. 6.12).Материал углерод-углерод изготавливается из тщательноориентированных наборов углеродных (графитовых) волокон(сплетенных, вязаных, резаных или специально уложенных), заключенных в углеродную матрицу.

Двухмерный 2D-материалимеет волокна, ориентированные в двух направлениях (под прямым углом друг к другу), 3D-материал имеет волокна, ориентированные в трех направлениях (под прямым углом друг к другу),и 4D-материал имеет дополнительный комплект волокон, расположенных под углом около 45° к другим трем направлениям. Органическая жидкая смола инжектируется в пространство междуволокнами. Затем этот пакет или сборка прессуется, наполнительза счет нагрева превращается в обугленный продукт и уплотняется262с последующей инжекцией и процессом повышения плотности.Затем при температурах выше 2000 °С выполняется графитизация.Этот материал является дорогим, но подходящим для примененияв конструкции сопла.

Сильно уплотненный материал являетсяпревосходным в части теплопередачи в сопле. Многонаправленноеусиление волокнами позволяет им лучше выдержать высокие температурные напряжения, создаваемые высокими температурнымиградиентами в пределах каждого элемента сопла.Абляционные материалы. Эти материалы не только широкоиспользуются в конструкциях сопел ракетных двигателей, но также применяются в качестве теплоизоляционных материалов. Ониобычно являются композиционными материалами из органическихи неорганических высокопрочных волокон, а именно: кварцевогостекла, арамидов (Кевлар) или углеродных волокон, пропитанныхорганическими пластиковыми материалами, такими как фенольные и эпоксидные смолы. Волокна могут использоваться в видеотдельных прядей или лент (применительно к геометрии образцана намоточной машинке) или могут применяться в виде ткани илиленты, пропитанных смолой.Абляционный процесс является комбинацией поверхностногоплавления, сублимации, обугливания, испарения, разложенияв глубину и пленочного охлаждения.

Прогрессирующие слои абляционного материала подвергаются эндотермическому разложению, т.е. физическим и химическим изменениям, что связано с поглощением тепла (рис. 6.19). Хотя некоторая часть абляционногоматериала испаряется (некоторые типы также имеют вязкую жидкую фазу), однако достаточно обугленный и пористый твердыйматериал остается на поверхности, чтобы сохранить основнуюгеометрию и целостность поверхности.

После старта ракеты абляционный материал действует подобно любому тепловому сливу,но плохая теплопроводность вызывает быстрый подъем температуры поверхности. При температурах от 650 до 800 К некоторыеиз смол начинают распадаться эндотермически в пористый карбонизированный уголь и пиролизные газы. По мере увеличения глу263бины обугливания газы подвергаются эндотермическому крекингпроцессу и просачиваются через обугленный слой в противотокес тепловым потоком. Эти газы затем образуют искусственный,обогащенный горючим, защитный, относительно охлажденный,но относительно тонкий пограничный слой над обугленной поверхностью.Рис. 6.19.

Зоны в абляционном материале во время работы ракетногодвигателя с волокнами под углом 45° к потокуПоскольку обугленное вещество почти всё является углеродом и может выдержать нагрев до 3500 К (6000 R) то пористыйобугленный слой позволяет сохранить первоначальную поверхность (но с грубой поверхностной текстурой) и обеспечить геометрическую целостность. Обугленное вещество является слабымматериалом и может разрушаться или удаляться при прямомстолкновении твердых частиц, перемещающихся в газовой фазе.Конструкция с абляционным материалом используется для частиили для всех камер сгорания и/или сопел, показанных на рис. 6.20(а также на рис. 6.1–6.4 и 6.15).Абляционные элементы изготовляются либо формованием под высоким давлением (от ≈55 до 69 МПа или от 8000 до10 000 фунт/дюйм2 при температуре 149 °С или 300 °F) или методом обмотки лентой заданной формы, с последующим отверждением в автоклаве при давлении от 1000 до 2000 фунт/дюйм2(от 70 до 140 кг/см2) и при температуре 300 °F (≈150 °С).264ЧетыреконструкционныеопорыПараметрУдельный импульс на уровне моря, сУдельный импульс в вакууме, сТяга на уровне моря, фунтТяга в вакууме, фунтСоотношение смесиКамера сгорания368421640 700732 4006,74Двигатель362415650 000745 0006,0Рис.

6.20. Упрощенный вид ракетного двигателя RS-68 с газогенераторнымциклом (данные двигателя представлены в таблице)Метод обмотки является наиболее применяемым при изготовлении очень больших сопел. Этот метод обычно включает в себянагрев оправки (≈54 °С или 130 °F), прогрев ленты и смолы (от 66до 121 °С или от 150 до 250 °F), вальцевание ленты под давлением265при одновременной подаче смолы при прокатке на вальцах приприложении нагрузки (≈35 000 Н/м или 200 фунт/дюйм ширины),поддержание соответствующей скорости вальцевания, натяженияленты, ориентации обмотки и скорости подачи смолы. Опыт доказывает, что плотность обмотки является важным показателем технологической приемлемости, причем желательный критерий должен составлять около 90 % плотности, полученной в автоклаве.

Содержание смолы обычно колеблется от 25 до 35 % в зависимости отткани, используемой для усиления материала, и конкретной смолы,а также наполнителя. Обычно механические свойства отвержденного абляционного материала, а также износоустойчивость и долговечность материала в процессе работы ракетного двигателя коррелируют очень тесно с плотностью отвержденного материала. В пределах диапазона оптимальной плотности низкая плотность означаетплохое связывание усиливающих слоев, высокую пористость, низкую прочность и высокую скорость эрозии.В жидкостных ракетных двигателях абляционные материалыбыли эффективны в небольших камерах сгорания (где имеется недостаточная способность к регенеративному охлаждению) в пульсирующих, способных к повторному запуску ракетных двигателяхдля управления космическими летательными аппаратами и в ракетных двигателях с изменяемой (дросселируемой) тягой. Нарис.

6.20 показано абляционное покрытие сопла для большогожидкостного ракетного двигателя.Теплопередающие свойства многих имеющихся абляционныхи других материалов на основе волокон будут зависеть от ихструктуры, состава и конструкции. На рис. 6.21 показано несколько известных ориентаций волокон и способов применения. Ориентация волокнистых усилителей, будь то лента, ткань, волокна илислучайно распределенные короткие волокна, оказывает заметноевлияние на эрозионное сопротивление сопел из композиционныхматериалов (см.

рис. 6.15).При перпендикулярном газовом потоке теплопередача к внутренней стенке довольно высока, потому что путь теплопередачиявляется коротким. Хорошие результаты были получены, когда266Рис. 6.21. Упрощенные схемы трех различных типов усиленныхволокнами абляционных материаловволокна располагались под углом от 40 до 60° относительно газового потока над поверхностью. При изготовлении сопла важную рольдля продолжительности работы сопла данной конструкции играютметод намотки, формования, отверждения, особенности приготовления смолы и источники смолы.6.5. Детали воспламенителяВ связи с тем, что масса топлива воспламенителя небольшая(часто менее 1 % от массы топлива в двигателе) и оно горит, главным образом, при низком давлении в камере сгорания (с низкимудельным импульсом Is), его доля в суммарном импульсе двигателя очень мала. Одна из целей разработчика – уменьшить массу топлива воспламенителя и свести массу инертных элементов воспламенителя к минимуму, обеспечив достаточную гарантию воспламенителя при всех операционных условиях.На рис.

6.22 показано несколько альтернативных положенийустановки воспламенителя. При установке воспламенителя напереднем торце газовый поток над поверхностью топлива помогает обеспечить воспламенение. В случае установки воспламенителя на заднем торце обеспечивается небольшое движение газа, вчастности, около переднего торца, здесь воспламенение обусловлено температурой, давлением и теплопередачей от газа, производимого воспламенителем. Если воспламенитель устанавливается267Рис. 6.22. Схемы установки воспламенителей:а – задний, внутренний; б – задний, внешний; в – передний,внутренний (поддерживаемый выходным конусом сопла);г – передний, внешний.