1611257135-3356d66bd122f3beb3c5fa95c991a265 ([2016] Ермилов Нуруллаев Куценко - Ракетные двигатели на твердом топливе [Пермь]), страница 43

Конфигурации зарядов не показанына сопло, то конструктивные элементы воспламенителя и егоопорная часть сбрасываются сразу же после того, как воспламенитель израсходовал все свое топливо, так как требуется удаление излишней массы в виде корпуса воспламенителя. Имеетсядва основных типа воспламенителей: пиротехнические и пирогенные.6.5.1. Пиротехнические воспламенителиВ производственной практике пиротехнические воспламенители определяются как воспламенители (а не как воспламенителипирогенного типа, как описывается дальше), использующие твердые взрывчатые вещества, или энергетические, подобные твердому ракетному топливу, химические составы (обычно в виде небольших гранул топлива, которые создают большую поверхностьгорения и обеспечивают весьма короткое время горения), как теплопроизводящие материалы.

Это определение соответствует широкому разнообразию конструкций, известных как мешочныеи плетеные воспламенители, жестяные банки с порохом, пластиковые корпуса с составом, в виде корзины с гранулами, перфорированные трубки, сгораемые корпуса, ленточные и волокнистые воспламенители. Наиболее известной является конструкция воспламенителя в виде корзины с гранулами (рис. 6.23).268Пластинас отверстиямиРис.

6.23. Типичный пиротехнический воспламенительс тремя различными топливными зарядами,которые воспламеняются последовательноВоспламенение основного заряда, в данном случае гранул,помещенных в корпус и состоящих из 24 % бора, 71 % перхлоратакалия и 5 % связующего, происходит в две стадии: на первой стадии при получении электрического сигнала инициатор высвобождает энергию небольшого количества чувствительного порошкообразного пиротехнического состава, помещенного в инициатор,называемый петардой (запалом) или воспламенительным зарядом;затем усилительный заряд воспламеняется за счет тепла, высвобождаемого воспламенительным зарядом, и, наконец, воспламеняется основной воспламенительный заряд для топлив.Специальной формой пиротехнического воспламенителя является поверхностно связанный (surface-bonded) или установленный на заряде (grain-mounted) воспламенитель. Такой воспламени269тель имеет инициатор, помещенный в пределах сэндвича плоскихлистов; слой, касающийся заряда, является основным зарядом пиротехнического воспламенителя.

Эта форма воспламенителя используется для многоимпульсных двигателей с двумя или болеезарядами торцевого горения. Воспламенение второго и последующих импульсов этих двигателей характеризует необычные требования для имеющегося пространства, совместимости с материалами заряда, продолжительности, температуры и давления,получающиеся при работе бустерного заряда.

К преимуществамлистового воспламенителя относятся небольшой вес, малый объеми высокий тепловой поток на поверхности заряда. Любой применяемый инертный материал (такой как провода, электрические керамические изоляторы) обычно вылетает через сопло двигателяпри воспламенении, и его удары иногда вызывают повреждениясопла или перекрывают его, если материал до этого не разрушилсяна небольшие кусочки.6.5.2. Пирогенные воспламенителиПирогенный воспламенитель представляет собой небольшой ракетный двигатель, который используется для воспламенения большого ракетного двигателя.

Пироген не разрабатывается для получениятяги. Все воспламенители используют одно или несколько сопловыхотверстий, могут быть звукового и сверхзвукового типов, и большаячасть из них использует известные составы для зарядов твердотопливных двигателей и технологию их проектирования. Теплопередачаот пирогена на твердотопливный заряд является, главным образом,конвективной, с горячими газами, контактирующими с поверхностьюзаряда в противоположность значительной радиационной (излучательной) энергии, испускаемой пиротехническими воспламенителями. На рис. 6.1, 6.2 и 6.24 показаны ракетные двигатели с типичнымипирогенными воспламенителями.

Воспламенитель на рис. 6.25 имееттри сопла и цилиндрический заряд с высокоскоростным топливом.Технические характеристики двигателя: снаряженный вес 22 874фунта, твердое топливо на основе гидроксилсодержащего полибута270диена весом 21 400 фунтов, вес после окончания горения 1360 фунтов, массовая доля двигателя 0,941, диаметр критического сечениясопла 6,48 дюйма, коэффициент расширения сопла 63,8. Двигательработает 146 с при среднем давлении 651 фунт/дюйм2 (886фунт/дюйм2 – максимальное давление) и имеет среднюю тягу 44 000фунтов (максимальная величина 60 200 фунтов) с эффективным высотным удельным импульсом 295 с. Для пирогенных воспламенителей инициатор и усилительный заряд подобны конструкциям, используемым в пиротехнических воспламенителях. Продукты реакцииот основного заряда воздействуют или ударяются о поверхность заряда ракетного двигателя, вызывая воспламенение двигателя.

Обычной практикой является установка воспламенителей у очень большихдвигателей снаружи, причем пирогенный воспламенитель направляетструю газов через сопло большого двигателя. В этом случае воспламенитель является частью наземного оборудования.Для предохранения от осечки при зажигании или неумышленного воспламенения двигателя обычно используется два метода: один из них заключается в использовании классического предохранительно-взводящего устройства, а второй – в разработкепредохранительных устройств для инициатора.Рис. 6.24. Схема одной из концепций двухимпульсногоэкспериментального ракетного двигателя с двумя зарядами,разделенными перегородкой271абРис. 6.25. Поперечное сечение твердотопливного ракетного двигателяверхней ступени (IUS), использующего теплоизолированное сопло изграфитовой матрицы: а – поперечное сечение двигателя; б – увеличенноепоперечное сечение устройства компоновочного решения соплаЭнергия для случайного воспламенения (обычно является катастрофой, если происходит) может возникнуть за счет: 1) статического электричества; 2) возбужденного тока в результате электромагнитного излучения от таких источников, как радар;3) возбужденных электрических токов от наземного испытательного оборудования, коммуникационной аппаратуры или от сосед272них электрических цепей в ракете; 4) воздействия тепла, вибрацииили удара при обращении и операциях.

Функционально предохранительно-взводящее устройство служит в качестве электрическоговыключателя, чтобы поддерживать воспламенительную цепь заземленной, если она не действует, в некоторых конструкциях онатакже механически не согласована или блокируется цепь случаев,так что нежелательное воспламенение предотвращается, даже еслиинициатор срабатывает. При транспортировке во взведенном положении пламя при воспламенении может надежно распространиться к усилительному заряду и затем к основному заряду.Электрические инициаторы в воспламенителях двигателятакже называются пирозапалом, запальной свечой, электрозапаломи иногда контактными вводами. Они всегда состоят из инициирующего элемента в цепи воспламенения и при правильном проектировании могут выполнять функции предохранительного устройства против ненамеренного воспламенения двигателя.

На рис. 6.26показаны три типичные конструкции инициаторов.Первый и второй типы (см. рис. 6.26, а, б) конструктивно образуют часть корпуса ракетного двигателя и вообще являются контактными вводами (headers). В типе инициатора с интегральнойдиафрагмой (см. рис. 6.26, а) начальная энергия воспламененияпроходит в форме ударной волны через диафрагму, активирующую акцепторный заряд, причем диафрагма остается целой. Этотже принцип также используется для передачи ударной волны черезстенку металлического корпуса или металлическую вставку в намотанном корпусе из композиционных материалов; корпус ненужно подвергать пенетрации и уплотнять.

Тип инициатора с контактным вводом (см. рис. 6.26, б) напоминает простую запальнуюсвечу с двумя проволочными мостиками с высоким сопротивлением, вмонтированными в заряд инициатора. В конструкции совзрывным мостиком (см. рис. 6.26, в) применяется небольшой проволочный мостик (0,02–0,10 мм) из материала с низким сопротивлением, обычно из платины или золота, который взрывается приприменении заряда высокого напряжения.273абвРис. 6.26.

Типовые электрические инициаторы: а – тип с интегральнойдиафрагмой; б – тип с контактным вводом с двойным проволочныммостиком; в – тип с взрывным проволочным мостикомПредохранительный аспект инициатора является основнойособенностью конструкции в форме: 1) минимальной пороговойэлектрической энергии, требуемой для активации; 2) блокирую274щих мер безопасности для создания напряжения; 3) реагированиятолько на специфический импульс энергии или частотной полосы.Такие предохранительные устройства постоянно входят в компромисс с системой безопасности, обеспечиваемой классическим предохранительно-взводящим устройством.Новым методом инициирования действия воспламенителя является использование лазерной энергии для начала горения зарядаинициатора. Здесь нет проблем с возбужденными токами и другимнепреднамеренным электрическим инициированием.

Энергия отнебольшого лазера неодим – YAG, внешнего по отношению к двигателю, передается через оптоволоконный стеклянный кабельк заряду пиротехнического инициатора. Иногда оптическое окнов корпусе или в крышке может позволить разметить заряд инициатора внутри корпуса.6.5.3. Анализ воспламенителя и его конструкцииОсновные теории инициирования воспламенения, учитывающие теплопередачу, разложение топлива, дефлаграцию, распространение пламени и заполнение камеры сгорания, известныи применяются при проектировании пиротехнических и пирогенных воспламенителей. В общем, математические модели физических и химических процессов, которые должны рассматриватьсяпри проектировании воспламенителей, еще далеки от полнотыи точности.Анализ и разработка воспламенителей независимо от типасильно зависят от экспериментальных результатов, включая прошлые успехи и неудачи с полномасштабными двигателями.

Влияние некоторых важных параметров стало довольно предсказуемымпри использовании данных, полученных на разработанных двигателях. Например, данные рис. 6.27 являются весьма полезнымипри оценке массы основного заряда воспламенителя для двигателей различного размера (свободного объема двигателя). Из этихданных получена следующая зависимость:275Рис. 6.27. Зависимость массы заряда воспламенителяот свободного объемаm  0,12 VF  ,0,7где m – масса заряда воспламенителя, г; VF – свободный объемдвигателя (дюйм3) или пустое пространство в корпусе, не занимаемое топливом.