Заряд твердого топлива для ракетного двигателя

Изобретение относится к области ракетной техники и может быть использовано при отработке и изготовлении ракетных двигателей твердого топлива с вкладными канальными зарядами. Заряд твердого топлива для ракетного двигателя включает шашку с центральным каналом, в расточку которого со стороны переднего торца заряда установлена скрепляемая с передним днищем ракетного двигателя коническая втулка. Втулка выполнена из несгораемого материала и прочно скреплена с поверхностью расточки канала. На наружной конической поверхности втулки из несгораемого материала выполнены равномерно чередующиеся кольцевые выступы. Наружная поверхность втулки облицована полимерным материалом, имеющим сродство к твердому топливу. Внешняя поверхность облицовки выполнена конической с величиной конусности, равной или большей конусности расточки канала до скрепления. Диаметр втулки в торцевом сечении заряда на 0,1...0,3% превышает диаметр расточки канала до вклейки втулки. Поверхность втулки скреплена с поверхностью расточки канала лаком на основе раствора полимерного материала облицовки. Глубина установки облицованной втулки в канале составляет не менее удвоенной толщины горящего свода заряда в случае небронированного переднего торца заряда или не менее толщины горящего свода заряда в случае забронированного переднего торца заряда. Изобретение позволяет повысить надежность заряда за счет качественного скрепления втулки с твердотопливной шашкой, обеспечивающего работоспособность заряда при высоких отрывных нагрузках. 6 з.п. ф-лы, 6 ил.

 

Изобретение относится к области ракетной техники и может быть использовано при проектировании, отработке и изготовлении ракетных двигателей твердого топлива (РДТТ) с вкладными зарядами твердого ракетного топлива (ТРТ), преимущественно с канальными зарядами всестороннего горения.

Известны конструкции канальных зарядов для РДТТ по патентам RU 2178092, RU 2211352, US 3483703, FR 2731471, а также источнику - Дюнзе М.Ф. и др. Ракетные двигатели на твердом топливе, Москва, Машиностроение, 1962 г., стр.31.

Указанные конструкции зарядов подвергаются при работе РДТТ значительным газодинамическим и прямым механическим нагрузкам (за счет высокого продольного перепада давления в камере сгорания РДТТ и высокого уровня осевых перегрузок при полете ракет). В принятой по указанным источникам конструктивной схеме их применения - свободно вложенные в корпус двигателя - такие заряды испытывают высокие напряжения на сжатие на опорном сопловом торце, что может привести к их разрушению, а корпус РДТТ подвергается интенсивному разогреву потоком газов в зазоре между наружной поверхностью заряда и внутренней поверхностью камеры сгорания. Это существенно усложняет как сам процесс отработки заряда и РДТТ (в части объема проводимых исследований и испытаний), так и в последующем конструкцию РДТТ в целом (введение дополнительной теплозащиты, опорных решеток, диафрагм, элементов их крепления и т.д.), что в итоге снижает весовое совершенство РДТТ.

Известна конструкция РДТТ по пат. RU 2221159 от 10.01.2004 (заявка RU 20021015625 от 14.01.2002), содержащая канальный заряд всестороннего горения, в котором со стороны переднего торца заряда установлена втулка из несгораемого материала, прочно скрепленная с поверхностью канала заряда. Эта конструкция позволяет, за счет перераспределения потоков газов между зазором и каналом заряда, обеспечить снижение тепловой нагрузки на стенку камеры сгорания, а за счет скрепления втулки с передним днищем РДТТ разгрузить заряд (в отличие от свободно вложенной, так называемой "вывешенной" конструкции) от существенных сжимающих напряжений на сопловом торце.

Конструкция по пат. RU 2221159 принята за прототип.

Опыт отработки РДТТ к тактическим и неуправляемым авиационным ракетам показывает, что в зависимости от конкретного назначения, калибра, массы используемых зарядов отрывные усилия, воздействующие на скрепленный с втулкой "вывешенный" заряд, за счет осевого перепада газового потока в камере сгорания и осевой перегрузки могут достигать 500 кг и более.

Это предъявляет жесткие требования к качеству скрепления втулки с твердотопливной шашкой заряда. Однако в конструкции прототипа не предусмотрено конструктивных решений, направленных на обеспечение надежного (гарантированного) скрепления втулки с каналом твердотопливной шашки, что является недостатком прототипа.

Технической задачей изобретения является повышение эффективности и надежности работы РДТТ с зарядами, присоединенными к переднему днищу двигателя через втулку, скрепленную с каналом твердотопливной шашки.

Технический результат изобретения - повышение надежности и эффективности конструкции заряда за счет качественного скрепления втулки с твердотопливной шашкой, обеспечивающего работоспособность заряда при высоких отрывных нагрузках в процессе работы ракетного двигателя.

Технический результат достигается в конструкции (Фиг.1, Фиг.2) предлагаемого заряда, содержащего шашку (1) с центральным каналом, в расточку которого, со стороны переднего торца заряда, установлена скрепляемая с передним днищем ракетного двигателя втулка (2) из несгораемого материала, прочно скрепленная с поверхностью расточки канала. При этом расточка канала выполнена конической, а на наружной конической поверхности втулки из несгораемого материала выполнены равномерно чередующиеся кольцевые выступы (9), поверх которых нанесено облицовочное (6) полимерное покрытие (при этом используемый полимер имеет сродство к твердому топливу), причем внешняя поверхность облицовки выполнена также конической, с величиной конусности, равной или большей конусности расточки канала, а диаметр втулки (по облицовке) в торцевом сечении заряда на 0,1...0,3% превышает диаметр расточки канала шашки.

Поверхность втулки скреплена с конической поверхностью канала лаком (3) на основе раствора полимерного материала облицовки (3). Глубина установки облицованной втулки в канал составляет не менее удвоенной толщины горящего свода. В случае бронированного переднего торца заряда (из условий обеспечения требуемых баллистических или др. характеристик) глубина установки втулки в канал составляет не менее толщины горящего свода. В качестве облицовочных материалов, как показали проведенные исследования, могут быть использованы ацетилцеллюлоза или соединения на ее основе, либо этилцеллюлоза или соединения на ее основе, а в качестве клеящих (скрепляющих) композиций (лаков) - растворы указанных полимеров в ацетоне либо других растворителях. При этом необходимым условием применения тех или иных облицовочных материалов (6) и адгезионных (клеящих) лаков (3) на их основе является сродство с твердым ракетным топливом заряда.

Для повышения эффективности работы заряда в составе РДТТ внутренняя поверхность втулки может быть выполнена конически-цилиндрической, с цилиндрическим участком, обращенным в глубь канала (10), длиной не менее 1/3 длины втулки. Втулка может быть покрыта теплозащитным покрытием (11) со стороны внутренней поверхности.

Изобретение поясняется графическими материалами.

Фиг.1. Конструкция предлагаемого заряда твердого топлива (в обстановке РДТТ):

1 - твердотопливная шашка

2 - втулка

3 - адгезионный лак

4 - передняя крышка РДТТ

5 - соединительный элемент

6 - облицовочное покрытие втулки

7 - корпус РДТТ

Фиг.2 Узел крепления заряда:

8 - наружная поверхность втулки

9 - кольцевые выступы втулки

10 - контур внутренней поверхности втулки

11 - теплозащитное покрытие

Фиг.3. Позиционная схема установки (вклейки) втулки с облицовкой в канал твердотопливной шашки в исходный момент:

К_р - конусность расточки канала твердотопливной шашки

К_вт - конусность втулки (по облицовке)

Фиг.4. Промежуточное состояние втулки и заряда при вклейке.

Фиг.5. Запрессовка втулки в канал заряда.

Фиг.6. Выдержка запрессованной в канал заряда втулки при усилии F:

U - скорость перемещения втулки в процессе установки в канал

F - усилие запрессовки

Сущность изобретения заключается (Фиг.1.) в обеспечении гарантированного качества скрепления втулки (2) с твердотопливной шашкой (1) с использованием лака (3). Надежное скрепление втулки (6) с поверхностью твердотопливной шашки обеспечивается через полимерную облицовку (7) и клеящий слой из адгезионного лака (3) в виде раствора полимера облицовки, имеющего сродство к ракетному топливу твердотопливной шашки (1). При этом для надежного скрепления самой облицовки с втулкой на наружной поверхности (8) втулки выполнены кольцевые выступы (9). Выполнение наружного профиля втулки (по облицовке) коническим, с величиной конусности, равной либо несколько большей конусности расточки канала шашки (посадочного места) и с увеличенным на 0,1...0,3% диаметром втулки в переднем торцевом сечении заряда, по сравнению с диаметром расточки канала шашки в указанном сечении, позволяет при установке (вклейке) втулки реализовать плотный, с "натягом", контакт поверхности втулки с поверхностью посадочного места в канале шашки и тем самым обеспечить более высокое качество скрепления. Допустимость такого "натяга" определяется природой твердых ракетных топлив, механические характеристики которых позволяют обеспечить незначительное пластическое деформирование поверхностного слоя твердотопливной шашки, размягченного лаком по посадочному месту при нормальных температурных условиях (˜20°С). При этом нижний предел по диаметру втулки (на 0,1% выше диаметра расточки канала) обусловлен необходимостью качественного скрепления, а верхний предел (на 0,3% выше диаметра расточки канала) не допускает деформацию твердотопливной шашки (увеличение внешнего диаметра) вблизи переднего торца.

Ограничения по глубине вклейки в канал (не менее 2е - при небронированном переднем торце, и не менее е - при бронированном переднем торце) позволяют гарантированно обеспечить скрепление втулки с твердотопливной шашкой в течение всего времени работы ракетного двигателя, в т.ч. и дегрессивного остатка заряда в конце работы ракетного двигателя. Это исключает аномальную работу заряда.

В качестве облицовочных полимеров предлагаются ацетилцеллюлоза, этилцеллюлоза и соединения на их основе, обладающие сродством (адгезионными характеристиками) к твердым ракетным топливам.

Преимуществами указанных полимеров при использовании их в предлагаемом техническом решении является их термопластичность и, следовательно, возможность наносить облицовку на втулку высокопроизводительным методом литья под давлением в пресс-формах на термопластавтоматах, обеспечивая при изготовлении, что очень важно для предлагаемой конструкции, высокую точность размеров по внешней поверхности втулки, контактирующей с поверхностью расточки канала шашки при вклейке.

Для уменьшения температурных нагрузок на стыке "полимерная облицовка-втулка" на внутреннюю поверхность втулки наносят теплозащитное покрытие (ТЗП). Внутренний профиль втулки для смягчения газодинамических нагрузок выполняется конически-цилиндрическим, при этом цилиндрический участок обращен в глубь канала и составляет не менее 1/3 длины втулки. Как показал опыт отработки, наиболее подходящим материалом для втулки являются металлы, например сталь.

Эффективность конструкции заряда оценивалась на заряде из баллиститного твердого ракетного топлива:

параметры заряда (номинальные размеры)

- наружный диаметр - 101,0 мм

- диаметр канала - 37,5 мм

- длина - 1570,0 мм

- масса - 15,8 кг

- горящий свод - 15,9 мм

размеры расточки канала шашки (номинальные размеры)

- длина - 100,0 мм

- диаметр в торцевом сечении - 55,0 мм

- конусность - 10°+30′

параметры втулки (номинальные размеры)

- длина - 115,0 мм

- наружный диаметр в торцевом сечении - 55,2 мм

- конусность по наружной поверхности - 10°+30′

- толщина кольцевых выступов - 1,1 мм

- шаг по выступам - 6,0 мм

- материал облицовки - этилцеллюлоза (ЭЦ)

- клеящая композиция - раствор ЭЦ в этилцеллюзольве

Фактический уровень разрушающей отрывной нагрузки втулки из канала шашки при испытаниях заряда в специальном приспособлении составил 1000...1900 кг, что обеспечивало работоспособность РДТТ.

Эффективность предлагаемой конструкции подтверждена стендовыми испытаниями заряда в составе РДТТ и летными испытаниями ракет в температурном диапазоне ±60°С.

1. Заряд твердого топлива для ракетного двигателя, включающий шашку с центральным каналом, в расточку которого со стороны переднего торца заряда установлена скрепляемая с передним днищем ракетного двигателя коническая втулка из несгораемого материала, прочно скрепленная с поверхностью расточки канала, отличающийся тем, что на наружной конической поверхности втулки из несгораемого материала выполнены равномерно чередующиеся кольцевые выступы, при этом наружная поверхность втулки облицована полимерным материалом, имеющим сродство к твердому топливу, причем внешняя поверхность облицовки выполнена конической с величиной конусности, равной или большей конусности расточки канала до скрепления, а диаметр втулки в торцевом сечении заряда на 0,1-0,3% превышает диаметр расточки канала до вклейки втулки, при этом поверхность втулки скреплена с поверхностью расточки канала лаком на основе раствора полимерного материала облицовки, а глубина установки облицованной втулки в канале составляет не менее удвоенной толщины горящего свода заряда в случае небронированного переднего торца заряда или не менее толщины горящего свода заряда в случае забронированного переднего торца заряда.

2. Заряд твердого топлива для ракетного двигателя по п.1, отличающийся тем, что в качестве полимерного материала для облицовки применена ацетилцеллюлоза либо соединения на ее основе.

3. Заряд твердого топлива для ракетного двигателя по п.1, отличающийся тем, что в качестве полимерного материала для облицовки применена этилцеллюлоза либо соединения на ее основе.

4. Заряд твердого топлива для ракетного двигателя по п.1, отличающийся тем, что втулка выполнена из металла.

5. Заряд твердого топлива для ракетного двигателя по п.1, отличающийся тем, что внутренняя поверхность втулки покрыта теплозащитным покрытием.

6. Заряд твердого топлива для ракетного двигателя по п.1, отличающийся тем, что внутренняя поверхность втулки выполнена конически-цилиндрической, при этом цилиндрический участок обращен в глубь канала и составляет не менее 1/3 длины втулки.

7. Заряд твердого топлива для ракетного двигателя по п.1, отличающийся тем, что втулка снабжена соединительным элементом для скрепления с передним днищем ракетного двигателя.