ЗАРЯД СМЕСЕВОГО ТВЕРДОГО РАКЕТНОГО ТОПЛИВА
COMPOSITE SOLID PROPELLANT CHARGE

Изобретение относится к области ракетной техники, а именно к зарядам смесевого твердого топлива для ракетных двигателей различного назначения, в том числе для метеорологических ракет.
Известны заряды твердого ракетного топлива, содержащие последовательно расположенные топливные секции, прочно скрепленные с корпусом двигателя, горящие по каналам и торцам, представленные в патентах RU 2145673, RU 2391530. Конструкция заряда, представленная в патенте RU 2391530 МПК F02K 9/18, заявленная 13.11.2008 г., опубликованная 10.06.2010 г., принята авторами за прототип. В конструкции прототипа заряд содержит головной полузаряд со звездообразным каналом и хвостовой полузаряд с цилиндрическим каналом. Недостатками прототипа являются невысокий коэффициент объемного заполнения камеры топливом, что следует из соотношения радиуса заряда к радиусу канала, составляющего 2,8-3,1 (для звездообразного канала принят радиус эквивалентный), недополучение энергетических характеристик, т.е. полного импульса тяги, за счет низкого коэффициента объемного заполнения камеры топливом, продолжительность участка спада кривой давления за счет догорания дегрессивных остатков топлива головного полузаряда, составляющего около 30% времени работы заряда.
з
з
Технической задачей предлагаемого изобретения является создание конструкции заряда смесевого твердого ракетного топлива, обеспечивающего высокую степень объемного заполнения камеры топливом, постоянство закона давления на отрезке времени работы двигателя от 0 до (0,3-0,35)τ, (где τ - время работы заряда) высокие энергетические характеристики ракетного двигателя.
1
max
2
max
3
max
4
2
max
Технический результат достигается за счет того, что заряд смесевого твердого ракетного топлива выполнен из головного и соплового канальных полузарядов, скрепленных с корпусом, при этом задний торец головного полузаряда перфорирован глухими отверстиями, равномерно расположенными на двух концентрических окружностях, при этом ближайшие к каналу отверстия глубиной L=1,2·e отстоят от канала на расстоянии L=(0,21-0,22)·e, удаленные от канала отверстия глубиной L=1,0·e отстоят от предыдущих отверстий на расстоянии L=2·L, а в сопловом полузаряде на длине (0,65-0,7)·L выполнены щелевые прорези, увеличивающиеся по высоте к заднему торцу до 0,9·e,
max
где e - максимальная толщина свода полузаряда,
L - длина соплового иолузаряда.
Сущность изобретения поясняется графическими материалами.
Фиг.1. Конструкция заряда:
1 - головной полузаряд;
2 - сопловой полузаряд;
3 - глухие отверстия;
4 - щелевые прорези;
max
e - максимальная толщина свода;
L - длина соплового полузаряда
1
L - глубина ближайших к каналу отверстий,
2
L, - расстояние от ближайших к каналу отверстий до канала заряда,
3
L - глубина удаленных от канала отверстий,
4
L - расстояние от отверстий, удаленных от канала, до ближайших к каналу.
K
R - радиус канала,
з
P - радиус заряда.
Фиг.2. Изменение геометрии поверхности горения на торце с глухими отверстиями в процессе горения:
b
3
Предложенный заряд в составе двигателя функционирует следующим образом. Воспламенение головного (1) и соплового (2) нолузарядов происходит одновременно. Горение головного полузаряда происходит по торцам, каналу и глухим отверстиям (3). При этом с увеличением свода поверхность горения канала увеличивается, поверхность горения торцов уменьшается за счет увеличения диаметра канала и выгорания отверстий, поверхность горения отверстий сначала увеличивается, а после смыкания с каналом начинает уменьшаться (Фиг.2). Данная конструкция головного полузаряда позволяет получить прогрессивный характер поверхности горения (Фиг.3 (5)) за счет подбора длины глухих отверстий, расстояний отверстий от канала и расстояний между отверстиями. Глубина отверстий (L L) выбрана из обеспечения конечной поверхности горения заряда. При увеличении глубины отверстий конечная поверхность будет ниже требуемой, при уменьшении - выше. Расстояния глухих отверстий от канала и между собой подобраны таким образом, чтобы удаленные от канала отверстия выгорали после выгорания близлежащих к нему, обеспечивая равномерный характер подъема поверхности. Изменение расстояний отверстий от канала и между отверстиями от выбранных приведут к искажению прогрессивности поверхности горения в зависимости от свода
Фиг.3. Зависимости поверхности горения от свода S=f(e):
1
5 - S=f(e) головного полузаряда;
2
6 - S=f(е) соплового полузаряда;
7 - S=f(е) заряда.
max
max
max
В сопловом полузаряде горение происходит по торцам, каналу и щелевым прорезям (4). Форма щели состоит из участка с постоянной высотой (I) и двух участков (II и III) с конически расходящимися щелями. В начальный период горения постоянство закона изменения поверхности горения на своде от 0 до (0,3-0,35)·e достигается компенсацией прогрессивной поверхности горения канала убыванием поверхности перфорированного канала преимущественно на участке с постоянной высотой щели. Эффект дегрессивности по достижении фронтом горения внутренней поверхности корпуса достигается за счет поочередного уменьшения длин участков II и III. Длина щелевого участка составляет (0,65-0,70) длины полузаряда, обеспечивая тем самым требуемую конечную поверхность горения заряда и дегрессивный характер поверхности горения полузаряда на своде от (0,3-0,35)·e до e (6).
max
max
Суммарная поверхность горения заряда (7) на своде от 0 до (0,2-0,25)·eимеет прогрессивный характер, на своде (0,25-0,35)·e - постоянна, затем снижается до уровня начальной поверхности.
з
Постоянный закон изменения давления на начальном участке горения от 0 до (0,3-0,35)·τ достигается совместным горением поверхностей головного и соплового полузарядов и эрозионным эффектом в начальный период работы РДТТ (соотношение длины заряда к его диаметру составляет 10).
Положительный эффект изобретения - высокий коэффициент заполнения камеры сгорания топливом (0,9-0,93), высокие энергетические характеристики заряда за счет максимального заполнения объема камеры сгорания топливом, одновременное окончание работы полузарядов (время спада давления составляет (0,06-0,07) от времени работы заряда).
Указанный положительный эффект подтверждается огневыми стендовыми испытаниями заряда, проведенными в условиях ФГУП «НИИПМ».