Вкладыш соплового блока РДТТ из углестеклопластика объемного армирования регулируемой эрозионной стойкости
SOLID-PROPELLANT OF SREN INSERT MADE OF CARBON FIBER REINFORCED PLASTIC WITH ADJUSTABLE EROSION RESISTANCE

Изобретение относится к ракетным двигателям твердого топлива (РДТТ) и может быть использовано в сопловом блоке РДТТ пассивного регулирования тяги с целью получения оптимальных баллистических характеристик (ВБХ) и повышения энергетических возможностей за счет увеличения массы топлива в камере сгорания, поддерживания постоянного уровня давления продуктов сгорания (или близкого к постоянному), снижения пассивной массы конструкции и применения ракетных топлив с температурой горения до 4000 К относительно существующих РДТТ.
Возможность создания сопла РДТТ с учетом абляции материала с поверхности вкладыша при условии закономерности процесса высказал В.Е. Алемасов [1] и определил, что основной характеристикой материала при абляции является потеря массы. При закономерности процесса абляции изменение площади критического сечения вкладыша можно оценить расчетом. В указанном научном труде не представлены физическая и математическая модели процесса абляции, а дано научное направление.
Известны вкладыши из углепластика ТЗУ-2-ПТУ-2А ТУ 02-078-2015, предназначенные для работы в сопловых блоках РДТТ, которые подвергаются воздействию плотного потока агрессивных и высокотемпературных продуктов сгорания топлива. Заготовки из углепластика ТЗУ-2-ПТУ-2А изготавливаются методом гидровакуумного отверждения в автоклаве из материала углеродного волокнистого Урал ТР-3/2-15ЭХО марки А, предварительно пропитанного связующим марки ФН ТУ 1-595-28-1350-2013 и намотанного послойно на оправку. Поверхность оправки образует геометрическую форму внутренней поверхности вкладыша, которая соответствует геометрии газового тракта сопла.
Полимерные материалы, армированные волокнами (комбинированными нитями) имеют анизотропные физико-механические свойства. Наибольшей анизотропией обладают однонаправленные и двухнаправленные волокнистые намотанные наполнители жгуты, ленты или ткани. Анизотропия понижает физикомеханические свойства материалов при нагрузке вдоль или поперек волокон.
Известны заготовки из углерод-углеродного материала КИМФ ТУ 1916-010-94812603-2012, которые содержат объемный каркас, сплетенный из углеродной комбинированной нити УКН-5000 ГОСТ 28008-88 и насыщенный пиролитическим углеродом из газовой фазы. Объемный каркас придает материалу КИМФ более однородные физико-механические свойства относительно заготовок из графита.
На вкладышах из полимерных пластиков и углеродных материалов, установленных в сопловом блоке РДТТ, под воздействием плотного потока продуктов сгорания твердого топлива за счет уноса массы материала с обтекаемой поверхности происходит приращение площади проходного канала (например, в критическом сечении) относительно начальной площади. Приращение площади канала у вкладышей в процессе работы РДТТ является следствием многих факторов: температура горения смесевого твердого топлива, содержание в топливе алюминиевого порошка или другой энергетической добавки, давление в камере сгорания, природа материала вкладыша и его плотность, физико-химические процессы, протекающие в теле вкладыша и другие факторы.
Недостатком полимерных углепластиков и углерод-углеродных материалов является отсутствие механизма регулирования эрозионной стойкости вкладышей, то есть исключена возможность получения оптимальных внутренних баллистических характеристик планированием требуемого приращения площади вкладыша.
Необходимость создания вкладышей из материалов регулируемой эрозионной стойкости для РДТТ пассивного регулирования тяги очевидна при конструкторской отработке, когда требуется изменить конструкцию пресс- формы изготовления заряда или подрегулировать эрозионную стойкость вкладыша.
Для создания РДТТ пассивного регулирования, позволяющего повысить энергетические возможности и обеспечить оптимальные ВБХ относительно существующих РДТТ, требуется материал, обеспечивающий на вкладышах приращение площади от 50 до 100 %, а такие заготовки из материалов не изготавливается промышленностью
Наиболее близким решением является патент РФ на изобретение №2746081, МПК F02K 9/97, F02K 9/32, опубл. 06.04.2021 г. Бюл. №10, дата приоритета 11.02.2020 г. Вкладыш соплового блока ракетного двигателя твердого топлива содержит трехмерный объемный каркас, который сплетен из комбинированной нити, состоящей из углеродных и кремнеземных нитей и наполнен пироуглеродом. Изменение соотношения долей углеродных и кремнеземных нитей в объемном каркасе способствует приращению площади критического сечения вкладыша от 50 до 100% начального значения. Изобретение обеспечивает поддерживание постоянного уровня давления продуктов сгорания, получение оптимальных внутри баллистических характеристик и применение ракетных топлив с температурой горения более 4000 К за счет выполнения вкладыша соплового блока из материала с регулируемой и планируемой эрозионной стойкостью. Примем его за прототип.
Однако, недостатком данного технического решения является неоднородность структуры материала вкладыша, которая проявляется в виде дефектов: расслоений, вспучиваний, трещин, посторонних включений. Указанные дефекты влияют на постоянство ВБХ.
Результат может быть достигнут расширением функциональных возможностей вкладыша за счет материала с регулируемой и планируемой эрозионной стойкостью.
Если объемный каркас заготовки сплести из комбинированной нити, состоящей из нити углеродной УКН-5000 ГОСТ 28008-88 и нити кремнеземной К11С6-170-БА ТУ 5952-153-05786904-99, объемный каркас пропитать связующим марки ФН ТУ 1-595-28-1350-2013, установить пропитанный объемный каркас на поверхность оправки, образующей геометрическую форму внутренней поверхности вкладыша, и провести по существующей технологии гидровакуумное отверждение в автоклаве, то получим новый материал более однородный структуры, чем углепластик ТЗУ- 2-ПТУ-2А ТУ 02-078-2015.
Технический результат регулирования эрозионной стойкости достигается тем, что объемный каркас заготовки сплетается из нитей углеродных и нитей кремнеземных и изменением соотношения долей углеродных и кремнеземных нитей в объемном каркасе можно получать композиции различной эрозионной стойкости. Следовательно, увеличение доли кремнеземных нитей в композиции понижает эрозионную стойкость и соответственно уменьшение их доли способствует повышению эрозионной стойкости.
Ценным качеством кремнеземных нитей, содержащих оксид кремния, является их свойство под воздействием потока высокотемпературных продуктов сгорания топлива образовывать жидкую фазу, производить химическое взаимодействие оксида кремния с углеродом и образовывать газообразную фазу. Это качество способствует процессу равномерного уноса массы материала по всей поверхности вкладыша при работе РДТТ.
Новому материалу присвоено обозначение УСП-ОК - углестеклопластик, содержащий объемный каркас, с изменяемым долевым соотношением долей углеродных и кремнеземных нитей.
УСП-ОК-1-1 - соотношение одна нить углеродная и одна нить кремнеземная.
УСП-ОК-1-2 - соотношение одна нить углеродная и две нити кремнеземные.
Однородная структура материала УСП-ОК способствует закономерному уносу слоя массы материала в единицу времени с поверхности вкладыша под воздействием потока продуктов сгорания смесевого ракетного топлива.
Источники информации:
1. Алемасов В.Е. Теория ракетных двигателей. М: ОБОРОНГИЗ, 1962. 476с.
2. Виницкий А.М. Ракетные двигатели на твердом топливе. М.: Машиностроение, 1973. 347с.
3. Виницкий А.М., Волков В.Т., Волковицкий И.Г., Холодилов С.В. М.: Машиностроение, 1980. 232с.
4. J.G.Baetz. Перспективные углерод-углеродные композиционные материалы для сопел ракетных двигателей твердого топлива. США, SAMSO- TR-74-258. The Aerospace Corporation EL Segundo, Calif-, 90245, 1974. P. 23.
5. Bert B. Gould, США, патент № 3309874. Сопло с абляционной теплозащитой. 1967.