МОДЕЛЬНЫЙ РАКЕТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ
MODEL ROCKET ENGINE

Изобретение относится к индустрии игрушек, а именно к модельным ракетным двигателям (МРД) для ракетно-космического моделирования в технических видах творчества.
Общеизвестен МРД [7], содержащий бумажный или пластмассовый корпус, в котором смонтированы сопло, заряд твердого топлива из черного или баллиститного пороха, пиротехнический замедлитель-трассер, сгорающий с выделением цветного дыма для обозначения траектории полета модели после окончания работы МРД, и вышибной заряд, срабатывающий от теплового импульса замедлителя и выталкивающий из корпуса модели полезную нагрузку - следующую ступень ракеты, летательный аппарат, средства спасения и т.п.
Существующие МРД, а также спортивные соревнования и игры с запусками моделей различных ракет, ракетопланов, моделей-копий, относятся к потенциально опасным видам изделий и работ. Это связано, в первую очередь, с высокой температурой продуктов сгорания МРД, создающую опасность ожогов и пожаров при неосторожном обращении с двигателем, случайном падении аварийной ракеты на сухую траву и другие горючие материалы, а также с возможностью взрывного разрушения некондиционного МРД, например с трещиной твердотопливного заряда, образовавшейся при падении, ударе, отслоении от корпуса, в результате детской шалости т.п.
Указанные обстоятельства привели к введению обоснованных ограничений со стороны надзорных государственных органов по перевозке, распространению и эксплуатации МРД, организации работ со школьниками и спортсменами, что существенно сдерживает развитие и массовость технических видов творчества и развивающих игр с использованием МРД.
Кроме этого, тенденция повышения энергетических характеристик спортивных МРД привела к замене заряда из черного пороха на баллиститные составы, продукты сгорания которых оставляют менее заметный дымовой след. Трассер, маркирующий дымом траекторию полета модельной ракеты после выгорания заряда, в существующих МРД обычно служит и замедлителем, обеспечивающим срабатывание вышибного заряда в заданный интервал времени. Совмещение в пиротехнической рецептуре противоположных по реализуемым материалам требований - дымообразующих смесей и малогазовых составов со стабильными скоростями горения - обычно приводит к компромиссным показателям как точности времени замедления, так и по зрелищной привлекательности работы МРД, характеризуемой красочностью тянущегося за ракетой дымового шлейфа.
Целью предлагаемого изобретения является повышение безопасности, зрелищности и расширение игровых возможностей МРД.
Поставленная цель в МРД, содержащем корпус, сопло, топливный заряд, трассер и вышибной заряд, достигается тем, что топливный заряд выполнен из аэрозольного огнетушащего состава (АОС).
АОС представляют из себя топливные композиции, содержащие окислитель, горючее, связующее и технологические добавки, т.е. по сути - типичные ракетные топлива или пиротехнические составы, вырабатывающие при сгорании твердофазные аэрозоли, - смеси негорючих газообразных веществ (азот, углекислый газ, пары воды и т.п.) и конденсированных соединений, преимущественно щелочных и/или щелочно-земельных металлов (оксидов, гидрооксидов, карбонатов, бикарбонатов, хлоридов и др.) в виде твердых частиц микронных размеров, обладающих высокой огнетушащей способностью. Помимо эффективного ингибирования пламени АОС образует при сгорании мелкодисперсный, зрелищно-эффектный шлейф густого дыма. Продукты сгорания АОС нетоксичны, не наносят вред окружающей среде, не разрушают озоновый слой атмосферы и свободно утилизируются [1]. Имея несколько худшие энергетические показателями по сравнению с баллиститными ракетными топливами (см., например, данные по теплоте и температурам горения, газопроизводительности характерных твердых топлив и типовых АОС, приведенных в табл.1.12 и 1.14 на стр.59 и 66 источника [1]). Это вполне приемлемо для МРД, используемых для начального обучения, а также в качестве генераторов дыма для имитации работы ракетных двигателей в игрушках. АОС принципиально безопаснее в пожарном отношении существующих топлив МРД, а также характеризуются лучшим дымообразованием и зрелищностью работы.
В качестве топлив для МРД из представленных в [1] АОС подходят по комплексу внутрибаллистических показателей серийно производящиеся составы типа ПТ-50 и литейные АОС, работоспособные в условиях повышенных давлений.
Последующие варианты исполнения МРД являются развитием основной идеи создания безопасного двигателя на основе максимального использования уникальных возможностей АОС.
Для существенного повышения безопасности МРД, используемых для начального обучения ракетомоделистов или в других детских видах развивающих игр, предложено использовать топливный заряд из пастообразного АОС, например [4]. Пастообразные топлива и заряды из них в силу своего вязкотекучего физического состояния не образуют трещин, не отслаиваются от стенок при деформации корпусов, взрывобезопасные рецептуры обеспечивают безопасность при падении двигателей, прострелах, ударах молотком, воздействии детонирующего импульса, тепловых нагрузок и проявлениях детской шалости. Таким образом обеспечивается максимальная безопасность при обращении с МРД.
Пастообразное состояние АОС обуславливает необходимость обеспечения компенсации его температурного расширения и поддержания формы начальной поверхности горения заряда. Использование для этих целей известных устройств, применяемых в ракетных двигателях [2, 5], проблематично из-за сложности их размещения в габаритах МРД, составляющих для наиболее распространенных классов от 10-18 мм по диаметру и от 40 до 70 мм - по длине корпусов. Применительно к МРД эта задача сравнительно просто решается использованием упругих корпусов из материалов, имеющих сопоставимые с пастой коэффициенты линейного расширения, и/или введением в конструкцию двигателя упругого компенсатора, например, из газонаполненного химически стойкого резинового элемента и перфорированного формообразующего устройства, покрытого фольгой или пленкой.
Этот синергизм пастообразных АОС - высокие пожаротушащие и дымообразующие свойства, механическая и взрывобезопасность зарядов - обеспечивает качественно новый уровень безопасности МРД, зрелищность запусков и расширение игровых возможностей МРД.
Предложен двигатель с трассером, выполненным из АОС.
Отработанные многочисленные АОС [1, 2] наряду с высоким огнетушащим и дымообразующим эффектом, характеризуются устойчивым стабильным горением при низких давлениях в генераторе, что делает их вполне приемлемой альтернативой существующим пиротехнических составам замедлителей-трассеров, включая генерирующих цветные дымы.
Предложен МРД с трассером, размещенным в зоне догорающих остатков топливного заряда.
Догорающие остатки топливного заряда, не внося реальный вклад в основную энергетическую характеристику МРД - суммарный импульс, - ухудшают его выходные показатели, увеличивая пассивную массу и разбросы суммарного импульса. Использование зон размещения догорающих остатков для дымообразующего АОС повышает качество маркировки траектории ракеты за счет более мощного и лучше видимого дымового шлейфа.
Предложено выполнять трассер в виде отдельного комплектующего изделия - в форме шайбы, бронированной по торцам и наружному диаметру, - и монтировать его на заднем торце сопла. Для обеспечения воспламенения трассера продуктами сгорания МРД диаметр внутреннего отверстия трассера выполнен равным диаметру истекающей из сопла струи продуктов сгорания топливного заряда, определяемому из газодинамического расчета. Основные преимущества - независимость от технологического процесса изготовления МРД, свобода выбора времени работы трассера, цвета дыма, сокращение номенклатуры МРД и повышение массовости производства, а также полное и гарантированное исключение влияния на величину суммарного импульса. Последний фактор приводит к периодически возникающим спорам на международных соревнованиях о сопоставимости энергетики различных МРД декларируемым в документации показателям суммарного импульса тяги, учитывающим или не учитывающим дополнительную прибавку тяги от работающего внутри камеры сгорания в течение нескольких секунд трассера.
Предложено в МРД вышибной заряд выполнять из АОС. По существующей практике ракетомоделисты в зависимости от конструкции модели, массы и объема выталкиваемой при срабатывании вышибного заряда полезной нагрузки подбирают навеску заряда экспериментально, используя, как правило, черный порох. Для снижения температуры продуктов сгорания и предотвращения отказа тонкостенных элементов модели (например, для парашютов и стримеров используются лавсановые пленки толщиной до 3-5 мкм) в конструкцию вводят защитные пыжи, ватные пробки, порошковые охладители. Полная или частичная замена черного пороха на порошкообразный низкотемпературный АОС позволит повысить безотказность срабатывания системы полезной нагрузки - выталкивания планера, парашюта или стримера, расцепления последующей ступени ракеты и т.п.
Предложено сопло МРД также выполнять из АОС на неорганическом связующем. Из рецептур беспламенных АОС наиболее высокие термомеханические и прочностные характеристики достигнуты в составах с высоким, до 25%, использованием в качестве связующих и регуляторов скорости горения таких ингредиентов, как карбонат магния, цемент и т.п. Такой состав, в частности, имеет АОС марки САБО, использующийся в сертифицированных генераторах аэрозоля производства ООО «Норд», г.Пермь (см. стр.116 источника [1]).
Неорганические связующие формируют жесткую пространственную структуру АОС, аккумулирующую часть тепла и стабилизирующие процессы горения в низкотемпературной зоне. При горении зарядов такого АОС на долю твердого остатка приходится до 50% и более массы топлива. Повышенный разгар критического сечения сопла из подобного АОС может компенсироваться прогрессивно увеличивающейся поверхностью горения, как это реализовано в известных схемах «бессопловых» РДТТ [6]. При падающей диаграмме «тяга-время» разгорающееся критическое сечение сопла может стать вполне приемлемой проектной альтернативой существующему приему программирования тяги путем изменения поверхности горения заряда. Приемлемые показатели механической прочности имеют АОС и на органических связующих, как это показано в табл.1.28, стр.93 [1].
Кроме этого, схема МРД с полностью сгораемыми элементами двигателя из АОС является определенным идеалом совершенствования МРД по показателю пожарной безопасности и выделения дыма на единицу массы, что вполне приемлемо для МРД неспортивных классов и генераторов дыма для детских развивающих игр.
Сущность изобретения поясняется на чертежах, где схематично показаны:
на фиг.1 - общий вид МРД с трассером, установленным в зоне догорающего остатка топливного заряда;
на фиг.2 - вариант исполнения МРД с трассером - шайбой, смонтированной на сопле двигателя;
на фиг.3 - вариант исполнения МРД с зарядом пастообразного топлива.
МРД, показанный на фиг.1, содержит корпус 1, керамическое сопло 2, твердотопливный заряд 3 из АОС с расточкой 4, формирующей начальную поверхность горения, установленный в зоне догорающего остатка заряда 3 трассер 5 из АОС, замедлитель 6 из АОС и вышибной заряд из порошкообразного АОС или его смеси с черным порохом.
Работа МРД. Перед запуском в полость расточки 4 устанавливают электровоспламенитель (не показан), представляющий собой спираль накаливания с нанесенной на ней пиротехнической обмазкой. После подачи электрического импульса на спираль последняя воспламеняет пиротехническую обмазку, продукты сгорания которой воспламеняют топливный заряд 3. Образующиеся при горении АОС газы истекают из сопла 2, создавая тягу и образуя за ракетой шлейф густого аэрозоля. В конце работы заряда 3, при выгорании его на величину свода L, воспламеняется трассер 5, установленный в зоне догорающего остатка заряда 3, и замедлитель 6. Трассер 5 при горении маркирует пассивную часть траектории модели ракеты цветным дымом, а по окончании горения замедлителя 6 воспламеняется вышибной заряд 7 и выталкивает из модели ракеты полезную нагрузку, например парашют.
Показанная на фиг.1 конструкция МРД существенно уменьшает опасность возникновения пожара при воздействии продуктов сгорания АОС на горючие материалы, уменьшает разбросы суммарного импульса тяги вследствие исключения догорающих остатков топлива, а также обеспечивает высокую зрелищность работы МРД, создавая за летящей моделью ракеты густой шлейф аэрозоля, образуемого при сгорании АОС топливного заряда 3, трассера 5 и замедлителя 6, соответственного на активной, пассивной частях траектории полета, а также вышибного заряда 7 в конце полета.
На фиг.2 показан вариант исполнения МРД с трассером, выполненным в виде шайбы 8 и смонтированной вне полости корпуса на сопле 9 двигателя. Трассер 8 имеет забронированные боковые поверхности и по наибольшему диаметру, а незабронированная поверхность D выполнена с диаметром, равным или несколько превышающим диаметр D1 выходного канала сопла 9. При истечении продуктов сгорания топлива из сопла 9 струя поджигает трассер 8 по поверхности D. Трассер 8, сгорая в радиальном направлении, создает за ракетой дымовой шлейф, сначала совместный с продуктами сгорания МРД, а после выгорания топливного заряда 3 - собственный.
Здесь же приведен вариант конструкции МРД со сгораемым соплом 9, выполненным из твердотопливного АОС на основе неорганического связующего. При работе МРД с таким соплом внутренняя часть сопла и критическое сечение Д1 постепенно выгорают и разрушаются, обеспечивая своеобразную абляционную или активную тепловую защиты сопла. Увеличивающаяся в процессе работы МРД площадь критического сечения сопла D1 для сохранения требуемой диаграммы «тяга-время» должна быть компенсирована изменяющимися поверхностью и/или скоростью горения топливного заряда 3, например введением в него теплопроводных проволок - «лидеров» горения (на фиг.2 решения не отражены). МРД со сгораемым соплом из АОС, помимо достижения максимального дымообразования, обеспечивает минимум накопленного в конструкции высокотемпературного тепла, что также повышает безопасность использования такой конструкции в детских играх.
Вариант исполнения МРД с зарядом 3 пастообразного АОС показан на фиг.3. Для компенсации температурного расширения заряда в зоне образования топливных остатков установлен упругий компенсатора 10 из газонаполненной химически стойкой резины, а для формирования начальной поверхности горения - конусное перфорированное формообразующее устройство 11, снаружи покрытое тонкой фольгой или пленкой 12.
При изготовлении МРД пастообразным АОС в нагретом (для понижения вязкости) состоянии через мундштук заполняют корпус двигателя с установленным соплом, формообразующим устройством 11 и фольгой 12. После охлаждения заряда 3 в полость корпуса последовательно монтируют (вклеивают) компенсатор 10, замедлитель 6 и вышибной заряд 7. При изменении температуры и, соответственно, объема заряда 3, это изменение компенсируется соответственным изменением объема компенсатора 10, поддерживающим заряд 3 в поджатом состоянии. Небольшое избыточное давление предохраняет возникновение в заряде газовых пузырей и расслоений. Использование пастообразных зарядов практически полностью исключает возможность перехода горения во взрыв из-за таких распространенных причин отказов РДТТ, как трещины в заряде, отслоения от корпуса, предельная деформация, удар, прострел и др. и, таким образом, существенно повышает безопасность обращения с МРД.
Для воспламенения пастообразного заряда используют более мощную, по сравнению с твердотопливным составом, навеску электровоспламенителя для надежного нагрева и прожигания фольги 12. В остальном работа МРД с пастообразным зарядом не отличается от МРД описанных выше схем.
Эксперименты, проведенные на макетах МРД с диаметрами сопл 1,5-2 мм с зарядами пастообразного АОС типа «Туман 3» [4], подтвердили невоспламеняемость истекающими струями продуктов сгорания газовоздушных смесей метана, пропан-бутана, ЛВЖ, бумаги и хлопчатобумажных тканей, а обжигающее действие кожей ладони ощущается на расстояниях менее 10-12 см, что характеризует подобные МРД как вполне безопасные для использования в детских играх.
Заявитель является субъектом малого предпринимательства.
Использованные источники
1. Агафонов В.В., Копылов Н.П. Установки аэрозольного пожаротушения: Элементы и характеристики, проектирование, монтаж и эксплуатация. - М.: ВНИИПО, 1999.
2. Аликин В.Н., Липанов A.M., Серебренников С.Ю. и др. Пороха, топлива и заряды. Том.2. 3аряды народохозяйственного назначения. - М.: Химия, 2004. Стр.44.
3. Заявка №98106541. Аэрозольный беспламенный огнетушащий состав. МПК А62D 1/00.
4. Патент №2075984 РФ. Аэрозольобразующий огнетушащий состав, МПК 6 А62D 1/00.
5. Патент №3908364 США. Ракетный двигатель, НКИ 60-252, 1975.
6. Тимнат И. Ракетные двигатели на химическом топливе. - М.: Мир, 1990, стр.129-141.
7. Эльштейн П. Конструктору моделей ракет. Пер. с польского. - М.: Мир, 1978, стр.139-150.