Способ испытаний скрепленных с корпусом зарядов ракетных двигателей твердого топлива
METHOD FOR TESTING SOLID PROPELLANT ROCKET ENGINE CHARGES FASTENED TO THE BODY

Изобретение относится к ракетной технике, а именно к ракетным двигателям твердого топлива (РДТТ), может найти применение при проведении штатных и форсированных (моделирование длительных сроков хранения) испытаний скрепленных с корпусом крупногабаритных (диаметром более 500 мм) зарядов в ракетных системах различного назначения, эксплуатирующихся на подвижных носителях автомобильного, железнодорожного и авиационного типа.
Современная методология разработки РДТТ базируется на реализации поэтапных схем назначения начальных (гарантийных) и последующего продления сроков эксплуатации РДТТ. Это связано с высокими требованиями по эксплуатационной надежности и трудностями достоверного прогнозирования структурно-механического состояния системы заряд-корпус в последующие 10-15 лет после гарантийных сроков эксплуатации РДТТ.
Опыт исследования механического поведения скрепленных с корпусом зарядов в процессе длительной эксплуатации показывает, что основные изменения механических характеристик (MX) локализуются в зонах скрепления заряда с корпусом и в приканальных зонах заряда [Физико-химические процессы в изделиях из высокоэнергетических конденсированных материалов при длительной эксплуатации. Жарков А.С., Анисимов И.И., Марьяш В.И., Десятых В.И., Люкшин Б.А., Физическая мезомеханика, т. 9, №4, 2006 г., с. 93-106]. В этих же зонах локализуются эффекты нарушения структурной целостности зарядов (отслоения, трещины) экспериментально обнаруживаемые после длительной эксплуатации РДТТ. Поэтому оценка возможности продления сроков эксплуатации после завершения гарантийных сроков эксплуатации (ГСЭ) также должна проводиться из условия обеспечения прочностной работоспособности приканальных и прикорпусных зон заряда.
При оценке работоспособности за пределами ГСЭ следует использовать характеристики в заряде, реализованные в конце ГСЭ с учетом эффектов старения, моделирующих условия эксплуатации за пределами ГСЭ (режим назначенного срока службы (НСС)). Режимы форсированных испытаний по продлению ГСЭ назначают из условия моделирования физико-химических процессов старения (диффузии, структурирования, массопереноса, газовыделения и т.д.) и накопления усталостных повреждений от воздействия силовых и температурных нагрузок в материалах РДТТ при длительной эксплуатации за пределами ГСЭ.
Методы форсированного моделирования этих одновременно происходящих процессов базируются на использовании принципов температурно-временной и напряженно-временной аналогий. Основным условием, определяющим достоверность результатов моделирования, является адекватность физико-химических процессов, происходящих в системе заряд-корпус при штатной эксплуатации за пределами ГСЭ и в процессе форсированного испытания. Использование при проведении форсированных испытаний материалов натурного изделия после завершения ГСЭ гарантирует выполнение этого требования.
Из уровня техники известен способ испытания скрепленных зарядов РДТТ (патент РФ №2217746 опубл. 27.11.2003 г.), включающий воздействие форсированной температурной нагрузкой.
В известном аналоге методология форсирования физико-химических процессов, происходящих в зарядах при длительной эксплуатации, предусматривает проведение термостатирования РДТТ при температуре (40-60°С). Для скрепленных зарядов РДТТ подобное длительное термостатирование недопустимо, так как может привести к повышению равновесной температуры заряда, а затем к необратимому изменению напряженного состояния заряда, не соответствующему условиям последующей штатной эксплуатации.
Кроме того, использованные в рассматриваемом патенте критерии и методы моделирования силовых нагрузок не позволяют учесть особенности накопления повреждения в зарядах РДТТ при воздействии вибрационных нагрузок, действующих при эксплуатации заряда на подвижных носителях. Следовательно, достоверность прогнозирования параметров механического состояния заряда предложенными форсированными методами имеет низкий уровень.
Указанные факторы не позволяют использовать изобретение по патенту РФ №2217746 для решения задач оценки возможности продления ГСЭ скрепленных с корпусом зарядов РДТТ.
Известен способ испытаний скрепленных с корпусом зарядов РДТТ (патент РФ №2607202, опубл. 10.01.2017 г.), принятый за прототип, включающий последовательное воздействие статической температурной и динамической вибрационной форсированных нагрузок.
Недостатками прототипа являются:
- использование в качестве объекта форсированных испытаний натурного заряда непосредственно после изготовления;
- осуществление оценки работоспособности только зоны скрепления заряда с корпусом при отсутствии учета изменений деформативности материала в зоне канала заряда за пределами ГСЭ, что может оказаться критичным для определения работоспособности заряда за пределами ГСЭ;
- использование огневых стендовых испытаний (ОСИ) в качестве контрольной нагрузки, что препятствует обеспечению моделирования запаса прочности в зоне канала в случае наличия эффектов снижения деформативности топлива в зоне канала за пределами ГСЭ, так как ОСИ не позволяют варьировать величиной давления на этапе финального нагружения;
- отсутствие возможности учета эффектов вибронагружения заряда при штатной эксплуатации за пределами ГСЭ.
Указанные факторы приводят к снижению достоверности прогнозирования механического состояния и прочностной работоспособности заряда при сложных и длительных режимах штатной эксплуатации за пределами ГСЭ.
Отмеченные недостатки исключают возможность использования прототипа для решения задачи продления ГСЭ на период назначенного срока службы.
Задачей предлагаемого технического решения является разработка прогностически надежного способа испытаний скрепленных с корпусом зарядов ракетных двигателей твердого топлива, проводимых для подтверждения возможности продления ГСЭ на период назначенного срока службы, обладающего повышенной достоверностью за счет моделирования параметров прочностной работоспособности не только в зоне скрепления с корпусом, но и в зоне канала заряда, а также создания условий, обеспечивающих возможность варьирования величиной давления на этапе финального нагружения в модельном испытании.
Поставленная задача решается заявляемым способом испытаний скрепленных с корпусом зарядов ракетных двигателей твердого топлива, включающим последовательное воздействие статической температурной и динамической вибрационной форсированных нагрузок. Особенность заключается в том, что проводят испытания натурного заряда после завершения гарантированного срока эксплуатации при условии подтверждения структурной целостности указанного заряда результатами штатной дефектоскопии системы заряд-корпус, уровень статической и динамической нагрузок выбирают из условий, моделирующих режимы нагружения при последующей штатной эксплуатации в период назначенного срока службы после завершения гарантированного срока эксплуатации, а после воздействия форсированными нагрузками осуществляют статический наддув заряда, уровень максимального давления которого выбирают из условия равенства запасов прочности в зоне канала заряда при наддуве и в конце этапа штатной эксплуатации в период назначенного срока службы после завершения гарантированного срока эксплуатации.
В частности, при определении уровня статической и динамической форсированных нагрузок, моделирующих штатную эксплуатацию в период назначенного срока службы после завершения гарантированного срока эксплуатации, используют механические характеристики топлива, вырезанного из исследуемого заряда, прошедшего эксплуатацию в течение гарантированного срока эксплуатации.
В частности, после завершения статического наддува заряда, моделирующего условия НСС, проводят статический наддув до давления, при котором в зоне канала заряда реализуются нарушения структурной целостности, но при этом давление наддува меньше давления, при котором реализуются нарушения структурной целостности корпуса исследуемого ракетного двигателя. Это позволяет оценить предельный ресурс прочностной работоспособности исследуемого ракетного двигателя.
Заявляемый способ иллюстрируется графическими изображениями:
Фиг. 1 - схематичный продольный разрез скрепленного с корпусом заряда ракетного двигателя твердого топлива с указанием наиболее нагруженных зон.
Фиг. 2 - схема нагружения скрепленного с корпусом заряда ракетного двигателя твердого топлива при подтверждении возможности продления ГСЭ на период НСС согласно заявляемому способу.
На фиг. 1 приняты следующие обозначения: 1 - корпус, 2 - заряд, 3 - прикорпусная зона, 4 - приканальная зона.
Прогнозирование прочностной работоспособности скрепленных с корпусом зарядов в период НСС должно проводиться для наиболее нагруженных (приканальных и прикорпусных) зон зарядов (фиг. 1). В прилежащей к каналу зоне заряда критичные условия нагружения реализуются в период активной работы двигателя, в прикорпусной зоне заряда - в периоды воздействия статических и вибрационных нагрузок на этапах, предшествующих работе двигателя. Предлагаемая схема проведения испытаний по заявляемому способу (фиг. 2) реализована с учетом этой принципиальной особенности нагружения заряда на этапе НСС.
Для получения информации об уровне механических характеристик натурного заряда непосредственно после завершения ГСЭ целесообразно использовать результаты испытания вырезанных из зоны канала образцов или неразрушающий (пенетрометрический) метод [Физико-химические процессы в изделиях из высокоэнергетических конденсированных материалов при длительной эксплуатации. Жарков А.С., Анисимов И.И., Марьяш В.И., Десятых В.И., Люкшин Б.А., Физическая мезомеханика, т. 9, №4, 2006 г., с. 93-106].
Для оценки и учета влияния эффектов изменения MX (старения) материала заряда в период НСС используют результаты форсированных испытаний, базирующиеся на указанных выше принципах температурно-временной аналогии. В качестве объектов для этих испытаний также используются вырезанные из натурного изделия образцы топлива, прошедшие эксплуатацию в течение ГСЭ. Вырезка образцов проводится из слабонапряженных зон изделия с использованием специальных препарационных устройств типа УВО-60 [Физико-химические процессы в изделиях из высокоэнергетических конденсированных материалов при длительной эксплуатации. Жарков А.С., Анисимов И.И., Марьяш В.И., Десятых В.И., Люкшин Б.А., Физическая мезомеханика, т. 9, №4, 2006 г., с. 93-106].
Моделирование (форсированными методами) влияния на прочностную работоспособность заряда действующих в период НСС статических и вибрационных нагрузок проводят на выбранном для испытаний натурном изделии (фиг. 2) после завершения ГСЭ с использованием принципов напряженно-временной аналогии [Москвитин В.В. Сопротивление вязко-упругих материалов применительно к зарядам ракетных двигателей на твердом топливе. Изд. «Наука»., М., 1972 г., с. 328]. С позиций указанного критерия моделирования уровень статической и вибрационной составляющих, действующих в период НСС напряжений, соответствует напряженному состоянию в наиболее нагруженных в период НСС краевых зонах скреплений заряда с корпусом РДТТ.
т
ф
В качестве критерия моделирования эффектов усталостного нагружения используют условие равенства накопленных повреждений в расчетной зоне заряда в период НСС и в процессе форсированного испытания натурного заряда [Боеприпасы и высокоэнергетические системы. «Моделирование воздействия виброударных нагрузок на многослойные конструкции из композитных материалов». Анисимов И.И., Литвинов А.В., Тучков Р.В., Десятых В.И., Загородников Р.А., выпуск №1, 2015 г., с. 28-34]. Варьируемыми факторами нагружения (1) являются температурная составляющая напряженного состояния (σ(t)) в краевой зоне скрепления заряда с корпусом, частота (ω) и длительность модельного форсированного эксперимента (t) (фиг. 2):
γ
где σ - статическая составляющая напряжения от действия массовых сил;
ф
а
σ - амплитуда напряжений в форсированном режиме нагружения,
0
t - длительность воздействия статических нагрузок в режиме, моделирующем условия НСС.
р
ф
ф
р
Наиболее эффективным инструментом обеспечения условий форсированного нагружения (1) является температурная нагрузка (ΔТ=Т-Т), значение которой увеличивается при снижении среднеобъемной температуры (Т) заряда в процессе форсированного испытания (при неизменной равновесной температуре заряда Т).
над
Уровень максимального давления наддува (Р) определяют из условий равенства запасов прочности в зоне канала (η) при работе двигателя и при наддуве исследуемого натурного изделия в процессе форсированного испытания:
Положительные результаты оценки структурной целостности системы заряд-корпус (методами дефектоскопии) после форсированного моделирования (1) условий нагружения в период НСС и последующего проведения наддува заряда (фиг. 2) свидетельствуют об экспериментальном подтверждении возможности продления эксплуатации исследуемого заряда в течении НСС за пределами ГСЭ.
Предложенный способ был экспериментально реализован на скрепленном с корпусом заряде канального типа с раскрепленными торцами (фиг. 1).
Форсированное моделирование условий статического и вибрационного нагружения (1) указанного заряда в период НСС проводилась методом напряженно-временной аналогии с использованием нелинейного критерия накопленной поврежденности, позволяющего отразить особенности многоцикловых периодических воздействий в период НСС. При проведении указанных экспериментов обеспечивалась адекватность соотношения стационарных и нестационарных нагрузок в условиях НСС и форсированных испытаний.
Оценка влияния эффектов старения, моделирующих изменение механических характеристик в период НСС, проводилась на образцах материала вырезанных из исследуемого заряда. Положительные результаты последующего статического наддува натурного изделия, реализованного в соответствии с соотношением (2) подтвердили возможность продления гарантийных сроков его эксплуатации.
При моделировании условий вибронагружения натурного изделия в период НСС был использован изготовленный в АО «ФНПЦ «Алтай» автоматизированный стенд (для изделий повышенных весогабаритных параметров подобные стенды в настоящее время не выпускаются промышленностью), позволяющий реализовать многоцикловое вращение горизонтально расположенного крупногабаритного натурного заряда с различными частотными параметрами, при обеспечении режима вращения заряда со скоростью n=1-20 об/мин. В течение каждого оборота в зоне скрепления заряда с корпусом действуют поперечные перегрузки, обусловленные действием на заряд силы тяжести. Этого оказалось достаточно для сокращения времени проведения форсированных испытаний до 1,5 месяцев при продлении сроков предстартовой эксплуатации заряда на 10 лет.
Таким образом, предлагаемый способ испытаний скрепленных с корпусом зарядов ракетных двигателей твердого топлива практически реализуем и позволяет решить поставленную задачу продления ГСЭ зарядов рассматриваемого типа.