Способ изготовления корпуса ракетного двигателя твердого топлива
METHOD OF PRODUCING OF HOUSING OF ROCKET SOLID PROPELLANT ENGINE

Изобретение относится к машиностроению, а именно к способу изготовления корпусов твердотопливных двигателей ракет (РДТТ) из композиционного материала (КМ), получаемых методом непрерывной намотки армирующей ленты (жгута).
Известен традиционный способ изготовления корпуса РДТТ из КМ [И.М. Буланов, В.В. Воробей. Технология ракетных и аэрокосмических конструкций из композиционных материалов. - М.: изд. МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1998, стр. 434-438, рис. 6.11], по которому на оправку устанавливается внутреннее теплозащитное покрытие корпуса (ТЗП) и производят намотку на оправку полимерным КМ с последующей термообработкой (полимеризацией) (прототип).
Известны способы изготовления изделий из КМ в автоклавах [И.М. Буланов, В.В. Воробей. Технология ракетных и аэрокосмических конструкций из композиционных материалов. - М.: изд. МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1998, стр. 140-156], [Устройство для отверждения композиционных материалов, патент РФ №2404054] с применением гибких диафрагм, вакуумных мешков, нагружаемых давлением и с нагревом рабочей среды.
Вышеуказанные способы обеспечивают получение прочностных характеристик КМ за счет создания требуемого уровня контактного давления между слоями стенки корпуса, а также за счет создания требуемого уровня натяжения армирующей ленты. В автоклавах контактное давление (уровень 0,7…1,0 МПа) создается внешним источником (гидронасосом, вакуумом) при помощи гибких диафрагм, а на оправках при намотке (технология «кокон») - за счет натяжения армирующей ленты (уровень 2,0…10,0 МПа).
Недостатком вышеуказанных способов изготовления корпусов из КМ является неполная реализация возможностей оборудования для получения более легкой и прочной конструкции корпуса РДТТ по следующим причинам:
- после намотки и в процессе полимеризации корпуса контактное давление на поверхности оправки, особенно на днищах, неравномерно;
- профиль днищ оправки не соответствует теоретическим параметрам, так как сложно выполнить требуемую толщину ТЗП вследствие ее переменной величины по профилю днища и эластичности материалов ТЗП (резина, капрон и т.д.);
- сложно обеспечить точную укладку ленты по геодезическим траекториям из-за неточного профиля наружной поверхности оправки с установленным ТЗП и нестабильным натяжением ленты в процессе намотки (переход от цилиндра на днище и наоборот, возможная нестабильность работы оборудования), приводящим к сползанию уложенной на оправку ленты.
При неравномерном контактном давлении на поверхности оправки армирующий материал корпуса в различных его зонах имеет разный начальный уровень растягивающих напряжений, который «фиксируется» режимом полимеризации. При эксплуатации корпуса РДТТ нагружение его внутренним рабочим давлением вызывает дополнительное растяжение армирующего материала. В результате различия напряжений в материале корпуса днища становятся неравнопрочными, что обуславливает необходимость введения дополнительных армирующих слоев, увеличивающих массу корпуса.
Практическая сложность реализации точного выполнения соответствия профиля оправки и траектории укладки ленты теоретическим параметрам также приводит к различию напряжений в материале силовой оболочки корпуса при работе РДТТ. В то же время известно [Д.В. Росато, К.С. Грове. Намотка стеклонитью. – М.: Машиностроение, 1969], [И.Ф. Образцов, В.В. Васильев, В.А. Бунаков. Оптимальное армирование оболочек вращения из композиционных материалов. - М.: Машиностроение, 1977], что натянутая нить, уложенная на выпуклую поверхность, при отсутствии трения занимает геодезическую траекторию. Напряжения в такой нити в любой ее точке одни и те же. Таким образом, при реализации в процессе полимеризации корпуса нагружения днищ давлением, близким к равномерному, с учетом размягчения связующего в начальной стадии полимеризации (что снижает силу трения между армирующими лентами в стенке днища), армирующие ленты днищ займут положение, близкое к геодезическим траекториям. В этом случае не требуется точного выполнения соответствия профиля оправки и траектории укладки ленты теоретическим параметрам.
При неравномерном контактном давлении на поверхности оправки снижается адгезионная прочность, увеличивается разброс (нестабильность) адгезионных характеристик клеевых составов по границе ТЗП-армирующий материал корпуса, что сказывается на надежности работы РДТТ.
Автоклавная технология с применением гибких диафрагм, обеспечивающих равномерное контактное давление, неприменима для технологии «кокон» по ряду причин, в том числе по уровню контактных давлений (0,7…1,0 МПа против 2,0…10,0 МПа) и не устранит вышеуказанные недостатки.
Задачей изобретения является создание равномерного контактного давления на внутренней поверхности днища корпуса в процессе полимеризации силовой оболочки корпуса, обеспечивающего повышение прочностных и адгезионных характеристик конструкции днищ корпуса.
Технический результат заключается в том, что в процессе полимеризации силовой оболочки корпуса между оправкой и внутренним теплозащитным покрытием создают равномерное давление, которое передается на внутреннюю поверхность днищ.
Технический результат достигается тем, что в способе по п. 1 изготовления корпуса ракетного двигателя твердого топлива из композиционного материала, который заключается в установке на оправку внутреннего теплозащитного покрытия, намотке поверх его силовой оболочки из полимерного композиционного материала с последующей полимеризацией, между оправкой и внутренним теплозащитным покрытием устанавливают изолированную антиадгезионной пленкой манжету из эластичного материала.
Эластичность материала манжеты при температуре полимеризации возрастает (материал становится более текучим) и вследствие перетекания материала манжеты в замкнутом объеме из зоны повышенного давления в зону пониженного давление на внутреннюю поверхность днища, созданное натяжением при намотке армирующего материала, становится равномерным.
Манжету изолируют антиадгезионной пленкой для исключения склеивания ее с материалами корпуса.
В способе по п. 2 технический результат достигается тем, что манжета выполнена из силикона с толщиной стенки, соизмеримой с толщиной внутреннего теплозащитного покрытия.
Силикон, эластичность которого возрастает при температуре полимеризации корпуса, обладая несжимаемостью и текучестью (подвижностью), создает равномерное контактное давление на внутренней поверхности днища, созданное усилием натяжения армирующего материала, за счет его перетекания в замкнутом объеме из зоны повышенного давления в зону пониженного при толщине стенки манжеты, соизмеримой с толщиной внутреннего теплозащитного покрытия.
Толщина манжеты определяется из расчета свободного объема между оправкой и ТЗП, манжета должна исключить контакт ТЗП с оправкой.
Практически это обеспечивается при толщине манжеты, соизмеримой с толщиной ТЗП. ТЗП выполняется из эрозионно-стойких резин и обладает ограниченной способностью перетекания по сравнению с тем же силиконом и не может обеспечить равномерное контактное давление.
1
2
На фиг. 1 приведено сечение песчано-полимерной оправки 1 на металлическом валу с установленной на нее эластичной манжетой 2, изолированной антиадгезионной пленкой 3. Поверх манжеты 2 установлено ТЗП 4 и намотана силовая оболочка днищ 5 с цилиндрической частью 6 длиной L и диаметром D. В днищах с экваторами У (переднее) и У (заднее) установлены полюсные фланцы корпуса 7.
Изготовление корпуса производят следующим образом. Сначала готовится оправка 1, наружная поверхность которой с учетом толщины ТЗП 4 и эластичной манжеты 2 обеспечивает расчетный профиль днищ 5. Песчано-полимерная оправка 1 изготавливается прессованием на металлической форме заданного профиля с последующей полимеризацией. В ряде случаев производится токарная обработка полимеризованной оправки для получения заданного профиля.
На подготовленную оправку 1 в зоне каждого днища укладывают эластичную манжету 2, затем поверх манжеты укладывают антиадгезионную пленку 3, на нее устанавливают ТЗП 4, которое закрепляют на оправке 1, и осуществляют намотку армирующей лентой, пропитанной связующим. По окончании намотки сборку устанавливают в термопечь и нагревают сборку по программе полимеризации корпуса. По окончании процесса полимеризации отключают нагрев, остужают сборку и направляют ее на выпаривание песчано-полимерной оправки. Из корпуса извлекают оснастку оправки (вал, закладные и т.п.), песок и манжеты.
В способе по п. 3 технический результат достигается тем, что манжета выполнена в виде герметичного мешка, который в процессе полимеризации силовой оболочки корпуса нагружают гидравлическим давлением, превышающим контактное давление на оправку, создаваемое усилием намотки материала силовой оболочки.
В этом случае гарантированно исключается контакт ТЗП с оправкой и создается равномерное давление на внутренней поверхности днищ в процессе полимеризации корпуса ввиду текучести и несжимаемости гидравлической жидкости (техническое масло, глицерин).
1
2
На фиг. 2 приведено сечение песчано-полимерной оправки 1 на металлическом валу с установленным на нее герметичным мешком 2 с трубопроводом давления 8, поверх мешка 2 уложена антиадгезионная пленка 3, установлено ТЗП 4 и намотана силовая оболочка днищ 5 с цилиндрической частью 6 длиной L и диаметром D. В днищах с экваторами У (переднее) и У (заднее) установлены полюсные фланцы корпуса 7.
Изготовление корпуса производят следующим образом. Сначала готовится оправка 1, наружная поверхность которой с учетом толщины ТЗП 4 и герметичных мешков 2 обеспечивает расчетный профиль днищ 5. Песчано-полимерная оправка 1 изготавливается прессованием на металлической форме заданного профиля с последующей полимеризацией.
На подготовленную оправку 1 укладывают герметичные мешки 2 (два днища - два мешка), на них укладывают антиадгезионную пленку 3 и устанавливают ТЗП 4, которые закрепляются на оправке 1, и осуществляют намотку армирующей лентой, пропитанной связующим. По окончании намотки сборку устанавливают в термопечь, в герметичные мешки 2 через трубопроводы давления 8 подают избыточное гидравлическое давление и нагревают сборку по программе полимеризации корпуса. Гидравлическое давление можно подавать только на начальном этапе процесса полимеризации, после чего герметичные мешки заглушаются. Уровень давления должен соответствовать максимальному контактному давлению, создаваемому натяжением армирующего материала на днищах (оно рассчитывается по разработанным методикам и составляет от 2 до 10 МПа).
По окончании процесса полимеризации давление сбрасывают, отключают нагрев, остужают сборку и направляют ее на выпаривание песчано-полимерной оправки. Из корпуса извлекают оснастку оправки (вал, закладные и т.п.), песок и герметичные мешки.
Данное изобретение позволяет создать равномерное давление на внутренней поверхности днищ корпуса, что обеспечит повышение прочностных и адгезионных характеристик конструкции днищ корпуса, а также надежность и массовую эффективность конструкции корпусов ракетных двигателей твердого топлива.