Ракетный двигатель на твердом топливе пассивного регулирования
SOLID-PROPELLANT ROCKET ENGINE WITH PASSIVE CONTROL

Изобретение относится к ракетным двигателям на твердом топливе (РДТТ) 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, применения современных ракетных топлив и перспективных топлив с температурой горения до 4100 К.
Создание РДТТ с высокой энергетической возможностью представляет интерес для авиационно-космической ракетной техники, морских и наземных тактических и стратегических ракетных комплексов, так как способствует повышению тактико-технических характеристик ракет и увеличению дальности стрельбы.
Одним из основных способов достижения высокой энергетической возможности РДТТ является обеспечение максимального уровня заполнения объема камеры сгорания массой топлива, применение топлива с высоким удельным импульсом и высокой температурой горения, регулирование площади критического сечения соплового блока и реализация энергетической возможности ракетного топлива.
РДТТ серийного производства и вновь разрабатываемые РДТТ в сопловом блоке содержат вкладыши из мелкозернистого графита МПГ-7 или углерод-углеродных композиционных материалов КИМФ, Эра-2, 4КУМП и других углеродных материалов, к которым предъявляются требования высокой эрозионной стойкости. Наибольшей эрозионной стойкостью обладают вкладыши из графита МПГ-7.
Например, на РДТТ, работающих на смесевом твердом топливе ПД 17/18 с температурой горения 3240 К, на вкладышах из мелкозернистого графита МПГ-7 при начальном диаметре 95 мм приращение площади критического сечения составляет от 2 до 4% после работы РДТТ в течение (30±2,5) с.
РДТТ с сопловыми блоками, сохраняющими начальную геометрическую форму газового тракта под воздействием продуктов сгорания топлива в течение времени работы, относятся к категории - нерегулируемые РДТТ.
Чертеж нерегулируемого РДТТ представлен на фигуре 1.
Известны три основных режима работы образцов нерегулируемых РДТТ с вкладышами высокой эрозионной стойкости и относительно малым приращением площади в критическом сечении соплового блока:
- вариант 1 - постоянная тяга, постоянный (или близкие к постоянному) уровень давления газов в камере сгорания и постоянная поверхность горения топлива;
- вариант 2 - прогрессивная тяга, прогрессивный уровень давления газов в камере сгорания и прогрессивная поверхность горения топлива;
-вариант 3 - регрессивная тяга, регрессивный уровень давления газов в камере сгорания и регрессивная поверхность горения топлива.
Режим работы РДТТ определяется геометрической формой топливного заряда.
Постоянство тяги и давления в камере сгорания по варианту 1 достигается созданием топливного заряда с постоянной площадью поверхности горения выполнением щелей, проточек и других форм в топливном блоке. В этом исполнении не обеспечивается полнота заполнения объема камеры массой топлива - уменьшается масса топлива.
Прогрессивная поверхности горения топливного блока по варианту 2 позволяет более максимально заполнить объем камеры сгорания топливом за счет сведения к минимуму наличие щелей, проточек или других геометрических форм в топливном блоке заряда, но увеличивается пассивная масса, рассчитанная по максимальному давлению в камере, и в неполной мере реализуются энергетические возможности топлива, так как величина удельного импульса топлива постепенно возрастает от минимального начального значения до максимального по мере роста давления продуктов сгорания в камере.
Третий вариант применяется на геофизических неуправляемых ракетах для изучения верхних слоев атмосферы.
Варианты уровня давления газов в камере сгорания нерегулируемого РДТТ. представлены на фигуре 2.
С повышением температуры до 3300 К под воздействием потока продуктов сгорания топлива с поверхности вкладыша происходит унос массы материала. Как выше отмечалось на вкладыше из графита МПГ-7 приращение площади может достигать до 4%.
Например, при огневых стендовых испытаниях вкладышей из мелкозернистого графита МПГ-7 с начальным диаметром 64 мм в сопловом блоке РДТТ, работающем на смесевом топливе ПД-12/20-3 с температурой горения 3551 К, реализуются приращения площади вкладыша в критическом сечении до 20%.
На этом же РДТТ при испытании вкладышей из углерод-углеродного материала КИМФ, наполненного пиролитическим углеродом из газовой фазы, с начальным диаметром 64 мм реализуются приращения площади до 35%.
При работе РДТТ на ракетном твердом топливе с температурой горения до 4100 К под воздействием продуктов сгорания происходит активная эрозия (разрушение) поверхности вкладыша соплового блока, возникает значительное непланируемое приращение площади в критическом сечении. В результате имеем снижение ВБХ РДТТ или в худшем случае разрушение соплового блока.
Таким образом, с повышением температуры продуктов сгорания сохранение начальной геометрической формы газового тракта соплового блока достигает предела.
Для повышения энергетики существуют РДТТ активного автоматического регулирования для поддержания постоянного уровня в камере сгорания при прогрессивной поверхности горения топлива (прогрессивный газовый приток). Для обеспечения постоянного давления газов в камере сгорания требуется автоматическая система регулирования процесса, усложняется конструкция соплового блока, вводятся приборы и механизмы управления.
Чертеж схемы исполнения активного регулирования площади кольцевого критического сечения РДТТ представлен на фигуре 3.
В Российской Федерации зарегистрированы патенты на РДТТ активного регулирования RU 2109159 С1 от 20.04.1998 года, RU 2151317 С1 от 20.06.2000 года, RU 2148726 С1 от 10.05.2000 года.
С повышением температуры продуктов сгорания топлива до 4100 К возникает проблема, которая заключается в том, что вкладыши из мелкозернистого графита МПГ-7, углерод-углеродных композиционных материалов КИМФ, Эра-2 и других углеродных материалов не способны обеспечивать постоянную площадь критического сечения, так как достигнут предел их эрозионной стойкости - на вкладышах происходит приращение площади. Возникает проблема, как далее повышать энергетические возможности или уже достигнут предел в развитии РДТТ?
Известен патент США №3309874 от 21.03.1967 года автора Bert В. Gould на сопло с абляционной теплозащитой для миниатюрной ракеты (диаметр 1,10 дюйма и длина 1,50 дюйма) с зарядом удлиненной цилиндрической формы с центральным каналом. Для снижения массы конструкции за счет понижения прогрессивности давления продуктов сгорания топлива в камере в качестве материалов вкладышей предлагаются: металлические материалы алюминий и магний, полимерные материалы полиэтилен, нейлон, тефлон и бакелит. втор предлагает вкладыш, который «формуется из абляционного материала, состав которого, по мере прохождения газов через сопло, изменяется в поперечном сечении, начиная изнутри с материала, составляющего внутренний участок и оплавляющегося быстрее, чем материал, составляющего внешний участок, благодаря чему уменьшается скорость абляции в период горения заряда твердого ракетного топлива».
Предложение как направление понижения пассивной массы представляет ценность, но создание вкладыша с возрастающей эрозионной стойкостью представляет технологическую сложность. Создание материала с плавным возрастанием эрозионной стойкости технологически невозможно. Если изготовлять вкладыш слоями из материалов с возрастающей эрозионной стойкостью, то в результате получим ступенчатое давление в процессе работы РДТТ. С другой стороны, у автора отсутствует объяснение зачем нужна возрастающая эрозионная стойкость?
Исследованиями подтверждается, что при постоянном давлении газов в камере сгорания с ростом энергии теплового потока продуктов сгорания топлива в процессе работы двигателя растет площадь обтекаемой поверхности вкладыша за счет приращения площади. В результате унос слоя материала вкладыша в единицу времени сохраняется на постоянном уровне, то есть возрастающая эрозия отсутствует.
Кроме этого, для современных РДТТ, в которых продукты сгорания топлива имеют температуру более 3000 К, предложенные материалы не годны, так как имеют очень низкую эрозионную стойкость.
Известен патент RU 2341676 С1 от 20.12.2008 года на ракетный двигатель твердого топлива авторов Литвинова А.В., Аксененко Д.Д., Нестерова Г.Н., Макаровой Н.М.
На РДТТ «установлено средство, компенсирующее увеличения поверхности горения, выполнено в виде внутреннего покрытия сопла из высокопрочного медленно горящего твердого топлива. Скорость горения и толщина этого покрытия подобраны таким образом, чтобы обеспечивать при горении увеличение площади критического сечения сопла пропорционально увеличению поверхности горения заряда. Предпочтительно, чтобы утопленная часть сопла, критическое сечение и раструб сопла имели покрытия с различными скоростями горения. Изобретение позволяет повысить эффективность работы ракетного двигателя за счет увеличения коэффициента заполнения корпуса топливом и уменьшения потерь удельного импульса тяги, а также упростить технологию изготовления заряда и снизить пассивную массу двигателя».
y
В указанном патенте RU 2341676 С1 от 20.12.2008 года не понятно, как можно компенсировать поверхность горения заряда устройством? Неточность. Теоретические предпосылки о способе повышения эффективности РДТТ верны. Но из доступных литературных источников и технических документов о практической реализации патента RU 2341676 C1 от 20.12.2008 года не известно. Предлагаемое покрытие из высокопрочного медленно горящего твердого топлива является полимерным материалом. Покрытие как полимер без наполнителя из тугоплавких нитей обладает низкой эрозионной стойкостью. Следовательно, под воздействием плотного газового потока, имеющего температуру более 3300 К и при оптимальном давлении в камере сгорания на уровне (14-16) МПа время стойкости покрытия составит несколько секунд. Таким образом, эффективность повышения энергетики предлагаемого способа мала. Кроме этого, авторами не приведена закономерность процесса увеличения (приращения) площади критического сечения, то есть отсутствует информация об уносе массы покрытия толщиной δ в единицу времени τ, то есть отсутствует скорость уноса (V=δ/τ), которая требуется при расчете внутренних баллистических характеристик РДТТ. Нет информации какова эффективность устройства (в %, кг).
Возникает техническая задача, целью которой является изыскание материалов для вкладышей, способных под воздействием продуктов сгорания топлива в процессе работы РДТТ обеспечивать приращение площади на дозвуковом участке, участке критического сечения, сверхзвуковом участке в пределах от 50 до 100%, определение закономерности их эрозии, создание в камере сгорания постоянного давления газов и на срезе сопла давления, соответствующего давлению окружающей среды при движении ракеты по траектории. Решение поставленной задачи заключается в том, что в РДТТ, содержащем переднюю крышку, заряд с центральным газовым каналом и осесимметричный сопловой блок, на дозвуковом участке, участке критического сечения, сверхзвуковом участке сопла устанавливаются вкладыши приращения площади из отобранных материалов с закономерной эрозией в %: от 50 до 100. Отобранными материалами являются: стеклопластик, углепластик, графит ПРОГ-2400СА, углерод-углеродный композиционный материал КИМФ, мелкозернистый графит МПГ-7, углестеклопластик (УСП) и углерод-кремнеземный композиционный материал (УККМ).
k
y
k
В АО «ОКБ «Новатор» по результатам испытаний на РДТТ вкладышей из стеклопластика ПСК, углерод-углеродного композиционного материала КИМФ, графита ПРОГ-2400СА и мелкозернистого графита МПГ-7 определена линейная зависимость уноса массы каждого материала толщиной слоя δ (мм в секунду) в зависимости от давления Р продуктов сгорания в камере δ/τ=V=f(P), замеряемого у переднего дна. Установлено, что процесс носит закономерный характер после прогрева вкладыша в течение от 2 до 5 секунд в зависимости от марки топлива, температуры газов, структуры и физико-химических свойств материала вкладыша, что позволяет проектировать геометрическую форму заряда (поверхность горения).
В заготовках из графитов, углерод-углеродных и полимерных материалов, которые изготавливаются отечественной промышленностью в настоящее время, отсутствует механизм регулирования эрозионной стойкости, то есть исключается возможность получения оптимальных ВБХ.
Необходимость создания вкладышей из материалов с регулируемой эрозионной стойкостью очевидна при анализе результатов огневых стендовых испытаний РДТТ.
В разработанных АО «ОКБ «Новатор» вкладышах из полимерного углестеклопластика (УСП) с чередованием слоев из кремнеземной и углеродной тканей (или долей нитей в полотне ткани) и углерод-кремнеземного композиционного материала (УККМ) с объемным трехмерным каркасом, сплетенным из кремнеземных и углеродных нитей и наполненным пиролитическим углеродом, заложен механизм регулирования эрозионной стойкости. А именно, при увеличении доли углеродных нитей в УСП и в объемном каркасе УККМ эрозионная стойкость вкладышей повышается.
Уменьшение же их доли понижает эрозионную стойкость.
Отечественные наиболее применяемые материалы для вкладышей по степени возрастания эрозионной стойкости можно расставить в следующий ряд: стеклопластик - УСП - углепластик - УККМ - графит ПРОГ-2400СА - углерод-углеродные композиционные материалы КИМФ и Эра-2 - мелкозернистый графит МПГ-7.
Применение вкладышей из указанного ряда позволяет решить техническую задачу реализации создания РДТТ нового поколения - РДТТ пассивного регулирования (Фиг. 4).
В процессе работы РДТТ пассивного регулирования под воздействием потока продуктов сгорания топлива происходит закономерное приращение площади сечения газового тракта по всей длине соплового блока из-за уноса массы материалов с поверхностей: дозвуковой участок - участок критического сечения - сверхзвуковой участок.
В зависимости от режима работы проектируемого РДТТ на участке критического сечения могут быть установлены вкладыши УККМ и УСП, планируемого и регулируемого приращения площади, или других материалов планируемого приращения площади.
На дозвуковом участке стеклопластик, УСП или углепластик, на сверхзвуковом участке можно устанавливать вкладыши из стеклопластика, УСП, углепластика или комбинированный вкладыш. Возможны и другие комбинации материалов вкладышей.
Вкладыши из УККМ и УСП, установленные в сопловых блоках, при работе РДТТ на смесевом ракетном топливе ПД 17/18 изменением долевого соотношения углеродных и кремнеземных нитей способны обеспечивать приращение площади критического сечения от 50 до 100%.
Чем больше приращение площади вкладыша, тем большее количество твердого топлива помещается в объеме камеры сгорания.
Для оценки эффективности сопловых блоков РДТТ с закономерным приращением площади критического сечения при уносе массы материала вкладыша продуктами сгорания твердого топлива выполнены расчеты ВБХ заряда с прогрессивной поверхностью горения.
нач.
кон.
2
2
Заряд цилиндрической формы диаметром 500 мм, длиной 2500 мм и центральным каналом диаметром 150 мм. Топливный блок по внешней поверхности скреплен с несущим корпусом. Начальная поверхность горения S=12100 см и конечная - S=39000 см.
Расчет выполнен при приращениях площади критического сечения в диапазоне от 0 до 70% в системе САПР-К и постоянном профиле на сверхзвуковом участке сопла (площадь на срезе сопла постоянная).
к
3
2
Для каждого варианта подбирались скорость горения топлива и начальная площадь критического сечения из условия: давление в камере сгорания Р≤120 кгс/см и время горения заряда τ≤19 с.
ВБХ заряда при различной степени приращения площади критического сечения сопла и постоянном коэффициенте потерь импульса в РДТТ приведены в таблице 1.
Расчеты показывают, что применение вкладыша, обеспечивающего закономерное приращение площади на участке критического сечения соплового блока при прогрессивной поверхности горения топлива, способствует повышению суммарного импульса РДТТ до 4,5%.
С ростом приращения площади вкладыша растет суммарный импульс. Реализация приращения площади на срезе сопла дополнительно повышает суммарный импульс РДТТ.
Кроме этого, применение заряда с прогрессивной поверхностью горения, когда исключаются проточки, щели и уменьшается диаметр центрального канала заряда, способствует дополнительному увеличению массы топлива не менее 5%.
Техническая проблема при создании качественно нового РДТТ решается реализацией следующих основных параметров:
- пассивно регулировать площадь критического сечения сопла и площадь на срезе сопла в процессе работы РДТТ планированием приращения за счет закономерного уноса массы материала в единицу времени газовым потоком продуктов сгорания топлива вместо сложной конструкции РДТТ активного регулирования площади критического сечения сопла центральным телом;
- обеспечить постоянное (или близкое к постоянному) давление продуктов сгорания топлива в камере в процессе работы РДТТ проектированием формы топлива прогрессивной поверхности горения с учетом требуемого планированного приращения площади критического сечения вкладыша;
- создать режим пассивного автоматического регулирования уровня давления газов в камере сгорания за счет физико-химических процессов, происходящих в материалах вкладышей, используя закономерность: при возрастании давления в камере повышается унос материала вкладыша и давление в камере понижается или при понижении давления снижается унос материала вкладыша и давление в камере повышается;
- повысить полноту сгорания топлива за время пребывания продуктов сгорания в камере и одновременно повысить удельный импульс за счет повышения параметра RT ведением процесса горения при давлении на уровне (14-16) МПа;
- осуществить возможность применения ракетного смесевого твердого топлива с температурой горения до 4100 К, обладающего большей энергетикой;
- дополнительно увеличить массу топлива в объеме камеры сгорания проектированием заряда упрощенной формы с прогрессивной поверхностью горения при максимальном исключении щелей и проточек, уменьшением диаметра центрального канала топливного блока;
- снизить тепловую нагрузку на несущую конструкцию и электронные приборы, расположенные в зоне соплового блока за счет уноса части тепловой энергии совместно с продуктами эрозии поверхности вкладыша.
Чертеж РДТТ пассивного регулирования представлен на фигуре 4.
Предпосылки создания РДТТ пассивного регулирования подтверждены положительными результатами огневых стендовых испытаний образцов РДТТ.
На РДТТ с прогрессивной тягой и прогрессивным давлением в камере сгорания вместо вкладыша из графита ПРОГ-2400СА, имеющего конечное приращение площади критического сечения (15±5) %, установили вкладыш из полимерного УСП-1-1 (чередование слоев углеродной и кремнеземной тканей, связующее ФН) и получили приращение 78%, что позволило в процессе работы РДТТ реализовать в камере сгорания уровень давления газов близкий к постоянному уровню вместо прогрессивного уровня давления с графитовым вкладышем. В итоге удельный импульс тяги РДТТ увеличился на 4%.
Начальный диаметр критического сечения вкладыша из графита ПРОГ-2400СА составляет 90 мм и вкладыша из УСП-1-1 - 75 мм. Конечный диаметр после огневых стендовых испытаний вкладыша из графита ПРОГ-2400СА составил 98,5 мм и вкладыше из УСП-1-1 - 100 мм.
Внешний вид соплового блока после огневых стендовых испытаний на РДТТ представлен на фигуре 5.
y
Унос массы материала толщиной слоя 5 с поверхности вкладыша из УСП-1-1 в единицу времени (V=δ/τ) в зависимости от давления в камере РДТТ, замеренного у переднего дна, представлен на фигуре 6.
Вкладыши из УККМ-1-2 опробованы огневыми стендовыми испытаниями в сопловом блоке РДТТ, работающем на смесевом топливе ПД-17/18 с температурой горения 3240 К. РДТТ отработал в расчетном режиме. На вкладыше начальный диаметр критического сечения 60,4 мм увеличился до 74,4 мм. Следовательно, приращение площади критического сечения относительно начальной площади составило 51,7%.
Внешний вид вкладышей из УККМ-1-2, один из которых установлен в обойме на участке критического сечения и второй в раструбе соплового блока, после огневых стендовых испытаний на РДТТ представлен на фигуре 7.
y
Унос слоя 8 с поверхности вкладыша из УККМ в единицу времени (V=δ/τ) в зависимости от давления в камере РДТТ, замеренного у переднего дна, представлен на фигуре 8.
Таким образом, теоретически и практически подтверждена возможность создания РДТТ пассивного регулирования.
Краткое описание чертежей
1 На фигуре 1 представлен чертеж соплового блока нерегулируемого РДТТ, содержащий вкладыш из графита МПГ - 7 поз. 1 и вкладыши из углепластика ТЗУ-2-ПТУ-2А поз. 2. Вкладыш из графита МПГ - 7, установленный на участке критического сечения сопла и вкладыши из углепластика ТЗУ-2-ПТУ-2А, установленные на дозвуковом и сверхзвуковом участке, в процессе работы РДТТ под воздействием потока продуктов сгорания топлива должны сохранять начальную геометрическую форму газового тракта.
2 На фигуре 2 представлены чертеж трех вариантов уровней давления газов в камере сгорания нерегулируемых РДТТ:
- вариант 1 (поз. 3) - постоянная тяга, постоянный (или близкие к постоянному) уровень давления газов в камере сгорания и постоянная поверхность горения топлива;
- вариант 2 (поз. 4) - прогрессивная тяга, прогрессивный уровень давления газов в камере сгорания и прогрессивная поверхность горения топлива;
- вариант 3 (поз. 5) - регрессивная тяга, регрессивный уровень давления газов в камере сгорания и регрессивная поверхность горения топлива.
Вариант 1 и вариант 2 имеют положительные и отрицательные качества. Желательно реализовать положительные качества вариантов 1 и 2 в одном новом РДТТ, то есть максимально заполнить камеру сгорания массой топлива и обеспечить постоянный уровень давления газов в камере сгорания в процессе работы РДТТ.
3 На фигуре 3 представлен чертеж схемы исполнения активного регулирования кольцевой площади критического сечения РДТТ:
- а) перемещение центрального тела;
- б) перемещение корпуса.
Постоянство давления газов в камере сгорания при прогрессивной поверхности горения топлива обеспечивается перемещением центрального телец закономерно увеличивающего кольцевую площадь критического сечения сопла. Активно регулируемые РДТТ имеют сложную конструкцию, увеличивающую пассивную массу.
4 На фигуре 4 представлен чертеж РДТТ пассивного регулирования, содержащий заряд (топливный блок) поз. 6, сопловой блок поз. 7, вкладыш зоны критического сечения поз. 8 и вкладыш сверхзвуковой зоны поз. 9.
По принципу обеспечения постоянного уровня давления газов в камере сгорания при прогрессивной поверхности горения топливного блока РДТТ пассивного регулирования является аналогом РДТТ активного регулирования. Если постоянство давления в камере при активном регулировании выполняется увеличением кольцевой площади критического сечения перемещением центрального тела, то при пассивном регулировании выполняется приращением (увеличением) площади критического сечения за счет закономерного планируемого уноса массы материала с поверхности вкладыша под воздействием теплового потока продуктов сгорания топлива.
РДТТ пассивного регулирования, как и нерегулируемый РДТТ, отличается простотой конструкции. По технологии изготовления и по стоимости равнозначны.
5 На фигуре 5 представлен сопловой блок с вкладышем из УСП-1-1 после огневых стендовых испытаний на РДТТ. Газовый тракт соплового блока имеет плавную геометрию, что способствует понижению потерь суммарного импульса.
у
к
6 На фигуре 6 представлена закономерность уноса с поверхности вкладыша из УСП-1-1. Функциональная зависимость скорости уноса V от давления в камере Римеет линейный характер, что является ценным качеством для расчетов внутренних баллистических характеристик.
7 На фигуре 7 представлен сопловой блок с вкладышами из УККМ-1-2 после огневых стендовых испытаний на РДТТ. Один вкладыш установлен на участке критического сечения сопла и второй на входе сверхзвукового участка.
y
к
8 На фигуре 8 представлена закономерность уноса с поверхности вкладыша из УККМ-1-2. Функциональная зависимость скорости уноса V от давления в камере Римеет линейный характер.