СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КОРПУСА ВОСПЛАМЕНИТЕЛЯ ЗАРЯДА РАКЕТНОГО ДВИГАТЕЛЯ ИЗ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ И ЕГО КОНСТРУКЦИЯ
FABRICATION OF ROCKET ENGINE CHARGE IGNITER BODY FROM COMPOSITES AND ITS STRUCTURE

Изобретение относится к области ракетной твердотопливной техники и может быть использовано в конструкциях узлов воспламенения зарядов в качестве корпуса воспламенителя, расположенного в камере сгорания двигателя, а также применено (как способ) при изготовлении других конструктивно сложных малогабаритных изделий из волокнистых композиционных материалов, представляющих собой сочетание разнотипных конструктивных элементов, в виде обечайки с плоским донышком с одной стороны и свободным торцом с внутренней резьбой, закрытым съемным колпачком, с другой.
Известен способ изготовления оболочки по патенту №2174467 и ее конструкция, включающий поэлементное изготовление ее составных частей в виде шпангоутов и стрингеров в формах и на оправке с определенным расположением направления выкладки с последующей установкой изготовленных элементов на клей в местах соединения при включении их в оболочку. То есть данное изобретение касается конструкций оболочечно-каркасного типа, сохраняющих стабильность размеров в меняющемся температурном поле при значительных осевых нагрузках, например корпусов телескопов.
Но такая технология и конструктивное решение касаются только оболочек и не могут быть использованы для изделий, работающих при внутреннем давлении.
Известны способы изготовления и конструкции корпусов сосудов давления из композиционных материалов по патентам на изобретения №№2319061, 2441798, заключающиеся в намотке композиционного материала на оправку с различным чередованием характера и количества слоев нитяного армирующего материала.
Эти способы позволяют эффективно использовать в конструкции физико-механические характеристики материалов. Но они применимы при изготовлении относительно больших корпусов как сосудов давления типа тел вращения с плавными переходами поверхностей.
Известны также способы изготовления изделий намоткой ткани на цилиндрическую оправку и поперечно-продольной намоткой ленты на цилиндрическую оправку с переходом на коническую часть ее (И.Х. Фахрутдинов, А.В. Котельников. «Конструкция и проектирование ракетных двигателей твердого топлива». М.: Машиностроение, 1987, с. 106-108).
Но форма получаемых изделий ограничивается только данным видом поверхности без оформления каких-либо других элементов оболочек с резкими переходами - плоских донышек, резьб и др.
Известно также устройство по патенту на изобретение №2127821, представляющее собой один из вариантов конструкции неразрушаемого корпуса воспламенителя из металла и, соответственно, выполняемое известными способами переработки металлов.
Оно представляет собой собственно корпус с цилиндрической камерой для размещения воспламенительного состава с плоским донышком с одной стороны и насадком с сопловыми отверстиями - с другой.
Данное устройство является наиболее близким по конструкции и выбрано прототипом. Но оно обладает всеми недостатками устройств, выполненных из металла и применяемых в рассматриваемой области техники: сложность конструкции, значительная масса, сложность и трудоемкость способа изготовления ее - обработка прочных и жаростойких металлов резанием с обеспечением высокой точности.
Задачей предлагаемого изобретения является создание простого и технологичного способа изготовления корпуса воспламенителя из композиционных материалов с его разнотипными элементами за единый цикл и легкой, простой и компактной его конструкции, удобной для использования по месту применения.
Существенными признаками способа, обеспечивающими достижение этой цели, являются:
- в части простоты и технологичности общего его выполнения ведение процесса изготовления всех разнотипных элементов оболочки в целом из разложенного на подогреваемую поверхность расчетного для каждого последовательно выполняемого технологического передела количества препрега легко деформируемой ткани с расположением армирующих волокон под углом закаткой на оправку с уплотнением необходимым числом циклов повторения ее до расчетного диаметра оболочки, а подогреваемая поверхность имеет рельеф, соответствующий перепадам диаметров оправки на длине, равной длине препрега ткани при выполнении данного технологического передела;
- в части оформления отдельных важных элементов оболочки ведение процесса формирования резьбы оболочки продавливанием технологической нитью расчетного для этой операции количества слоев ткани в канавки резьбы оправки с распространением на цилиндрическую часть ее и оформления донышка - продавливанием этой же ткани в зазор между предварительно установленной закладной деталью с торцовой плоской поверхностью и оформляющей втулкой оправки, определяющей общую толщину донышка, прочным гибким элементом путем создания равномерного кольцевого давления с последующим удалением гибкого элемента в процессе фиксирования достигнутого положения ткани технологической нитью или сохранением гибкого элемента в конструкции, причем продавливание ткани нитью в течение всего процесса осуществляют при сохранении первоначально выбранного натяжения.
Другими существенными признаками способа изготовления в развитие первых являются:
- размягчение перед оформлением резьбы и донышка препрега ткани в этих зонах на оправке растворителем, совместимым со связующим препрега;
- заполнение конструкционной нитью канавок резьбы и донышка до наружного диаметра их после продавливания ткани технологической нитью;
- выравнивание перед оформлением теплозащитного покрытия на всей длине оболочки перепадов диаметров предыдущих сформированных слоев путем дополнительной закатки ткани в этих зонах.
Существенным признаком конструкции корпуса воспламенителя в части обеспечения легкости, простоты и компактности его и удобства применения является выполнение внутренней части цилиндрической оболочки из расчетного, конструктивно объединяющего резьбу и донышко, числа слоев препрега легко деформируемой ткани с расположением армирующих волокон под углом с включением в состав внутренней резьбы кольцевых слоев формирующей ее профиль нити с распространением ее на цилиндрическую часть и донышко, оформленное закладной деталью с плоским торцом со стороны внутреннего объема и резьбовым хвостовиком с наружной стороны.
Другими существенными признаками конструкции являются:
- введение в конструкцию кольцевых слоев нити до полного заполнения ими канавок резьбы и донышка;
- выполнение теплозащитного покрытия также из препрега легко деформируемой ткани с частичным внедрением его в канавки резьбы и донышко в пределах деформации ранее выполненных кольцевых слоев нити.
Предлагаемый способ изготовления корпуса воспламенителя и его конструкция поясняются чертежами.
На фиг. 1 представлена схема осуществления предложенного способа (общий вид); на фиг. 2 - схема закатки препрега ткани (сечение А-А на фиг. 1) при выполнении различных групп слоев оболочки; на фиг. 3 представлена схема пооперационного выполнения оболочки, включая внутреннюю часть с резьбой и донышком; на фиг. 4 - схема утяжки слоев внутренней части оболочки при оформлении донышка (сечение Б-Б на фиг. 3); на фиг. 5 представлена конструкция изделия.
Сущность предложенного способа заключается в следующем.
Перед проведением процесса изготовления производится сборка оправки 1 (фиг. 1) с внутренним стержнем 2, оформляющей втулкой 3 со стяжным болтом 4 и ограничительными фланцами 5.
При сборке в комплект оправки устанавливается закладная деталь 6 с резьбовым хвостовиком, входящая впоследствии в состав донышка оболочки. После установки закладная деталь 6 вместе с оформляющей втулкой 3 фиксируется стяжным болтом 4.
Параллельно со сборкой оправки или в любой другой последовательности, определенной технологическим процессом, производится раскрой препрега ткани 7 (фиг. 2) с требующимися для изготовления оболочки размерами и расположением армирующих волокон под углом и его укладка на подогреваемую поверхность 8 (фиг. 1, 2) для размягчения перед закаткой на оправку в количестве, необходимом для выполнения каждой проводимой операции.
Изготовление оболочки 9 начинается с оформления ее внутренней части 10, включая резьбу 11 (фиг. 1, 3) и плоское донышко 12 в совокупности с закладной деталью 6. Сначала для оформления внутренней части ее производится укладка первой расчетной группы слоев препрега на подогреваемую поверхность 8 (фиг. 1, 2), рельеф которой в данном случае соответствует перепаду диаметров оправки в начале закатки с постепенным уменьшением его до выравнивания с максимальным диаметром - диаметром резьбы. А после размягчения препрега производится закатка его на оправку 1 (фиг. 1, 2) с уплотнением необходимым числом циклов повторения ее на этой подогреваемой поверхности 8.
Оформление внутренней резьбы 11 (фиг. 1, 3) и донышка 12 осуществляется путем продавливания прочной технологической нитью 13 первой расчетной группы слоев препрега, закатанной на оправку, в канавки резьбы 11 с распространением ее на цилиндрическую часть оправки 1 и в зазор между предварительно установленной на оправку закладной деталью 6 и оформляющей втулкой 3 оснастки (фиг. 1, 3). При этом перед оформлением резьбы и донышка производят размягчение препрега ткани в этих зонах растворителем, совместимым со связующим препрега, а продавливание ткани при оформлении донышка предварительно производят путем создания равномерного кольцевого давления прочным гибким элементом 14 (фиг. 4) в виде петли с приложением растягивающих усилий к его концам с последующим удалением гибкого элемента в процессе фиксирования достигнутого положения ткани технологической нитью 13 или сохранением его в конструкции при совместимости материалов.
Кроме того, продавливание и фиксирование ткани технологической нитью в течение всего процесса осуществляют при сохранении первоначально выбранного натяжения.
После этого производят заполнение канавок резьбы и зазора в зоне донышка конструкционной нитью 15 до наружного диаметра этих элементов.
Затем производят выравнивание перепадов диаметров (слои 16 на фиг. 3) теперь уже полученной заготовки до максимального (в зоне резьбы) и формирование также закаткой теплозащитного покрытия 17 (фиг. 3) на всей поверхности оболочки.
При проведении всех операций закатки препрега ткани ограничительные фланцы 5 (фиг. 1, 3) обеспечивают ориентацию оправки относительно подогреваемой поверхности 8.
А в завершение процесса производится обмотка полученной заготовки термоусадочным материалом и термообработка заготовки. При этом происходит частичное внедрение ткани в канавки резьбы и донышко в пределах деформации ранее заполненных кольцевых слоев нити.
Конструкция изделия сложной формы - корпуса воспламенителя - состоит из цилиндрической оболочки 9 (фиг. 5) с наружным теплозащитным покрытием 17 и плоским донышком 12 с одной стороны и свободным торцом с внутренней резьбой 11, закрытым съемным колпачком 18, с другой, образующими в совокупности внутренний объем для размещения заряда с элементами его воспламенения.
Внутренняя часть 10 оболочки 9 (фиг. 5) выполнена из расчетного, конструктивно объединяющего резьбу и донышко, числа слоев препрега легко деформируемой ткани с расположением армирующих волокон под углом.
Оболочка имеет в составе внутренней резьбы 11 кольцевые слои формирующей ее профиль технологической нити 13, которая распространена на цилиндрическую часть оболочки и включена также в состав донышка с предварительно установленной в него закладной деталью 6 с резьбовым хвостовиком.
Поверх технологической нити 13 в канавки резьбы 11 и донышко 12 введены кольцевые слои конструкционной нити 15 с распространением ее также на цилиндрическую поверхность.
В окончательном виде после обжатия термоусадочным материалом при термообработке слои препрега ткани из теплозащитного покрытия будут частично внедрены в канавки резьбы и донышко в пределах деформации кольцевых слоев нити.
Таким образом, предложенный способ позволяет получить конструкцию в соответствии с функциональным назначением и рациональным конструктивно-технологическим выполнением ее, а сама конструкция также является рациональной с большой степенью унификации применяемых материалов и технологических процессов при ее изготовлении.
2
С использованием предложенного способа было изготовлено несколько экземпляров опытных образцов конструкции корпуса воспламенителя. Гидравлическими испытаниями была подтверждена их прочность при давлении до 180 кгс/см, а стендовыми испытаниями в составе двигателя - их работоспособность в условиях давления и эрозионного уноса от воздействия высокотемпературного газового потока.