ЗАРЯД СМЕСЕВОГО ТВЕРДОГО РАКЕТНОГО ТОПЛИВА
CHARGE OF COMPOSITE SOLID PROPELLANT

Изобретение относится к энергетическим установкам на твердом ракетном топливе (ЭУТТ), в частности к структуре смесевых твердотопливных зарядов (энергетических конденсированных систем - ЭКС), и может быть использовано в управляемых ЭУТТ с непрерывно регулируемыми выходными параметрами.
Известна конструкция баллиститных зарядов ЭКС, армированных металлической сеткой, изготавливаемых методом рулонирования (намоткой) из порохового полотна толщиной 2-6 мм и металлической сетки с последующей склейкой изделия для получения требуемых физико-механических свойств [Фиошина М.А. Основы химии и технологии порохов и твердых ракетных топлив: Учеб. пособие. / Фиошина М.А., Русин Д.Л. - М.: РХТУ им. Д.И.Менделеева, 2004. - 264 с.].
Недостатками таких зарядов при повышении общей механической прочности являются пониженные энергомассовые характеристики баллиститных ЭКС. Кроме этого армирование одиночной металлической сеткой не позволяет пропускать через поверхность горения топлива электрический ток и управлять скоростью горения заряда в процессе работы ЭУТТ.
Наиболее близкими по технической сущности к предлагаемому изобретению являются заряды смесевого твердого ракетного топлива (ТРТ) с горением по внутреннему каналу со встроенной поперечной или продольной электродной системой из металлической фольги или сетки, адгезионно скрепленной с топливной массой в объеме заряда, для реализации способа управления скоростью горения ЭКС в ЭУТТ (патент RU №2175399).
Недостатком таких зарядов смесевого ТРТ с поперечной и продольной электродными системами является повышенное результирующее электрическое сопротивление поверхности горения твердотопливного заряда, так как они имеют неразвитую (малую) поверхность электрического контакта с реакционной зоной конденсированной фазы топлива. Это требует увеличения количества электродов в топливной массе либо применения мощных высоковольтных источников напряжения с целью непрерывного регулирования в необходимом диапазоне расходных или тяговых характеристик ЭУТТ. В процессе работы ЭУТТ заряд ТРТ находится под действием внутрикамерного давления газовой фазы продуктов сгорания в напряженно-деформированном состоянии. При этом простое увеличение количества электродов по схемам с продольной или поперечной сегментацией заряда приводит к ухудшению его энергетических характеристик (возрастанию металлизации топлива и нарушению кислородного баланса) и принципиально важной потере механической прочности с возможностью разрушения таких зарядов в процессе работы ЭУТТ. Применение в системе управления ЭУТТ высоких напряжений также нежелательно с точки зрения снижения надежности ее работы в сложных условиях эксплуатации.
Задачей изобретения является создание конструкции заряда смесевого твердого ракетного топлива со встроенной металлической электродной системой:
- без изменения оптимального (стехиометрического) массового соотношения между горючими и окислительными компонентами топлива, влияющего на энергетику топлива и в результате удельный импульс ЭУТТ;
- обладающего требуемыми физико-механическими свойствами: высокой механической прочностью на разрыв, сжатие, устойчивостью к образованию трещин в условиях действующих на ЭУТТ вибраций, перегрузок и пульсаций давления в камере сгорания;
- с электродной системой, имеющей развитую поверхностью контакта с реакционной зоной, позволяющей применять низковольтный источник тока в системе регулирования скорости горения ЭКС.
При этом технический результат заключается в достижении требуемых физико-механических свойств заряда и минимального результирующего сопротивления поверхности горения без изменения оптимального (стехиометрического) массового соотношения компонентов.
Технический результат достигается в заряде смесевого твердого ракетного топлива со встроенной металлической электродной системой, образованной из листов металлической фольги, в котором в отличие от наиболее близкого аналога электродная система выполнена из множества спиралевидно расположенных листов фольги, покрытых слоем полимеризованной топливной массы и используемых в качестве горючего компонента топлива. Покрытые слоем полимеризованной топливной массы спиралевидно расположенные листы фольги образуют моноблочную многослойную конструкцию цилиндрической формы с горением по внутреннему каналу и торцевой поверхности, а толщина слоя полимеризованной топливной массы и толщина фольги выбраны из условия достижения стехиометрического баланса между компонентами топлива.
Заряд смесевого ТРТ может быть выполнен с горением по различным поверхностям, например с горением по торцевой поверхности или по внутреннему каналу. На фиг.1 представлено конструктивное исполнение заряда смесевого твердого ракетного топлива с горением по внутреннему каналу и торцевой поверхности, который подключен к внешней системе регулирования внутрикамерных процессов ЭУТТ. На фиг.2 представлен вид заряда в поперечном сечении плоскостью относительно его продольной оси (фиг.1, сечение "А-А").
Структура заряда смесевого ТРТ состоит из множества отдельных листов металлической фольги 1, каждый из которых покрыт слоем неметаллизированной топливной массы 2, и спирально рулонированных с образованием внутреннего канала 3 и открытой торцевой поверхности 4 в моноблочную многослойную конструкцию цилиндрической формы, забронированную теплозащитным покрытием 5 по не горящим поверхностям. Металлические листы фольги 1 образуют в заряде электродную систему и имеют проволочные выводы 6 из камеры сгорания 7 для подключения к внешней системе управления 8 внутрикамерными процессами ЭУТТ.
Торцы листов фольги 1 с топливными слоями 2 образуют периметр внутреннего канала горения заряда. Поэтому количество листов электродов в смесевом заряде, покрытых слоем адгезионно скрепленной топливной массы, определяется требованием соблюдения кислородного баланса и параметрами уравнения спиралей.
Толщина топливного межэлектродного слоя 2 и толщина фольги выбраны из условия достижения стехиометрического кислородного баланса между компонентами в ЭКС, так же как если металлическая фольга была равномерно распределена по всему объему заряда в виде порошка. То есть металлическая фольга в смесевом заряде выступает в качестве энергодобавки и имеет расчетное массовое содержание.
Данная структура моноблочного заряда, состоящего из множества спирально расположенных металлических листов фольги, покрытых слоем топливной массы ЭКС расчетной толщины, изготавливается новыми, отличными от известных технологическими методами.
Процесс горения заряда происходит по внутреннему незабронированному каналу 3 и торцевой поверхности 4 в камере сгорания 7 управляемой ЭУТТ. В зависимости от задающего воздействия X(t) блок управления скоростью горения ЭКС 8, входящий в систему управления ЭУТТ, изменяет скорость горения (вектор - u) смесевого заряда ТРТ и, соответственно, расходные и тяговые характеристики ЭУТТ по требуемому закону. В условиях работы ЭУТТ заряд смесевого ТРТ сохраняет свою структуру и работоспособность в соответствии с заявленными свойствами до полного выгорания, находясь под давлением газовой фазы продуктов сгорания, перегрузок, вибраций и различных других внутренних и внешних возмущений.
В моноблочной спиральной структуре смесевого заряда множество отдельных, адгезионно связанных с топливной массой листов металлической фольги выполняют многофункциональную роль:
- являются энергетической добавкой в ЭКС, т.е. точно дозированным горючим компонентом в рецептуре топлива для повышения температуры продуктов сгорания и, соответственно, удельного импульса ЭУТТ;
- обеспечивают прохождение электрического тока через электропроводную поверхность горения (реакционную зону) заряда, воздействующего на скорость горения топлива в текущих термодинамических условиях;
- образуют развитую поверхность электрического контакта с реакционной зоной ЭКС за счет спиралевидного расположения электродов, выходящих на поверхность горения топлива, и в результате минимизируют полное электрическое сопротивление реакционной зоны заряда;
- обеспечивают заряду максимальную механическую прочность при сохранении стехиометрического химического состава топлива по сравнению с прототипом (патент RU №2175399).