ТВЕРДОТОПЛИВНЫЙ ЗАРЯД ДЛЯ МИКРОДВИГАТЕЛЕЙ
SOLID-FUEL CHARGE FOR MICROENGINES

Изобретение относится к области ракетной техники и может быть использовано при проектировании импульсных твердотопливных управляющих реактивных двигателей.
R
Известна конструкция малогабаритного импульсного двигателя закрутки ракетного снаряда (И.М. Гладков, B.C. Мухамедов, Е.Л.Валуев и др. Экспериментальные методы определения параметров двигателей специального назначения. - М.: НТЦ «Информатика», 1993 г., стр. 32, рис. 11) и патент РФ №2382222 на изобретение «Импульсный микродвигатель с твердотопливной канальной цилиндрической шашкой». Существенными недостатками данных конструкций являются значительная масса топлива и время работы двигателя. Эти конструкции обеспечивают импульс тяги J>2 кгс·с (20 Н·c) при массе шашки m>10 г.
Ближайший аналог патентуемого заряда для микродвигателей не обнаружен.
Задачей изобретения является повышение точности управляющих воздействий за счет их локализации во времени путем создания твердотопливного заряда для импульсных управляющих реактивных микродвигателей на основе специальных смесей, обладающих сверхвысокой скоростью горения (0,10…0,20 м/с) без перехода в детонацию.
Поставленная задача решается, а указанный технический результат достигается формулой изобретения, согласно которой, твердотопливный заряд для микродвигателей представляет собой шашку твердого топлива со скоростью горения в пределах 0,10-0,20 м/с при давлениях 3,04-6,08 МПа на основе инициирующего взрывчатого вещества (ИВВ) или быстрогорящей пиротехнической смеси (ПТС), имеющую форму цилиндра с плоскими торцами, перпендикулярными образующей цилиндра, с бронепокрытием на боковой поверхности цилиндра и одном из торцов, на открытой ее поверхности размещен электровоспламенитель, при этом шашка твердого топлива на основе ИВВ сформирована из состава, содержащего 75-95% стифната свинца или калия, 0-10% перхлората аммония, 5-15 полимерного связующего, а шашка твердого топлива на основе ПТС сформирована из состава, содержащего перхлорат калия, красную кровяную соль и полимерное связующее.
Сущность изобретения поясняется чертежом, где
1 - электровоспламенитель;
2 - корпус заряда твердого топлива;
3 - быстрогорящее твердое топливо.
Твердотопливный заряд для микродвигателей представляет собой шашку твердого топлива со скоростью горения в пределах 0,10-0,20 м/с при давлениях 3,04-6,08 МПа на основе инициирующего взрывчатого вещества (ИВВ) или быстрогорящей пиротехнической смеси (ПТС), имеющую форму цилиндра с плоскими торцами, перпендикулярными образующей цилиндра, с бронепокрытием на боковой поверхности цилиндрической поверхности и одном из торцов, на открытой поверхности шашки (небронированном торце) размещен электровоспламенитель 1, который соединен с корпусом 2 заряда твердого топлива 3 клеевым швом.
Предлагаемый для патентования твердотопливный заряд для микродвигателей - это цилиндрическая шашка, полученная запрессовкой в металлический или пластмассовый колпачок быстрогорящего топлива необходимой массы в виде механической смеси мелкодисперсных компонентов (полимера с соответствующими технологическими свойствами и активным неорганическим окислителем). Металлический или пластмассовый колпачок является одновременно корпусом 2 и бронепокрытием заряда твердого топлива.
В таблице 1 представлены составы ИВВ для варианта исполнения, когда шашка твердого топлива сформирована из состава, содержащего 75-95% стифната свинца или калия (ИВВ), 0-10% перхлората аммония, 5-15% полимерного связующего.
В таблице 2 представлены составы для варианта исполнения, когда шашка твердого топлива сформирована из быстрогорящей ПТС, содержащей перхлорат калия, красную кровяную соль и полимерное связующее.
Скорости горения данных топлив находятся пределах 0,10-0,20 м/с при рабочих давлениях 3,04-6,08 МПа, что в 5-15 раз выше, чем у стандартных ТРТ или баллиститов. Удельный импульс смесей составляет 80-100 с для топлив со стифнатом свинца и 100-120 с для остальных.
Изменение процентного содержания полимерного связующего в составах приводит к изменению скорости горения, а именно: если содержание полимерного связующего <5%, это приводит к неконтролируемому конвективному горению с возможностью разрушения микродвигателя;
если содержание полимерного связующего >15%, это приводит к задержке воспламенения и последующему самозатуханию горения.
Необходимость применения для поставленных целей быстрогорящих топлив диктуется малым временем работы микродвигателей, необходимым для обеспечения заданного алгоритма коррекции. В то же время продолжительность работы микродвигателя должно быть существенно больше, чем время взрывного горения или выстрела пиропатрона, то есть более 10 мс. Несоблюдение этого условия приведет к недопустимо высокой перегрузке. С другой стороны, применение традиционных твердых топлив потребует либо слишком высоких давлений в камере сгорания, либо сложной тонкосводной формы твердотопливного заряда. И то и другое приводит к росту массы и габаритов микродвигателя.
Другой немаловажный и не всегда очевидный фактор - это критические размеры реакционной зоны твердого топлива, которые обычно обратно пропорциональны скорости горения, а также сильно различаются для твердых топлив различной химической природы. При попытках применить топливо с протяженной реакционной зоной (например, баллиститного пороха) в двигателе малых размеров, сравнимых с размерами реакционных зон при горении (для баллиститного пороха при давлениях 3,04-6,08 МПа этот размер составляет 0,005-0,001 м), возникают неустойчивости процесса горения и истечения газов. Они проявляются в возникновении нестабильной работы микродвигателя и связанных с этим нестабильных основных характеристик, таких как импульс и время работы.
Применение быстрогорящего топлива в топливных зарядах предлагаемой конструкции позволяет избежать этих эффектов, добиваясь предсказуемой и воспроизводимой работы микродвигателей с минимальными разбросами показателей, как по импульсу, так и по времени работы.
Работает предложенный твердотопливный заряд следующим образом.
После подачи электрического тока запуска на электровоспламенитель 1 его нить накала нагревается и поджигает находящуюся с ним в контакте поверхность быстрогорящего топлива 3. Горение быстро распространяется по всей торцевой поверхности заряда со скоростью на порядок большей, чем скорость послойного горения. Начинается послойное сгорание заряда с практически постоянной поверхностью горения до самого конца горения, что обеспечивает постоянное давление и тягу микродвигателя.
Микродвигатели с топливным зарядом данной конструкции планируется использовать для создания крутящего момента или коррекции траектории полета специального малогабаритного объекта.
R
-3
-3
-4
Технический результат заключается в обеспечении кратковременного (10-20 мс) импульса тяги J<0.04 кгс·с (0.4 Н·с) с диаметром 7·10 м и высотой 2,3·10 м при массе заряда 1,8-2,0·10 кг.