Вкладыш соплового блока РДТТ из углестеклопластика с регулируемой эрозионной стойкостью
CARBON FIBREGLASS INSERT OF THE NOZZLE UNIT OF A SOLID ROCKET ENGINE WITH ADJUSTABLE EROSION RESISTANCE

Изобретение относится к ракетным двигателям твердого топлива (РДТТ) и может быть использовано в сопловом блоке РДТТ пассивного регулирования тяги 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 и применения ракетных топлив с температурой горения более 4000 K относительно существующих РДТТ.
При закономерности процесса абляции изменение площади критического сечения вкладыша можно оценить расчетом. Математическую модель расчета ВБХ РДТТ с учетом абляции (нормированного уноса массы) материала с поверхности вкладыша изложил A.M. Виницкий [1] и в своей научной работе [2] дал определения двигателю с нормированным уносом массы материала вкладыша соплового блока - РДТТ пассивного регулирования тяги.
A.M. Виницкий подвергал испытаниям на РДТТ вкладыши из материалов отечественной промышленности, в которых отсутствует механизм регулирования эрозионной стойкости, то есть на каждом испытанном вкладыше можно реализовать определенное номинальное приращение площади критического сечения для данного двигателя, а увеличить или уменьшить эрозионную стойкость (регулировать) эти материалы не позволяют.
Известны вкладыши из мелкозернистого графита МПГ-7, углерод-углеродного материала КИМФ и полимерных материалов, содержащих кремнеземные ткани, типа ИСК отечественного производства, перспективные углерод-углеродные композиционные материалы, исследованные в США J.G. Baetz [3] для вкладышей сопла РДТТ.
Недостатком графитов, углерод-углеродных и полимерных материалов является отсутствие механизма регулирования эрозионной стойкости, то есть исключена возможность получения искомого результата.
Известен патент США №3309874 от 1967 года 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 автора Bert В. Gould [4]. 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. Автор 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 практически 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 и как это влияет на энергетику РДТТ. Кроме этого для современных РДТТ, в которых продукты сгорания топлива имеют температуру более 3300 K, предложенные материалы неэффективные.
Известен патент Российской Федерации RU 2104405 С1 от 10.02.1998 года авторов Макаровец Н.А., Денежкин Г.А., Семилет В.В., Петуркин Д.М., Бабинцев А.И., Бурдыкин Н.Н. и другие на ракетный двигатель твердого топлива для ракетного снаряда, способ изготовления для соплового блока ракетного двигателя вкладышей из полимерных композиционных материалов, пресс-форма для изготовления из полимерных композиционных материалов вкладышей соплового блока ракетного двигателя. Примем его за прототип.
Конструкция ракетного двигателя представлена на фигуре 1.
Реактивный двигатель содержит корпус поз. 1, сопловой блок поз. 2, каркасы поз. 3 и поз. 4 входного и выходного корпусов, вкладышей поз. 5 и поз. 6 из полимерного композиционного материала на основе кремнеземного стекловолокна и фенольно-полиамидного связующего, клей поз. 7, смесевое твердое топливо поз. 8 и днище поз. 9. Изготовление вкладышей поз. 5 и поз.6 осуществляется в пресс-форме.
«Целью изобретения является повышение надежности функционирования РД за счет исполнения вкладышей из композиционного материала со специальными свойствами, рационального способа и оптимизации режимов переработки материалов в пресс-форме, обеспечивающих сохранность физико-механических свойств исходного материала в готовом изделии.
2
Цель достигается за счет того, что в предлагаемом РД на СТТ, содержащем корпус, днище и сопловой блок, внутренняя поверхность которого армирована теплозащитными вкладышами, сами вкладыши входного и выходного конусов СБ выполнены из полимерного композиционного материала на основе кремнеземного стекловолокна и фенольно-полиамидного связующего с модулем упругости 12000-15000 кгс/см, при этом композиционный материал выполнен со скоростью эрозионного уноса, составляющий 1,8-2,8 мм/с, а вкладыши размещены в каркасах входного и выходного конусов без зазора, причем толщина стенки вкладыша определяется по формуле:
где S - толщина стенки вкладыша, мм;
k - эмпирический коэффициент запаса прочности, равный 3-8;
V - скорость эрозионного уноса материала вкладыша, мм/с;
t - время горения топлива в двигателе, с.»
Предложение автором как направление по созданию новых образцов реактивных снарядов представляет интерес, но анализ патента и опыт конструкторской отработки образцов РДТТ показывает следующее:
- вкладыши из стекловолокна и полимерного связующего из-за «пучков» стекловолокна имеют разную плотность в объеме вкладыша, что приводит к образованию на поверхности вкладышей под воздействием потока продуктов сгорания местных вымывов (неровностей), что влечет к газодинамическим потерям - потерям импульса тяги РДТТ;
- эрозионный унос зависит от давления в камере сгорания и температуры продуктов сгорания смесевого ракетного твердого топлива, так что унос, составляющий (1,8-2,8) мм/с является частным случаем;
2
- при уносе массы материала с поверхности вкладыша под воздействием потока продуктов сгорания топлива важна плотность материала, а не модуль упругости (12000-15000) кгс/см;
- при эрозионном уносе (1,8-2,8) мм/с возрастает площадь критического сечения сопла и падает давление в камере сгорания, понижается импульс тяги РДТТ, если неправильно спроектирована поверхность горения топливного заряда;
- авторами не приведена закономерность эрозионного уноса массы слоя материала в единицу времени;
- разброс эрозионной стойкости от 1,8 до 2,8 мм/с ведет к большому разбросу тяги РДТТ, следовательно, к разбросу по дальности стрельбы;
- пресс-форма уникальна, трудоемка в изготовлении, технология изготовления вкладышей требует технологической отработки, аттестации и периодического контроля;
- полимерный композиционный материал на основе кремнеземного стекловолокна и фенольно-полиамидного связующего не содержит механизм регулирования эрозионной стойкости, что не позволяет проектировать оптимальные внутренние баллистические характеристики РДТТ.
Необходимость создания вкладышей из материалов с регулируемой эрозионной стойкостью очевидна при анализе результатов огневых стендовых испытаний РДТТ пассивного регулирования тяги и существующих РДТТ.
На вкладышах из углеродных и полимерных материалов, установленных в сопловом блоке РДТТ, под воздействием плотного потока продуктов сгорания твердого топлива за счет уноса массы материала с обтекаемой поверхности происходит приращение площади проходного канала (например, в критическом сечении) относительно начальной площади. Приращение площади канала у вкладышей в процессе работы РДТТ является следствием многих факторов: температура горения смесевого твердого топлива, содержание в топливе алюминиевого порошка или другой энергетической добавки, давление в камере сгорания, природа материала вкладыша и его плотность, физико-химические процессы, протекающие в теле вкладыша и другие факторы.
Например, при огневых стендовых испытаниях вкладышей из мелкозернистого графита МПГ-7 с начальным диаметром 64 мм в сопловом K, реализуются приращения площади канала 20%. На этом же РДТТ при испытании вкладышей из углерод-углеродного материала КИМФ с начальным диаметром 64 мм реализуются приращения площади 35%. При огневых стендовых испытаниях вкладышей из мелкозернистого графита МПГ-7 с начальным диаметром 64,3 мм в сопловом блоке РДТТ, работающем на смесевом топливе ПД-17/18 с температурой горения 3240 K, реализуются приращения площади 8,5%.
Для создания РДТТ пассивного регулирования с прогрессивной тягой, позволяющего повысить энергетические возможности и обеспечить оптимальные ВБХ относительно существующих РДТТ, требуется материал, обеспечивающий на вкладышах большее приращение площади от 50 до 100%, а такие вкладыши из углеродных и полимерных материалов не изготавливаются промышленностью.
Технический результат предлагаемого изобретения заключается в расширении функциональных возможностей вкладыша за счет материала с регулируемой планируемой эрозионной стойкостью.
Требуемый технический результат достигается созданием вкладыша из полимерного материала, в котором последовательно чередуются слои из кремнеземных и углеродных тканей, или ткани совместного плетения из углеродных и кремнеземных нитей. Например, слои из кремнеземных и углеродных тканей можно чередовать:
- один слой углеродной ткани и один слой кремнеземной ткани - У СП-1-1;
- один слой углеродной ткани и два слоя кремнеземной ткани - УСП-1-2;
- два слоя углеродной ткани и три слоя кремнеземной ткани - УСП-1-3;
- и другие сочетания слоев для планирования требуемой расчетной эрозионной стойкости вкладыша соплового блока РДТТ.
Диапазон регулирования эрозионной стойкости вкладышей из углестеклопластика составляет от эрозионной стойкости вкладышей из кремнеземного стеклопластика до эрозионной стойкости вкладышей из углепластика. Например, на РДТТ, работающим на смесевом твердом топливе ПД-17/18 с температурой горения 3240 K при среднем давлении в камере сгорания 8,58 МПа на вкладыше из углепластика П-5-13 реализована средняя скорость эрозии 0,48 мм/с. На этом же РДТТ при среднем давлении в камере сгорания 7,02 МПа на вкладыше из кремнеземного стеклопластика ПСК реализована средняя скорость эрозии 0,92 мм/с.
Диапазон эрозионной стойкости углестеклопластика от 0,48 до 0,92 мм/с достаточен для получения оптимальных баллистических характеристик РДТТ пассивного регулирования.
Повышение температуры горения топлива до 4000 K ведет к повышению уноса слоя материала вкладыша в единицу времени.
Изменение соотношения долей углеродных и кремнеземных тканей или углеродных и кремнеземных нитей позволяет получать вкладыши различной эрозионной стойкости. Увеличение доли углеродных тканей или углеродных нитей повышает эрозионную стойкость вкладыша и соответственно уменьшение их доли способствует понижению эрозионной стойкости.
Ценным качеством кремнеземных тканей (нитей), содержащих оксид кремния, является их свойство под воздействием потока высокотемпературных продуктов сгорания топлива образовывать жидкую фазу, производить химическое взаимодействие оксида кремния с углеродом и образовывать газообразную фазу. Это качество способствует процессу равномерного уноса материала по всей поверхности вкладыша при работе РДТТ.
Изготовление заготовки углестеклопластика (УСП) производится по технологии прямого прессования плит. Ткани предварительно пропитываются связующим и укладываются в пакет с последовательным чередованием слоев из кремнеземных и углеродных тканей в определенном долевом соотношении. Давление прессования плит обеспечивает минимальную пористость, максимальную плотность и прочность. Вкладыши (детали) вырезаются из готовой плиты механической обработкой.
Перпендикулярное положение кремнеземных и углеродных нитей во вкладышах относительно плотного потока продуктов сгорания топлива в сопловом блоке РДТТ обеспечивает закономерную эрозионную стойкость композиции УСП и способствует равномерному уносу материала по всей поверхности вкладыша.
Технологический процесс изготовления углепластика УСП-1-1 включает следующие основные операции:
- входной контроль исходных материалов;
- приготовление связующего ФН марки А и сушка тканей УУТ-2 и КТ-11-ТО;
- пропитка тканей связующего ФН марки А (изготовление полуфабрикатов);
- раскрой полуфабриката;
- изготовление пакета из пропитанных тканей с чередованием слоев углеродной ткани УУТ-2 и кремнеземной ткани КТ-11-ТО с поворотом каждого последующего слоя на 90°;
- укладка пакета в пресс-форму;
- прессование плит, отверждение по режиму и распрессовка;
- запись режима отверждения на кардиограмме;
- механическая обработка плит и изготовление образцов из прибыли;
- контроль качества плиты;
- ведение технологического паспорта с записями операционного контроля.
При изготовлении углепластика УСП-1-1 необходимо соблюдение следующих основных параметров технологического процесса:
- перед пропиткой связующим ФН марки А углеродная ткань УУТ-2 и кремнеземная ткань КТ-11ТО должна содержать не более 1,5% влаги после сушки 200°С;
- перед укладкой в пакет углеродная ткань УУТ-2 должна содержать (35-50) % связующего ФН марки А, кремнеземная ткань КТ-11-ТО - (30-38) % и летучих веществ не более (4-12) %;
- при укладке в пакет каждую пластину поворачивать на угол 90° относительно основы или утка ткани;
- пакеты набирать из условия обеспечения в готовых отпрессованных плитах размеров в плоскости (770×550) мм и толщиной (70±5) мм;
- расчетное усилие прессования определять из условия обеспечения удельного давления на уровне (20-30) МПа;
- скорость нагрева при прессовании должна составлять не более 40 градусов в минуту.
Режим прессования требуется проводить в следующей последовательности:
- подъем температуры до (80±5)°С;
- при достижении температуры (80±5)°С усилие прессования поднять до уровня (10-50)% от расчетного;
- подъем температуры до (100±5)°С;
- в интервале температур (80 - 100)°С произвести (2-3) подпрессовки;
- при температуре (100±5)°С усилие прессования довести до расчетного уровня;
- подъем температуры до (155±5)°С;
- выдержка при температуре (155±5)°С на время из расчета (10-15) минут на один миллиметр толщины;
- охлаждение со скоростью не более 0,5°С в минуту под давлением.
При контроле каждой готовой заготовки (плиты) УСП-1-1 качество оценивается в соответствии техническими условиями на монолитность материала ультразвуковым методом, внешним осмотром текстуры плиты и на образцах, изготовленных из припуска плиты, проверяется массовая плотность, прочность на сжатие, степень отверждения и массовая доля связующего ФН марки А.
По результатам ультразвукового контроля дефекты: расслоение, вспучивание, трещины, посторонние включения не допускаются.
При внешнем осмотре допускаются осмоление, следы соединения тканей, участки матовой поверхности и не допускаются складки ткани, поры, раковины.
На последовательно изготовленных 29 заготовках по отработанной технологии фактически получены следующие предельные результаты:
- по результатам ультразвукового контроля дефектов не обнаружено;
3
3
- массовая плотность, кг 10 кг/м, 54-1,60;
- массовая доля связующего марки ФН, % 29,3-41,9;
- степень отверждения связующего марки ФН, % 4,9-99,8;
- разрушающее напряжение на сжатие, МПа 158,6-199,5.
Композиция материала УСП-1-1 номинально содержит в массовых долях:
- связующее ФН марки А - 35%;
- углеродная ткань УУТ-2 - 31,4%;
- кремнеземная ткань КТ-11-ТО - 33,6%.
Для подтверждения возможности создания вкладышей с регулируемой эрозионной стойкостью изготовлена опытная партия плит (заготовок) из УСП с номинальными размерами шириной 570 мм, длиной 750 мм и толщиной 60 мм, в которых последовательно чередуются слой углеродной ткани УУТ-2С со слоем кремнеземной ткани КТ-11-ТО, пропитанных связующим ФН марки А. Углестеклопластику присвоено обозначение: УСП-1-1.
На РДТТ с прогрессивной тягой вместо вкладыша из графита ПРОГ-2400СА, имеющего конечное приращение площади критического сечения 15%, установили вкладыш из УСП-1-1 и получили приращение - 79%, 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. Внешний вид вкладыша из УСП-1-1 после огневых стендовых испытаний на РДТТ представлен на Фиг. 2.
Толщина унесенного слоя в единицу времени линейно зависит от уровня давления продуктов сгорания в камере РДТТ после переходного периода от момента запуска.
Процесс уноса слоя УСП с поверхности вкладыша имеет закономерный характер, что позволяет планировать приращение площади на вкладышах при проектировании РДТТ пассивного регулирования, обеспечивая оптимальные баллистические характеристики.
Список литературы
1. Виницкий A.M. Ракетные двигатели на твердом топливе. М.: Машиностроение, 1973. 347 с.
2. Виницкий A.M., Волков В.Т., Волковицкий И.Г., Холодилов С.В. М.: Машиностроение, 1980. 232 с.
3. J.G. Baetz Перспективные углерод-углеродные композиционные материалы для сопел ракетных двигателей твердого топлива. США, SAMSO-TR-258. The Aerospace Corporation EL Segundo, Calif, 90245,1974. P. 23.
4. Bert B. Gould, США, патент №3309874. Сопло с абляционной теплозащитой. 1967.