ЗАРЯД ТВЕРДОГО ТОПЛИВА РАКЕТНОГО ДВИГАТЕЛЯ

Заряд твердого топлива ракетного двигателя
Полезная модель относится к области ракетной техники, а именно к конструкции канально-щелевого заряда.
Различные конструкции канально-щелевых зарядов широко описаны в литературе, например, в книге авторов Д. И. Абугова, В. М. Бобылева Теория и расчет ракетных двигателей твердого топлива - М.: Машиностроение, 1987. - с. 84-85, Б. В. Орлова, Г. Ю. Мазинга Термодинамические и баллистические основы проектирования ракетных двигателей на твердом топливе - М.: 1968, с. 296.
Описанная конструкция заряда позволяет получить практически любые требуемые диаграммы давление-время (тяга-время) ракетного двигателя, что обеспечивается соответствующим выбором геометрических параметров заряда: числа щелей, длины щелевой части, высоты щелей, длины центрального канала, и другими.
Известна конструкция заряда канально-щелевой формы с расположением щелей в задней (предсопловой) части заряда, описанная в книге авторов И. X. Фахрутдинова, А. В. Котельникова Конструкция и проектирование ракетных двигателей твердого топлива - М.: Машиностроение, 1987, с. 52. Данная конструкция при2000116896
pijiiniOT
МПК 2F02 K9/04
нята за прототип и представлена на фиг.1. Наряду с очевидными преимуществами в части обеспечения требуемых внутрибаллистических характеристик двигателя и возможности их варьирования в широком диапазоне (параметрическая надежность двигателя) конструкция согласно прототипу имеет и существенный недостаток высокую концентрацию деформаций и напряжений в зоне основания щелевых вырезов (место перехода щелей в круглый канал) при действии эксплуатационных нагрузок на изделие, что снижает механическую надежность заряда и двигателя. Последнее вынуждает делать большим диаметр канала заряда и широкие щелевые вырезы, что приводит к снижению коэффициента заполнения двигателя топливом, то есть снижает, в итоге, тяговооруженность двигателя. Задачей полезной модели является снижение концентрации деформаций (напряжений) в зоне основания щелевых вырезов канальнощелевого заряда.
Задача решается за счет того, что в известном заряде ТТрД с осевым цилиндрическим каналом и выполненным на части заряда продольными щелями, длина каждой щели в вершине щелевого выреза больше длины щели в основании на величину, превосходящую половину высоты щели, а число щелей составляет не более 8.
вырезов больше, чем в основании (фиг. 2). За счет этого над концентратором возникает разгружающая полость. Для того, чтобы эффект разгрузки проявлялся в полной мере, глубина полости должна быть не менее половины высоты щелей, так как уровень концентрации деформаций (напряжений) локализуется в нижней по высоте половине зоны основания щелей. При этом разгрузка особенно эффективна, как показали исследования, если число щелей менее восьми, что чаще всего и реализуется на практике.
С другой стороны, увеличение разницы длины щелей в вершине и в основании более чем наполовину высоты нежелательно, так как возникает возможность разрушения зоны основания щелей при работе двигателя под газодинамическими перепадами давления и приводит к выбросам несгоревших остатков топлива через сопло.
Таким образом, оптимальной является глубина разгружающей полости равная половине высоты щели. Эффею-ивность конструкции по предлагаемому техническому решению подтверждена исследованиями напряженно-деформированного состояния канальнощелевых зарядов методами математического моделирования (метод конечных элементов в объемной постановке), физическим моделированием (метод фотоупругости на объемных моделях) и натурными замерами деформаций на канале инертного заряда при действии тепловой нагрузки тензодатчиками.
На фиг. 3 показано распределение безразмерной эквивалентной деформации  (в качестве эквивалентной принята интенсивность деформации , где АГ -температурный перепад, действующий на заряд, Е - модуль упругости топлива, а - коэффициент линейного температурного расширения топлива) для заряда малогабаритного двигателя калибром 260мм, длиной 2000мм, длиной щелевой части 800мм, у которого основание щелевой зоны выполнено по классической схеме - продольный разрез заряда по зоне выступов щелевой части. Эквивалентные деформации в зоне основания щелей имеют эпюру распределения с ярко выраженной зоной концентрации 5,2 единицы. Конструкция по предложенному техническому решению (фиг. 4) не имеет зоны концентрации, а максимальный уровень деформаций 3,1 достигается в глубине щелевой части. Кроме того, новое конструктивное решение (фиг. 4) дает увеличение коэффициента объемного заполнения камеры топливом на 3,5%.
В итоге, предлагаемое техническое решение существенно повышает уровень механической надежности канально-щелевых зарядов, не требует изменения установившейся технологии изготовления заряда, сохраняет свойство канально-щелевых зарядов обеспечивать требуемую диаграмму давление-время (тяга-время) в широких диапазонах.