РДТП

РАКЕТНІ ДВИГУНИ ТВЕРДОГО ПАЛИВА

Конструкція та класифікація РДТП

Перші двигуни на твердому паливі мали досить просту конструкцію і складалися з невеликої кількості елементів (рис. 1.1).

1 2 3 4

Рис. 1.1. Схема ракетного двигуна твердого палива:

1  корпус (це також камера згоряння) двигуна; 2  запалювальний пристрій; 3  заряд твердого палива; 4  сопловий блок

Але поступово, у зв’язку з розширенням функціональних можливостей, будова ускладнювалася. Сучасні РДТП налічують значну кількість підсистем та вузлів і, окрім вказаних вище, включають:

− систему керування вектором тяги;

− пристрій розкладання розтруба сопла;

− бортову кабельну мережу;

− сигналізатори тиску;

− пристрій для наддування порожнини двигуна;

− посадочні місця для закріплення елементів та агрегатів PУ і ЛА;

− елементи захисту від статичної електрики;

− зовнішнє теплозахисне покриття, тощо.

Порівняно з ракетними двигунами, що працюють на інших видах палива, твердопаливні мають ряд істотних переваг:

− відносну простоту конструкції й технологічність (зокрема, відсутність агрегатів подачі палива);

− постійну готовність до роботи;

− високу надійність і практично безвідмовність у роботі;

− простоту експлуатації.

Однак ці двигуни мають і ряд недоліків. РДТП мають нижчі енергетичні характеристики порівняно з РРД. Питомий імпульс двигуна на твердому паливі нижчий, ніж на рідкому. Більш складно регулювати тягу РДТП за величиною та здійснювати необхідні багаторазові зупинки та запуски двигуна. На роботу твердопаливного двигуна суттєвий вплив має початкова температура.

Розглянемо класифікацію РДТП за їх призначенням.

1. Маршові двигуни (МД). Призначені для створення тяги при переміщенні у просторі різних типів ракет та ЛА.

Маршовий двигун без органів керування (ОК) створює тільки тягу, тобто є рушієм ЛА, а обладнаний ОК, окрім тяги, забезпечує ще й керуючі зусилля для переміщення ЛА за певною траєкторією. До МД висувають високі вимоги, зокрема щодо його масової досконалості, технологічності та надійності. Нині МД (з ОК чи без них) є власне ступенями ракети.

2. Допоміжні двигуни (ДД). мають відносно просту конструкцію та призначені для виконання допоміжних функцій у різних ЛА (розділення елементів ЛА, прискорення польоту ЛА, відведення різних елементів та інші).

3. Двигуни для головних частин (ДГЧ) різних класів ракет раніше виготовлялися для виконання бойовим снарядом конкретного завдання (відділення, наведення, розведення ГЧ та інше). Нині один універсальний ДГЧ забезпечує здійснення бойовим снарядом практично повного комплексу завдань.

Особливості ДГЧ: дуже складна конструктивно-компонувальна схема, високі вимоги щодо енергетики, масової досконалості та надійності.

4. Двигуни для космічного літального апарата можуть виконувати різні завдання (відділення малих мас, стикування на орбіті, індивідуальне переміщення в космосі, перехід з орбіти на орбіту та інші). Але за своїми характеристиками поки що не можуть конкурувати з РРД аналогічного призначення. Переважно застосовують як двигуни м’якої посадки.

5. Двигуни спеціального призначення виконують ряд спеціальних завдань як у складі ЛА, так і в наземних умовах (наприклад, пороховий акумулятор тиску для викидання ракети з шахти, пороховий стартер для прискорення виходу на режим ТНА та інше). Використовуються у разі відпрацюванні різноманітних систем.

ДСП характеризує просте конструктивне виконання та низька вартість.

Палива РДТП

Ефективність роботи будь-якого двигуна залежить від якості палива, що ним споживається. Усі вимоги щодо ТП можна розділити на три основні групи:

− енергетичні - визначаються властивостями палива і складом його продуктів згоряння. Найбільш важливими з них є висока теплотворна здатність і густина палива, мала молекулярна маса ПЗ;

− експлуатаційні - до певної міри залежать від призначення двигуна. Але за будь-яких умов паливо повинне бути хімічно стійким і фізично стабільним, легко загорятися, повністю і стійко горіти за різних умов експлуатації та інше;

− економічні − низька вартість виробництва.

Насамперед паливо повинне забезпечувати енергетичні характеристики двигуна та дозволяти виготовлення зарядів потрібної форми з високим коефіцієнтом об’ємного заповнення КЗ − _v

_v  V_/V_КЗ. (1.1)

Найбільшого розповсюдження набули три основних типи ТП:

− баліститне;

− сумішеве;

− модифіковане двохосновне.

Баліститне тверде паливо (БТП). Основою є нітроклітковина (нітроцелюлоза) і розчинник, на які припадає понад 90  усього палива, тому його часто називають двохосновним.

Крім основних компонентів до складу БТП входять різні домішки:

− стабілізатори − для підвищення хімічної стійкості палива в період зберігання;

− флегматизатори (окис магнію) – для зменшення вибухонебезпечності, зниження швидкості горіння (ШГ);

− каталізатори (окисли свинцю й титану, сірчанокислий калій та тощо) − для збільшення ШГ, стійкості процесу горіння при низьких величинах р_КЗ і для підвищення повноти згоряння;

− енергетичні (динітротолуол, нітрогуанідин) − для підвищення енергетичних характеристик;

− технологічні (крейда, вазелін, трансформаторне масло) − для зменшення внутрішнього тертя паливної маси й тиску при пресуванні заряду;

− барвники;

− каніфоль – для зменшення гігроскопічності.

Сумішеве тверде паливо – це механічна суміш неорганічного окислювача, органічного палива й енергетичних, у більшості випадків металічних домішок. Як окислювачі в СТП найчастіше використовують тверді солі хлорної й азотної кислот, багаті киснем, зокрема перхлорат амонію NН₄СIО₄, перхлорат калію КСIО₄, нітрат натрію NаNО₃ та ін. Широке застосування має перхлорат амонію.

Як енергетичні домішки використовують порошки легких металів (Аl, Mg, Be, Zn), найчастіше − порошок алюмінію.

Тверде паливо без енергетичних домішок забезпечує такий самий питомий імпульс, як і баліститне при густині  1700–1800 кг/м³. Додавання, наприклад, порошку алюмінію (5…15 %) підвищує питомий імпульс на величину І_пит = 100…200 м/с.

Сумішеве ТП має ряд переваг перед баліститним: воно дешеве, технологічне, дозволяє створювати міцно скріплені заряди і варіювати їх рецептуру.

Модифіковане двохосновне тверде паливо (іноді його називають твердим паливом змішаного типу, нітрозольним) – це гетерогенна система, яка містить неорганічний окислювач (як правило, перхлорат амонію), складне активне пальне-зв’язуюче (нітроцелюлозу, нітрогліцерин і полімер-пластифікатор) і металічне паливо (часто порошок алюмінію). Це паливо, не поступаючись технологічним перевагам СТП, перевищує останнє за енергетичними характеристиками, є досить перспективним і знаходить нині широке застосування в ракетній техніці (зокрема, за кордоном).

Заряди твердого палива

Заряди твердого палива (ЗТП) можна класифікувати за різними ознаками:

- за технологією виготовлення (залиті або запресовані в корпус);

- за кількістю блоків (моноблокові та секційні).

- за способом кріплення у двигуні (міцноскріплені та вкладні);

- залежно від розташування поверхні горіння відносно поздовжньої осі двигу-на розрізняють заряди:

а) торцевого горіння

б) з твірною поверхні горіння, яка паралельна осі заряду;

в) з комбінованою поверхнею горіння.

Розглянемо окремі типи зарядів твердого палива.

Міцноскріплені заряди − це ЗТП, які формуються заливанням безпосередньо в КЗ РДТП і наступним скріпленням з її внутрішньою поверхнею.

Рис. 1.2. Форми зарядів із твірною зовнішньої поверхні горіння, паралельної осі заряду

Рис. 1.3. Форми зарядів із твірною внутрішньої поверхні горіння, паралельної осі заряду

а) б) в)

Рис. 1.4. Канали з комбінованою поверхнею горіння заряду:

а) – циліндрично-щілинний канал; б) – циліндрично-конічний канал;

в) – сферично-циліндричний канал

Вкладеними називаються заряди, сформовані безпосередньо в КЗ, але не скріплені з нею, а також заряди, виготовлені поза двигуном, а потім закріплені в камері за допомогою спеціальних пристроїв.

Моноблоковим зарядом ТП називають розміщений в КЗ монолітний міцноскріплений (або вкладений заряд) з необхідним об’ємом палива.

Заряд торцевого горіння − це моноблокова (або двоблокова) шашка циліндричної або нециліндричної форми (наприклад, у вигляді зрізаного конуса), виготовлена з палива однієї або кількох марок з броньованою боковою поверхнею. Горіння звичайно відбувається з одного боку (другий – броньований). Іноді (за необхідності) горіння відбувається з обох боків. Приклади зарядів торцевого горіння наведені на рис. 1.7.

а)

б)

в)

г)

д)

u

u

u

u

Рис. 1.5. Форми зарядів торцевого горіння:

а) – заряд, який горить з двох боків; б) – заряд з дигресивною поверхнею; в) – заряд з прогресивною поверхнею горіння; г) – заряд, який забезпечує ступінчасту зміну поверхні горіння (для дворежимного двигуна); д) – заряд, виготовлений із двох марок палива (для дворежимного двигуна)

Одношашковий заряд − це вільно вкладена в КЗ двигуна одноканальна циліндрична шашка із забезпеченням всестороннього горіння ТП або горіння окремих поверхонь при бронюванні решти їх.

Приклад конструкції двигуна з одношашковим ЗТП наведений на рис. 1.6.

Багатошашковим називається заряд, який складається з кількох суцільних або пустотілих шашок, зібраних в один пакет, вкладений у КЗ двигуна. Багатошашкові заряди застосовуються у двигунах з коротким терміном роботи − стартових; некерованих ракет обмеженої дальності; ПАТ; двигунах − ЗП тощо.

Рис. 1.6. Схема двигуна з одношашковим зарядом ТП

Приклад схеми двигуна з багатошашковим зарядом наведений на рис. 1.7.

.

Рис. 1.7. Схема двигуна з багатошашковим зарядом ТП

Телескопічний заряд ТП звичайно складається з двох (значно рідше з кількох) коаксіально розташованих шашок із загальною подовженою віссю. Приклад такого заряду наведений на рис. 1.8.

Рис. 1.8. Телескопічний заряд ТП

У телескопічному (іноді його називають коаксіальним) заряді одна шашка називається зовнішньою (іноді − пустотною), друга – внутрішньою (іноді – центральною). Залежно від закону зміни поверхні горіння шашки можуть бути різної довжини, а торці – як броньованими, так і відкритими.

Відома схема такого заряду, коли зовнішня й внутрішня шашки з’єднуються при формуванні заряду у поздовжньому напрямку. Таку схему заряду називають “вилкою” (рис. 1.9).

Рис. 1.9. Заряд за схемою “вилки”

Для захисту від механічних пошкоджень на різних стадіях експлуатації двигуна та для поліпшення внутрішньокамерних процесів центральна шашка звичайно прикріплюється до корпусу двигуна різними способами. Деякі з них наведені на рис. 1.10.

1 2 3 4 5

2 4

а) б) в)

Рис. 1.10. Способи кріплення центральної шашки:

а) – кріплення на “сухарях” 1 із ТП; б) – кріплення за допомогою центрального стержня 3 (із пластмаси); в) – кріплення за допомогою коротких трубчастих стрижнів 5;2, 4 – днища двигуна

Для запуску двигуна використовують запальний пристрій.

Запалювальний пристрій – це елемент РДТП, який служить для гарантованого стійкого запалювання поверхні заряду двигуна і забезпечення початку стабільного процесу горіння при подачі команди на запуск двигуна згідно з часовою діаграмою його роботи.

Конструктивно ЗП є невеликою ємністю, яка наповнена спеціальною запалювальною сумішшю (піротехнічною) і має отвори для витікання гарячих газів. Інколи отвори не передбачені, і витікання газів відбувається після руйнування стінок ємності. Запалювальний склад підпалюється спеціальним запалювальним елементом (електрозапалом, піропатроном або капсульною втулкою), який спрацьовує від подачі електричного імпульсу або від удару спеціального пристрою.

Сопловий блок – це вузол РДТП, який складається з одного або декількох сопел, призначених для створення тяги і в багатьох випадках керуючих зусиль для зміни напрямку вектора тяги.

Розрізняють одно- та багатосоплові блоки. Багатосоплові блоки найчастіше складаються з чотирьох сопел. За способом кріплення в корпусі РДТП сопла поділяють на рухомі і нерухомі. У першому випадку сопло міцно кріпиться до двигуна і не змінює свого положення в процесі роботи, а іншому – сопло може відхилятися, створюючи керуючі зусилля.

Кожний тип двигуна і РРД і РДТП має свої раціональні сфери застосування. Але в деяких випадках вигідно використовувати гібридний ракетний двигун (ГРД) (рис.1.11), який поєднує в собі елементи РРД і РДТП.

Рис.1.11. Схема гібридного ракетного двигуна:

1-акумулятор тиску; 2-редуктор тиску; 3-бак окислювача; 4-відсічний клапан; 5-форсунка окислювача; 6-заряд твердого пального; 7-камера двигуна

У КЗ розміщують твердопаливний компонент (найчастіше пальне), а рідкий компонент подається спеціальною системою подачі. Горіння відбувається поблизу поверхні твердопаливного компонента. Утворені ПЗ витікають через сопло 7. ГРД дозволяє здійснити багаторазовий запуск і регулювання тяги в процесі роботи. Але регулювання тяги в ГРД, на відміну від РРД, пов’язане з погіршенням його економічних характеристик.

8