Глава 2. Особенности работы рдтт

Условия работы твердотопливных двигателей отличаются от условий работы жидкостных. Это обусловливает и применение со­вершенно других конструкционных материалов и технологий.

ОТЛИЧИЯ РДТТ ОТ ЖРД. Топливо находится в самой камере сгорания двигателя, т. е. здесь нет баков, откуда подается топливо, нет и системы подачи его в камеру сгорания (ТНА, вытеснители и т. п.).

Корпус РДТТ всегда является несущей конструкцией, т. е. кроме высокой прочности на растяжение он должен обладать достаточной продольной устойчивостью или жесткостью. Обычно внутреннее дав­ление в двигателе достигает при его работе 10 МПа, а продольная на­грузка определяется тем, на какой ступени находится этот двигатель.

Современные РДТТ являются в основном однокамерными и одно­ступенчатыми или четырехсопловыми. Так, на рис. 3 представлена схема однокамерного двигателя с центральным «утопленным» соплом. Управление ступенями ракеты с таким двигателем осуществляется изменением вектора тяги с помощью вдува горячего или холодного газа в закритичную часть сопла или поворотом последнего.

Твердое топливо имеет в своем составе и горючее и окислитель. Окислители – это очень активные кислород- и хлорсодержащие хи­мические соединения, а горючее содержит дисперсные частицы уг­лерода, алюминия, железа и др. Отсюда вытекают все требования к работе с твердотопливными двигателями.

Оболочки крупногабаритных РДТТ в настоящее время изготав­ливаются из полимерных композиционных материалов или из вы­сокопрочных сталей, упрочненных неметаллическими волокнами («Шаттл»). При изготовлении узлов двигателя из ПКМ, как прави­ло, одновременно создаются конструкция и материал. Конечно, многие детали и узлы изготовлены из металлов, но они обязательно сочетаются с неметаллическими материалами, поэтому в РДТТ много клеевых соединений.

Рис. 3. Схематическое изображение современного РДТТ:

1-корпус двигателя; 2 - теплозащитное покрытие; 3 - защитно-крепящий слой или бронирующее покрытие; 4 - твердое топливо; 5 - силовой элемент крепления сопла и передней крышки; 6 - вкла­дыш критического сечения сопла; 7 - теплозащитное покрытие раструба; 8 - силовая оболочка раструба; 9 - передняя крышка

Сопловые блоки двигателей могут составлять одно целое с дни­щем и затем крепиться к цилиндрической оболочке. Но, в последнее время, в связи с появлением новых синтетических волокон и смол, а также новых технологий стало возможным изготовление ци­линдрической части двигателя с днищем, т. е. в виде «кокона». Сопло­вой блок в таком случае изготовляется отдельно и крепится к днищу.

В отличие от жидкостных ракет твердотопливные отправляются с промышленных предприятий уже заправленными твердым топли­вом. Существуют вкладные и прочно скрепленные заливные топлив­ные заряды. Так как снаряжение двигателей топливом осуществля­ется на специальных химических заводах и в таком виде они посту­пают на сборку на машиностроительном заводе, это накладывает особые требования к работе с ними, т. е. к производству, снаряже­нию, транспортировке и т. п.

Жидкое охлаждение в РДТТ отсутствует, поэтому детали сопло­вого блока подвергаются высокотемпературному и сверхзвуковому воздействию продуктов сгорания, причем на рабочих поверхностях за счет торможения газов могут иметь место температуры даже бо­лее высокие, чем температура горения топлива. Температуры горе­ния современных смесевых топлив находятся около 3800 К. В таких условиях могут работать только специальные материалы, о кото­рых речь пойдет в следующих разделах. Во время горения топлива в камере сгорания быстро возрастают давления в несколько МПа и тем­пература. Скорости потоков здесь значительно меньше, чем в сопле, а само твердое топливо до некоторого момента защищает силовую стенку двигателя от высоких температур, т. к. область горения распространя­ется от оси к периферии. В связи с тем, что корпус двигателя подверга­ется значительным деформациям, все материалы (топливо, ТЗП) дол­жны обладать достаточным относительным удлинением.

Кроме горячих и агрессивных газов продукты горения содер­жат еще твердые и жидкие частицы, представляющие собой остатки несгоревшего топлива или сконденсированные продукты горения, например оксид алюминия (Аl₂O₃). Иногда, для снижения температу­ры на рабочих поверхностях, применяют «завесы» за счет продук­тов горения низкотемпературных топлив. Но это не очень выгодно, т. к. при этом снижается удельный импульс двигателя.

Из сказанного следует, что к материалам и конструкциям пре­дъявляются очень жесткие, далеко не традиционные требования.

Остановимся на некоторых особенностях и понятиях, присущих работе материалов в РДТТ и ракетной технике вообще.

Как было сказано, температура горения современных смесевых топлив достигает 3500 °С. В природе существует несколько материа­лов, имеющих температуру плавления выше указанной или близкую к этому значению. Это графит, вольфрам, карбид гафния, титана, бора, кремния. Хотя ни один из них в чистом виде не может быть применен.

Следует сделать замечание: в связи с изменением стратегии во­оружения в Украине характеристики топлив могут быть несколько другими. Но это не меняет картину в целом, т. к. мы будем говорить о лучших достижениях в ракетной технике и, в частности, в материаловедении и технологии твердотопливных двигателей.

Достижение указанных температур и больших тепловых потоков происходит в РДТТ за доли секунды. Возникает мощный тепловой удар, который способны выдержать немногие материалы и конструк­ции. Качественной характеристикой материалов в данном случае яв­ляется термостойкость (в США – параметр тепловых напряжений)

где σ_в – сопротивление при растяжении; λ – коэффициент теплопро­водности материала; α – термический коэффициент линейного рас­ширения; Е – модуль упругости (Юнга).

Есть и другое более полное выражение для параметра термо­стойкости:

где С – теплоемкость материала; ρ – плотность.

Кроме приведенного качественного показателя на термостой­кость узла или детали важное влияние оказывают форма и геомет­рические размеры, на что конструкторы да и материаловеды недо­статочно обращают внимание. Например, сварочные электроды из вольфрама не могут иметь диаметр более 8 мм, т. к. они при этом просто ломаются. Главное, конечно, материал должен обладать вы­сокой релаксационной способностью, т. е. достаточной скоростью перехода упругой деформации в пластическую.

В продуктах сгорания твердого топлива содержатся активные газы, такие как водород, хлор, отсюда вытекают соответствующие требования к коррозионной стойкости и стойкости к охрупчива­нию водородом, т. к. охрупчивание материала на поверхности при­водит к повышению эрозионного уноса. Кроме того, выбросы в атмосферу, особенно в верхние слои (стратосферу), хлора, фтора и других галогенов, способствуют разрушению озонового слоя Зем­ли. Пусть это замечание не относится к работе материалов, но знать об этом нужно.

Так как газовые потоки содержат жидкие и твердые частицы, движущиеся с огромными скоростями, материал с поверхности под­вергается механической эрозии. Следовательно, нужно стремиться к тому, чтобы она была минимальной.

Как было сказано, давления и скорости газовых потоков в РДТТ возрастают за доли секунды, возникает мощный гидроудар. Поэто­му материалы должны иметь хорошую сплошность и герметичность, т. е. низкую пористость, а соединения отдельных узлов и деталей – высокую плотность.

Чтобы конструкции двигателя сохраняли необходимую несущую способность при высоких температурах, материалы, из которых они выполнены, должны обладать высокой жаропрочностью.

Если это трудно обеспечить, применяются специальные теплоза­щитные или теплоизолирующие покрытия с выраженной анизотро­пией свойств и высокими энтальпийными характеристиками, кото­рые обеспечиваются химическими и фазовыми превращениями в материале. Для таких материалов вводятся понятия абляция и «эф­фективная энтальпия».

Абляция (отнятие) – это унос вещества с поверхности твердого тела потоком горячего газа, при котором происходит отбор тепла из пограничного слоя газа за счет оплавления, сублимации, химичес­ких превращений и эрозии. Чисто механическая эрозия нежелатель­на. Аблирующие материалы в ракетной технике принято называть теплозащитными покрытиями, неаблирующие - теплоизолирующи­ми. Первые, как правило, работают при очень высоких температу­рах, вторые – при сравнительно низких (до 600 °С). На принципе абляции основано охлаждение рабочих поверхностей ТЗП и лета­тельных аппаратов в целом, таких, как спускаемые космические ап­параты, головные части, РДТТ. При выборе аблирующих ТЗП нуж­но стремиться к тому, чтобы унос материала осуществлялся за счет сублимации, а иногда и ионизации, т. е. таких процессов, при кото­рых поглощается максимальное количество тепла.

Эффективная энтальпия – это сумма теплот, отбираемых от по­граничного слоя горячего газа за счет фазовых, химических и дру­гих превращений, т. е. за счет эндотермических процессов. Класси­ческое понятие энтальпии

H=U+PV,

где U – внутренняя энергия; Р – давление в системе; V – объем.

Если РV = 0, то Н равно количеству теплоты, подведенной к системе.

Поскольку основа ТЗП остается в твердом состоянии, то Н_эф будет равна количеству тепла, отведенного из газового потока, т. е. без РV. Тогда в упрощенном виде можно записать:

Так как наибольшее количество энергии расходуется при суб­лимации, диссоциации и излучении, нужно создавать ТЗП таким об­разом, чтобы эти процессы максимально реализовались.

Конечно, при ионизации расход энергии еще больше, но этот процесс маловероятен, а иногда и вреден (спутный след).

Например, углерод, как высокоэнтальпийный материал, может реализовать свои характеристики только при температурах выше 3800 К, а нитриды лучше реализуют при температурах выше 2800 К за счет диссоциации и сублимации. Так, на одной из головных час­тей было применено ТЗП на основе нитрида бора и нитрида кремния, но из-за невысоких температур, возникающих на поверх­ности (ниже 2800 К), его высокая эффективная энтальпия не реализовалась. Конечно, эффективная энтальпия реализуется при быстротекущих нестационарных процессах и к обычным огнеупор­ным материалам неприменима.

Мы упомянули еще об анизотропии. Анизотропия (неравное направление) – это зависимость свойств материала от направления. Например, у слоистых пластиков (рис. 4), применяемых в качестве ТЗП или теплоизоляции, теплопроводность в двух взаимно перпен­дикулярных направлениях сильно отличается, иногда это отличие может быть в 100 и больше раз.

У других материалов могут сильно отличаться по направлени­ям механические, электрические , магнитные и другие свойства.

Для теплозащитных и теплоизолирующих покрытий введено еще понятие температуропроводности (в США она называется диффузионной теплопроводностью).

Необходимо различать теплопроводность и температуропроводность: первая характеризует скорость передачи тепла (энергии), а температуропроводность – скорость распространения температуры или, иначе, скорость движения температурного фронта.

где α – температуропроводность, м²/с; λ – коэффициент теплопро­водности, Вт/(м∙К); С – удельная теплоемкость, Дж/(кг∙К); ρ – плотность, кг/м³.

Температуропроводность – очень интересная характеристика и ею нужно умело пользоваться. Так, для теплозащитных и теплоизо­лирующих материалов нужно, чтобы она была минимальной в нап­равлении, перпендикулярном к рабочей поверхности или к направлению газового потока, а максимальной – в направлении параллельном.

С учетом абляции и эрозии ТЗП на головных частях или в кри­тическом сечении сопла РДТТ рассчитывается толщина покрытия, программируется скорость горения топлива и т. п. Например, диа­метр критического сечения сопла увеличивается, а давление в каме­ре сгорания остается постоянным (рис. 5). Установлено, что один процент потери эрозионно-стойкого материала в критическом сече­нии приводит к снижению удельного импульса примерно на 0,5 %.

Это происходит за счет реакции уносимого ТЗП с продуктами горе­ния топлива На маршевом двигателе ракетоносителя «Шаттл» до­пустимый унос ТЗП в критическом сечении твердотопливных уско­рителей составляет 15 мм по радиусу [3,4].

Рис. 4. Иллюстрация анизотропии:

λ₁ – коэффициент теплопроводности в параллельном направлении; λ₂ – то же в перпендикулярном направлении

Рис. 5. Типичный режим работы РДТТ

Хотя материалы и технология должны закладываться на первых стадиях проектирования любых ракет, для твердотопливных ракет и двигателей это положение имеет особое значение. Оно вызвано тем, что современные РДТТ почти полностью состоят из композиционных материалов, которые создаются вместе с самой конструкцией. КМ нельзя изготовить где-то как металл, а потом перерабатывать его на машиностроительном заводе (штамповать, точить, гнуть и т. д.). Непонимание этого положения проектантами может приводить к плохим последствиям.

Так как современные твердотопливные двигатели более, чем на 75 % состоят из композиционных материалов, с них мы и начнем рассмотрение материалов и технологии РДТТ. Кроме того, мы рас­смотрим углеграфитовые материалы, неклассические металлы и ту­гоплавкие соединения. Остановимся также на особенностях испыта­ний КМ, контроле технологических процессов и контроле качества готовых изделий.