книги / Физико-химические свойства взрывчатых веществ, порохов и твердых ракетных топлив

видуальными для различных ракет или ступеней. Во-вторых, значения частных производных определяются в npeдположении малых изменений аргументов. Поэтому применение этих методов, особенно при поисковых исследованиях, может привести к ошибочным оценкам.

Первый недостаток частично устраняется, если в качестве показателяБЭРТиспользоватьэффективныйудельныйимпульсJуд.эф.

Суть метода заключается в переводе влияния изменений отдельных характеристик топлив на дальность полета ракеты в эквивалентное изменение удельного импульса топлива. Расчет показателя Jуд.эф производят по зависимости

								n	∂J уд.эф
					J уд.эф = J уд + ∑					∆rj ,
								j=1	∂rj
					∂L
где	∂Jуд.эф	=			∂rj			,
	∂rj				∂L
				∂Jуд

Jуд – удельный импульс исследуемого топлива.

Как показали исследования, диапазон изменения частных производных ∂Jуд.эф меньше, чем частных производных даль-

ности. Поэтому получаемые с помощью показателя Jуд.эф выводы и рекомендации по применению топлив в двигателях той или иной ступени конкретной ракеты во многих случаях являются приемлемыми и для других ракет этого класса.

Рассчитывают Jуд.эф чаще всего лишь с учетом плотности топлива по зависимости

J уд.эф = J уд + ∂J уд.эф ∆ρj .

∂ρj

Значения ∂Jуд.эф задаются или они принимаются средни-

∂ρj

ми по опыту проектных проработок. Для крупногабаритных

231

МБР обычно рекомендуют в качестве типовых следующие зна-

	чения	∂Jуд.эф	: для первых ступеней – 1,0, для вторых – 0,5
		∂ρj

и для третьих – 0,25 Н·с/кг/(кг/м3).

Все рассмотренные показатели БЭ, по существу, характеризуют потенциальные возможности РТ, так как получены без учета потерь скорости ракеты, удельного импульса РД и др. Из практики разработки РД и ракет известно, что потенциальные возможности топлива в различных двигателях (ракетах) проявляются (реализуются) неоднозначно прежде всего из-за различного уровня потерь Vmax и J уд. Рассмотренные показатели не

учитывают влияния механических и других характеристик топлив на БЭ, а также стоимостных характеристик на боевую эффективность ракеты.

Наиболее полно и объективно может характеризовать РТ комплексный многопараметрический показатель, используемый для тактико-технико-экономического анализа эффективности топлив и зарядов из них. Он позволяет свести к одному масштабу такие разнородные характеристики, как J уд, ρт, mт, αдв, стои-

мость заряда и др., а также соизмерить достигаемый ракетой боевой эффект с затратами на его достижение. Так, например, увеличение стоимости нового варианта топлива (заряда) может быть компенсировано его повышенной баллистической эффективностью, что позволит уменьшить наряд ракет для решения боевой задачи, благодаря увеличению массы полезной нагрузки у каждой ракеты. Это позволит уменьшить суммарные затраты на решение боевой задачи.

Контрольные вопросы к разделу 4.2

1.Поясните физический смысл понятия баллистическая эффективность ТРТ.

2.Перечислите показатели баллистической эффективности ТРТ, назовите методы их расчета.

232

3.Из приведенных вариантов топлив определите наиболее эффективное по уровню энергомассовых характеристик для третьей ступени МБР:

а) Jуд = 2 500 Н·с/кг; ρ = 1 800 кг/м3; б) Jуд = 2 600 Н·с/кг; ρ = 1 700 кг/м3; а) Jуд = 2 450 Н·с/кг; ρ = 1 900 кг/м3.

4.Выберите наиболее эффективное топливо для каждой ступенитрехступенчатойМБРсm0 = 40 тизследующих:

а) Jуд = 2 500 Н·с/кг; ρ = 1 850 кг/м3; ν = 0,4; б) Jуд = 2 550 Н·с/кг; ρ = 1 800 кг/м3; ν= 0,1; а) Jуд = 2 650 Н·с/кг; ρ = 1 650 кг/м3; ν = 0,2.

4.3. Напряженно-деформированное состояние заряда и требования к физико-механическим свойствам ТРТ

В процессе эксплуатации и боевого применения на заряды РДТТ действуют различного рода нагрузки, могущие привести к их разрушению или изменениям характеристик ТРТ сверх допустимых. Это прежде всего температурные нагрузки, массовые силы и внутрикамерное давление.

Температурные нагрузки обусловлены наличием температурной и полимеризационной усадки СТРТ или резкоизменяющимся по своду и длине заряда температурным полем. Для скрепленных с корпусом зарядов температурные напряжения обусловлены различием (примерно на один…два десятичных порядка) в температурных коэффициентах линейного расширения топлива и материала корпуса двигателя.

Значительные температурные напряжения могут возникать в результате аэродинамического нагрева (до 200...250 ºС), при ударах (до 350...400 ºC), а также при существенном отклонении температуры эксплуатации скрепленных зарядов от технологической равновесной температуры (Тр). За равновесную температуру условно принимают среднеобъемную температуру заряда,

233

при которой отсутствуют напряжения на границе топливо– корпус. Наибольшую опасность представляет охлаждение заряда до Т < Тр. Скрепленный заряд в этом случае стремится оторваться от стенок корпуса и в нем возникают растягивающие напряжения; максимальные напряжения – на внутренней поверхности канала цилиндрического заряда. При этом чем больше отличается температура заряда от равновесного значения, тем больше напряжения на канале.

Во вкладном канально-цилиндрическом заряде при изменении температуры возникают радиальные и тангенциальные термические напряжения. Охлаждение приводит к появлению сжимающих напряжений на внутренней и растягивающих на внешней поверхностях, а нагрев – к противоположному результату. Максимальные напряжения имеют место на внутренней поверхности заряда.

Таким образом, при соответствующих термических напряжениях (деформациях), возникающих в зарядах, механические свойства ТРТ могут ограничивать диаметр канала заряда (толщину горящего свода), а следовательно, массовую долю топлива в двигателе и ухудшать массовое совершенство РДТТ. Коэффи-

	циент	массового совершенство РДТТ	αi =	mкi		представляет
				mтi
	собой	отношение массы конструкции	двигателя			mкi к массе
	топлива mтi , чем он меньше, тем совершеннее двигатель.
	Напряжения под действием массовых сил					и давления.

К массовым силам относят силы тяжести и инерции. Результат действия этих сил зависит от способа крепления заряда в корпусе двигателя.

Вкладной небронированный заряд, опирающийся торцом на решетку у сопла, во время работы двигателя оказывается сжатым в осевом напряжении инерционными силами. В результате действия ускорений и перепадов давления в камере сгора-

234

ния заряд может деформироваться, вследствие чего поперечные размеры его могут увеличиться, а свободная площадь поперечного сечения – уменьшиться (рис. 19). Величина и характер таких деформаций зависят от механических характеристик топлива, прежде всего от модуля упругости. При некотором значении Е < Еmin равновесное истечение продуктов сгорания невозможно, так как газоприход превосходит газорасход вследствие уменьшения свободной площади поперечного сечения.

Рис. 19. Схема деформирования вкладного заряда при действии осевых перегрузок

Действие массовых сил на заряд, скрепленный с корпусом, может приводить в основном к двум типам повреждений: при поперечной нагрузке – к осадке заряда и сужению канала, а при продольной нагрузке – к отслаиванию или разрушению заряда.

При нахождении ракеты длительное время в вертикальном положении, например в шахтной пусковой установке, под действием сил тяжести в заряде возникает сложное напряженнодеформированное состояние. Наряду с растягивающими и сжимающими напряжениями, эпюры которых схематично показаны на рис. 20, также возникают сдвиговые напряжения, максимальные значения которых реализуются на границе скрепления с корпусом и зависят от массогабаритных характеристик заряда. Возникающее при этом вертикальное перемещение заряда зависит, кроме того, от механических свойств топлива.

235

Рис. 20. Эпюраконтактных нормальных напряжений скрепленногозаряда

В процессе длительного хранения перемещение, зависящее от механических характеристик топлива, может превзойти допустимую величину, что приведет к недопустимому изменению формы заряда и, соответственно, внутрибаллистических характеристик двигателя. Опасными являются длительные инерционные перегрузки для зарядов верхних ступеней, которые подвергаются длительным воздействиям ускорений ипри работе двигателей нижних ступеней не нагружены внутрикамерным давлением. В этом случае возможно появление такой деформации, которая может вызвать перекрытие критического сечения сопла или изменение площади канала у соплового торца заряда, что вызоветизменениетягидвигателя.

Весьма опасным является нагружение заряда, скрепленного с корпусом, внутрикамерным давлением про-

дуктов сгорания при запуске двигателя. При этом на поверхности канала заряда возникают значительные напряжения и соответствующие деформации, зависящие от механических и геометрических характеристик заряда. Большие растягивающие напряжения и деформации возникают в вершинах щелей заряда при пуске РДТТ (рис. 21).

Рис. 21. Схема деформирования поверхности канально-щелевогозарядапридействии внутренреннего давления

236

Из-за проявления материалом СТТ свойств ползучести

ирелаксации напряженно-деформированное состояние в заряде с течением времени изменяется, что недопустимо для эластичных и мягких топлив, используемых в зарядах, скрепленных с корпусом двигателя.

Показано, что и в условиях нагружения заряда внутрикамерным давлением, и при действии температурных нагрузок

имассовых сил механические свойства топлива определяют массогабаритные характеристики заряда, коэффициент массового совершенства двигателя и характеристики ракет. Оценочные расчеты показывают, что снижение относительной деформации топлива по абсолютной величине на 10 % (с 30 до 20 %) приводит к уменьшению массы заряда на 4...5 %, что снижает дальность полета или массу полезной нагрузки при работе ДУ пер-

вых ступеней – на 3,5...4,5 %, вторых ступеней – на 1,7...2,5 % и третьих ступеней – на 1,0...1,5 %.

Подробный анализ позволил выработать следующий комплекс требований к механическим свойствам ТРТ. Комплекс механических свойств топлив должен обеспечивать:

а) создание зарядов совершенных форм с оптимальными массогабаритными характеристиками, высокое массовое совершенство РДТТ (малое значение αдв);

б) сохранение формы и размера заряда, целостность его структуры под действием нагрузок в процессе производства и эксплуатации в течение гарантийного срока в заданном температурном диапазоне, а также нормальное функционирование РДТТ при запуске и в полете.

Топлива скрепленных с корпусом зарядов должны находиться в высокоэластическом состоянии, обладать высоким уровнем относительной деформации (εр ≥ 30%). Это условие требует, чтобы температура структурного стеклования топлива была меньше минимальной температуры эксплуатации заряда (РДТТ).

При хранении в течение гарантийных сроков деформации сдвиговые и отрывные напряжения (до 5·105Па) должны выдерживаться топливом без существенного накопления усталости,

237

опасного для последующего боевого применения. Для разгрузки скрепленных участков топливо должно иметь сравнительно низкое значение равновесного модуля упругости Е = = (20...40)·105 Па. Однако для крупногабаритных зарядов модуль должен быть достаточно высоким для предотвращения ползучести заряда.

При боевом применении ракеты топливо должно выдерживать растяжения до деформации 20...30% в течение нескольких секунд без образования трещин. Контактные сдвиговые напряжения до (5...10)·105 Па не должны вызывать отслоения заряда от стенкикамерыдвигателявтечениевсеговремениработыРДТТ.

Топлива вкладных зарядов должны обладать достаточно высоким уровнем прочности при растяжении σр = (50...100)·105 Па и сжатии σсж= (100...200)·105 Па при максимальной температуре и высокой удельной ударной вязкости a = (5...10) кДж/м2 при минимальной температуре эксплуатации. Для крупногабаритных зарядов модуль упругости топлив ограничивается снизу допустимым уровнем ползучести.

Механические характеристики топлив должны в возможно меньшей степени зависеть от температуры эксплуатации зарядов.

Натурные прочностные и деформационные испытания зарядов дают наиболее объективную характеристику их работоспособности, однако они дороги и трудоемки, поэтому приходится их заменять механическими испытаниями специальных образцов топлив, которые можно разделить на следующие группы:

–механические испытания на растяжение (сжатие) при различных температурах, скоростях деформирования, гидростатических давлениях;

–определение долговременной прочности при различных температурах;

–определение ползучести (релаксации) материала при различных температурах;

–определение динамических характеристик ТРТ;

–механические испытания при сложнонапряженном состоянии и другие (табл. 32).

238

В ходе механических испытаний на растяжение (сжатие) на соответствующих приборах получают диаграммы растяжения (сжатия). Типичные диаграммы, получаемые на твердотопливных образцах, приведены на рис. 22, 23.

Рис. 22. Типичная диаграмма растяжения образца ТРТ при 20 ºС: g – совместная последняя точка касательной к диаграммной кривой, а и с – точки максимального напряжения образца, b – точки разрушения образца

Рис. 23. Типичная диаграмма сжатия образца ТРТ при 20 ºС

239

Определяющими механические свойства ТРТ являются характерные точки на диаграммах растяжения, сжатия твердотопливных образцов, обозначенные на рис. 22.

Из кривых, указанных на рис. 19, следует, что

	σE		100 % = E		кгс
tgα =		10		,	см2	– модуль упругости рас-
	ε
1		E10	10%

тяжения секущий, соответствующий относительной деформации образца, равной 10 %;

tgα1 = σg 100 % = Eg , кгс2 – модуль упругости растяже-

εg см

ния диаграммный, определяется как последняя точка касательной из начала координат к кривой растяжения;

tgα =	σE		2	100 % = E		,	кгс	– модуль упругости рас-
	ε						см2
1		E2			2%

тяжения секущий, соответствующий деформации образца, равной 2 %, определяется при предельной относительной деформации ТРТ в пределах 2 % > εb < 10 %, где εb – относительная деформация при усилии разрыва образца.

Как правило, Еg < Е2% > Е10%, и при нелинейности диаграммы растяжения от начала координат определяется, как правило,

секущий модуль упругости при предельных относительных деформациях εb > 10% определяется Е10%, а при предельных относительных деформациях εb < 10% определяется Е2%. Эти характерные точки позволяют более стабильно (статистически одинаково) определять модуль упругости, лучше поддаются компьютеризации по сравнению с модулем упругости, найденным по касательной к кривой растяжения. В этом случае получаем несколько заниженный модуль упругости, но результат идет в запас прочности.

Аналогичным образом получают модуль упругости при сжатии, но он соответствует точке (Т) – началу текучести испытуемого материала (см. рис. 23) в случае наличия на диаграмме сжатия площадки текучести:

240