Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЗАРЯДОВ СМЕСЕВОГО РАКЕТНОГО ТВЕРДОГО ТОПЛИВА

Изобретение относится к области изготовления зарядов ракетного двигателя из смесевого ракетного твердого топлива (СРТТ), а конкретно - к технологии изготовления зарядов из СРТТ методом литья под давлением на трех последовательно расположенных смесителях непрерывного действия. Способ может быть применен при проектировании и разработке технологических процессов для производства твердотопливных двигателей различных классов ракет.

Развитие ракетной техники выдвигает все более повышенные требования к безопасности процесса, к качеству заряда, стабильности их основных характеристик, к эффективности производства за счет снижения безвозвратных потерь топлива и тем самым к способу их изготовления.

Анализом отечественной и зарубежной патентной литературы установлено, что известен способ перемешивания сыпучих компонентов с жидковязкими в двухроторных смесителях с реверсивным червяком (например, описанный в книге "Диспергирование и смешение в процессах производства и переработки пластмасс" авторов В.С. Кима и В.В. Скачкова, Издательство "Химия", 1988 г., стр. 110-111), включающий загрузку порошкообразных и жидких компонентов в смеситель, перемешивание при обратном вращении червяка (шнека) и выгрузку при прямом вращении шнека. Указанный способ позволяет значительно интенсифицировать процесс смешения.

Существуют способы изготовления заряда из СРТТ, предусматривающие нагревание компонентов топливной массы при смешении до температуры выше точки размягчения (патент США 3396215); до 100-125^oС (патент США 3408431) и формирование заряда литьем под давлением.

А также известен непрерывный способ изготовления зарядов СРТТ (патент США 3296043, кл. 149-19), который взят авторами в качестве прототипа, предусматривающий непрерывную подачу компонентов в смеситель, их смешение, вакуумирование топливной массы и формование зарядов методом литья под давлением.

Недостатками указанных способов и прототипа является следующее:
- не гарантируется полная безопасность при выходе на рабочий режим технологического оборудования, так как в случае синхронного дозирования жидковязких и порошкообразных полуфабрикатов дозаторами 1, 2, 3 (фиг.1) в начале процесса не исключается вероятность попадания из предварительного смесителя 4 (ПС) в верхний смеситель 5 (ВС) несмоченного порошкообразного окислителя и попадания его в узкие зазоры между шнеком и корпусом смесителя. При этом сдвиговые усилия в зазорах могут привести к загоранию и взрыву;
- на низковязких составах (при вязкости ниже 3 тысяч пуаз не реализуются достаточные сдвиговые напряжения в рабочих зонах смесителя, в результате чего не обеспечиваются требуемые показатели по однородности смещения компонентов (плотность, отсутствие воздушных включений);
- при малых загрузках верхнего и нижнего смесителей происходит попадание воздушных включений в топливную массу и нарушение монолитности зарядов, из-за чего значительное количество топливной массы в конце процесса приходится вырабатывать на выброс.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение безопасности процесса изготовления СРТТ, улучшение качества получаемого состава и исключение безвозвратных потерь топливной массы в конце формования заряда.

Технический результат достигается следующим образом.

Первоначально в ПС 4 дозируют избыток жидковязких компонентов в количестве 10-15% (мас.) от объема загрузки с последующей корректировкой соотношения компонентов в ВС 5 недостающим количеством порошкообразных компонентов, перемешивают полученную топливную массу в верхнем и нижнем смесителях (НС) 6 при 20-40^oС и разности температуры топливной массы и охлаждающего агента не более 10^oС, подают топливную массу в корпус двигателя 7 подогретой до 65-80^oС, при достижении количества топливной смеси в смесителе, достаточного для завершения формования заряда, отключают системы дозирования компонентов, прекращают вакуумирование и подачу топливной массы из НС в корпус двигателя, вырабатывают топливную массу из ПС в ВС, из ВС в НС до нагрузок холостого хода на приводе смесителя, затем герметизируют НС, создают в нем вакуум, вакуумируют топливную массу путем перемешивания под вакуумом в течение 7-20 мин при остаточном давлении 5-25 мм рт.ст. и формуют заряд до нагрузок на приводе НС, на 5-10% более высоких, чем нагрузка холостого хода.

Опытными работами, проведенными в условиях завода им. С.М. Кирова, г. Пермь, подтверждена достаточность количества поданных жидковязких компонентов в избытке 10-15% (мас.) от объема загрузки ПС. Это количество жидковязких компонентов обеспечивает покрытие зоны полуфабрикатов в ПС смесью жидко-вязких компонентов и тем самым исключает пыление порошкообразных компонентов и попадание несмоченного окислителя в ВС.

В процессе смешения СРТТ, помимо взаимного распределения и диспергирования компонентов, происходят диффузионные, капиллярные и физико-химические процессы на поверхности раздела фаз, от степени завершения которых зависит качество получаемого состава. Основным фактором, определяющим интенсивность ведения и завершенность процесса смещения, являются затраты энергии на смешение единицы веса топливной массы (удельные энергозатраты на смешение). Удельные энергозатраты, в свою очередь, определяются сдвиговыми напряжениями r, возникающими в зазорах взаимно перемещающихся органов смесителя, которые выражаются зависимостью
r = η•γ²
где r - напряжение сдвига, г/см²,
η - вязкость топливной массы, П;
γ - скорость сдвига, с^-1.

Отсюда видно, что в смесителе выбранной конструкции (j определяется конструкцией аппарата, скоростью вращения рабочих органов и величиной зазоров между взаимно перемещающимися органами) для повышения интенсивности и степени завершенности процесса смешения необходимо иметь как можно более высокую вязкость топливной массы.

В предлагаемом способе это достигается проведением смешения топливной массы при низкой температуре 20-40^oC. Это показано на конкретных примерах исполнения способа на фиг.2. Из фиг.2 видно, что вязкость топливной массы в случае смешения при 20-40^oС ниже, чем при 50-65^oС и достигает минимального, постоянного значения раньше, чем при 50-65^oС. Это показывает, что при 20-40^oС достигается повышение интенсивности и степени завершенности процесса смешения.

Удельные энергозатраты на смешение СРТТ, интенсивность и завершенность процесса зависят от разности температур топливной массы и охлаждающего агента. При температуре хдадоагента, подаваемого в кожух смесителя, ниже температуры топливной массы на 10-30^oС пристенные смеси СРТТ настолько охлаждаются, что вязкость массы в этой области возрастает больше, чем в объеме смесительного аппарата. В результате этого в зазорах между мешалками и стенкой смесительного аппарата образуются застойные зоны и интенсивность смешения падает.

В табл.1 показана зависимость удельных затрат на смешение и вязкости топливной массы от разности температуры СРТТ и охлаждающего агента. Отсюда видно, что наиболее благоприятные условия смешения создаются при разнице температур топливной массы и хладагента не более 10^oС.

Готовую для формования топливную массу перед подачей в корпус двигателя предлагается подогреть до 65-80^oС. Это вызвано необходимостью снижения вязкости топливной массы, так как топливная масса в процессе формования продавливается через узкие зазоры пресс-формы. Кроме того, подогрев топливной массы в замкнутом объеме пресс-формы при полимеризации с температуры формования (20-40^oС) до температуры полимеризации (75-85^oС) приводит за счет температурного расширения топливной массы к резкому росту давления и прочностному разрушению пресс-формы, т.к. коэффициенты температурного расширения топливной массы и материала пресс-формы отличаются в 10 раз.

Выбранные пределы по температуре подогрева обеспечивают монолитность изготавливаемых зарядов и поддержание давления в пресс-форме при полимеризации в допустимых пределах.

Качество приготовленной топливной массы оценивается объемной долей воздушных включений в топливной массе на момент включения шнека НС на формование корпуса двигателя. Работами, проведенными в НИИПМ, г. Пермь, установлено, что содержание объемной доли воздушных включений в пределах 0,52-0,9% (об.) обеспечивает требуемое качество состава (плотность, отсутствие микропор).

Примеры конкретного исполнения предлагаемого способа приведены в таблицах 2, 3. Из данных таблиц следует:
Перемешивание топливной массы под вакуумом при остаточном давлении 5-25 мм рт. ст. в течение 21 мин и более (вариант 1) является нецелесообразным, поскольку дальнейшее увеличение времени вакуумирования не приводит к существенному снижению объемной доли воздушных включений. Более того, длительное вакуумирование топливной массы приводит к повышенному уносу летучих компонентов топлива и тем самым к ухудшению его механических и баллистических характеристик.

Сокращение времени перемешивания топливной массы до 6 мин (варианты 5, 4) приводит к ухудшению качества вакуумирования топлива.

Повышение остаточного давления до 26 мм рт.ст. и более при времени вакуумирования топливной массы в течение 21 мин (вариант 2) не позволяет обеспечить достаточно полного удаления воздушных включений, что ухудшает качество топлива. Снижение остаточного давления до 4 мм рт.ст. (вариант 4) несколько повышает полноту удаления воздушных включений. Однако низкое остаточное давление приводит к интенсивному уносу летучих компонентов топлив.

Из данных табл. 3 следует:
В интервале нагрузок на приводе мешалок НС, на 5-10% более высоких, чем нагрузки холостого хода (вариантов 6, 7, 8), обеспечивается качественное изготовление зарядов с минимальным качеством потерь топливной массы. При снижении нагрузок на приводе мешалок до 2,5% и ниже, чем нагрузки холостого хода (вариант 9), происходит просос воздуха в зону вакуумирования со стороны нижнего шнека и образование дефектов в заряде. При повышении нагрузок на приводе мешалок до 12,5% и более, чем нагрузки холостого хода (вариант 10), увеличиваются потери топливной массы.

Таким образом, требуемое качество зарядов достигается перемешиванием топливной массы в течение 7-20 мин при остаточном давлении 5-25 мм рт.ст. в НС и путем выработки топлива из смесителя до нагрузок холостого хода плюс 0,3-0,5 кВт (5-10% более нагрузки холостого хода) на приводе мешалок.

Для осуществления способа разработано теплообменное устройство 8 (фиг. 1), изображенное на фиг.3, которое состоит из корпуса 9, обтекателя 10, переходника 11, соединенных между собой хомутом 12. Обтекатель представляет собой закрытый конусными днищами цилиндр с фланцем 13. Для увеличения времени контакта потока массы с поверхностью теплообмена на цилиндрической поверхности обтекателя имеется двухзаходная нарезка.

Для изготовления зарядов по предлагаемому способу теплообменное устройство подсоединяется к корпусу шнека НС. Под рубашку корпуса 9 и в полость обтекателя подается теплоноситель с температурой 70-85^oС. При работе шнека смесителя топливная масса продавливается через дугообразные каналы фланца обтекателя 7 и проходит по винтовому каналу между корпусом и обтекателем. В результате топливная масса на выходе из теплообменного устройства подогревается до 65-80^oС. Контроль температуры топливной массы на выходе из теплообменного устройства осуществляется с помощью термопары 8.

С целью осуществления способа для герметизации НС при малых загрузках, а также при полном отсутствии топливной массы в ВС разработано устройство 14 фиг. 1, изображенное на фиг.4, которое состоит из цилиндрической решетки 15 корпуса 16, прижимного фланца 17 и эластичной полууретановой мембраны 18. Решетка представляет собой цилиндр с фланцем и двумя рядами щелевых отверстий, между которыми имеется перегородка. Мембрану устанавливают на решетку с небольшим натягом, что обеспечивает перекрытие отверстий и уплотнение торца решетки. Между наружной поверхностью мембраны и корпусом 16 имеется полость А, в которую при необходимости подается воздух.

Клапан устанавливается на хобот ВС. Работа устройства (клапана) заключается в следующем:
При включении шнека ВС перед клапанам создается давление, которое способствует отжатию мембраны от решетки и через образовавшуюся щель и пазы решетки топливная масса подается в НС. При отключении шнека ВС мембрана за счет упругих свойств сжимается и перекрывает пазы в решетке. Для надежности герметизации при этом в полость А клапана подается воздух с давлением 0,2-1 кгс/см².

Разработанное устройство позволяет осуществить приготовление качественной топливной массы в НС в конце запуска ТК и формование зарядов путем выработки топлива из смесителя до нагрузок, превышающих на 5-10% нагрузки холостого хода на приводе мешалок.

Предлагаемый способ проверен с положительными результатами на заводе им. С.М. Кирова, г.Пермь.