Результат интеллектуальной деятельности: Способ изготовления скрепленного с корпусом канального заряда смесевого ракетного твердого топлива

Изобретение относится к ракетной технике и может быть использовано при разработке и изготовлении твердотопливных двигателей ракет тактического назначения, эксплуатирующихся в широком температурном диапазоне от плюс 50°С до минус 50°С.

Конструктивной особенностью указанных изделий является большое относительное удлинение (отношение длины к диаметру больше 5) и невысокий уровень коэффициента объемного заполнения корпуса топливом (K_v=0,75-0,82). Указанные изделия характеризуются повышенной газодинамической и механической напряженностью. В серийно изготавливаемых двигателях для таких изделий в настоящее время используют преимущественно жесткие металлические корпуса.

Наиболее эффективные технические решения, направленные на повышение коэффициента объемного заполнения корпуса топливом связаны с использованием конструкций зарядов с неизвлекаемыми формообразующими элементами (НФЭ): патенты РФ на изобретения №2374480, №2497007, №2576411, №2458244; патент РФ на полезную модель №92109.

Технические решения патентов №2497007, №2576411, №2458244 ориентированы на использование в крупногабаритных двигателях, имеющих небольшое относительное удлинение (отношение длины к диаметру менее 3). Для зарядов больших относительных удлинений (более 5), эти решения не позволяют обеспечить повышение коэффициента объемного заполнения до уровня 0,92 и выше при сохранении работоспособности заряда.

Из уровня техники известен способ изготовления скрепленного с корпусом заряда смесевого ракетного твердого топлива с повышенным значением коэффициента объемного заполнения по патенту РФ №2374480 (опубл. 27.11.2009 г.), включающий размещение в корпусе, по меньшей мере, одного неизвлекаемого формообразующего элемента (НФЭ), выполненного из материала, скорость горения которого выше скорости горения топлива, формование заряда.

Известное техническое решение ориентировано на использование только низкомодульного топлива вплоть до пластичного, поэтому в конструкцию заряда введен вкладыш, удерживающий топливо в объеме корпуса, усложняющий технологию изготовления заряда, а также снижающий коэффициент объемного заполнения корпуса. Изобретение не предусматривает возможности использовать радиально ориентированные НФЭ ввиду отсутствия канала в заряде, что не позволяет изготавливать широко распространенные конструкции многорежимных зарядов щелевого типа. Следует отметить, что это техническое решение не предусматривает использование НФЭ в виде радиально ориентированных пластин, что не позволяет изготавливать широко распространенные конструкции многорежимных зарядов щелевого типа. Таким образом, известное изобретение имеет недостаточную технологичность и ограниченные эксплуатационные возможности применительно к решению задач настоящего изобретения.

Известен ракетный двигатель твердого топлива по патенту РФ на полезную модель №92109 (опубл. 10.03.2010), в частности, реализующий принятый за прототип способ изготовления скрепленного с корпусом канального заряда смесевого ракетного твердого топлива, включающий размещение в корпусе, по меньшей мере, одного неизвлекаемого формообразующего элемента, выполненного из материала и/или покрытого материалом, скорость горения которого выше скорости горения топлива, формование и последующее отверждение заряда.

Прототип позволяет повысить K_v, так как предусматривает использование скрепленного с корпусом заряда с минимально допустимыми сечениями газового тракта, частично или полностью заполненного неизвлекаемыми формообразующими элементами (НФЭ) изготовленными из быстрогорящего материала или материала с повышенной теплопроводностью и позволяющими реализовать требуемый режим работы двигателя.

Однако в прототипе не затрагивается проблема надежного скрепления НФЭ с топливом, которое существенно повышает напряженность заряда в широком температурном диапазоне от минус 50°С до плюс 50°С. При этом в случае нарушения скрепления НФЭ с зарядом не исключен неконтролируемый режим изменения поверхности горения заряда на этапе работы ДУ.

При изготовлении скрепленных с корпусом зарядов рассматриваемого типа существующими способами равновесная температура системы заряд-корпус реализуется на уровне 40-50°С. При изменении температурных условий эксплуатации от плюс 50°С до минус 50°С, температурная нагрузка будет достигать 90-100°С, что приведет к недопустимо высокому уровню напряженно-деформированного состояния (НДС) в заряде, нарушению структурной целостности и снижению работоспособности системы корпус-заряд-НФЭ. Разгрузить указанную систему за счет увеличения диаметра центрального канала возможно, но одновременно сохранить в прототипе на высоком уровне коэффициент объемного заполнения корпуса не представляется возможным.

Кроме того, для скрепленных с корпусом зарядов канально-щелевого типа с уровнем равновесной температуры ниже 0°С является появление нетрадиционных особенностей их формоизменения, обусловленных объемными изменениями заряда вследствие теплового расширения топлива. При температурах выше температуры равновесного состояния реализуется уменьшение ширины щелевых вырезов, так что при среднеобъемной температуре плюс 50°С в случае отсутствия НФЭ указанные эффекты приведут к полному «схлопыванию» (закрытию) щелей [Сакович Г.В. и др. Обеспечение эксплуатационной работоспособности изделий //Фундаментальные и прикладные проблемы технической химии: К 10-летию Института проблем химико-энергетических технологий СО РАН: сборник научных трудов. - Новосибирск: Наука, 2011. - С. 156-165]. В этом случае режим работы ДУ также будет нерасчетным. В связи с изложенным применение НФЭ, жестко скрепленных с топливом, в таких зарядах является обязательным.

Таким образом, прототип не пригоден для конструкций зарядов больших удлинений с высокими значениями коэффициента объемного заполнения корпуса топливом, использование которых предполагается в широком температурном диапазоне от минус 50°С до плюс 50°С.

Следует отметить, что в прототипе не акцентируется внимание на таком важном признаке как выбор способа изготовления заряда.

Технической задачей заявляемого технического решения является создание способа изготовления скрепленного с корпусом канального заряда смесевого ракетного твердого топлива с НФЭ, имеющего расширенные эксплуатационные возможности, пригодного для изготовления зарядов больших удлинений, способных сохранять структурную целостность и работоспособность в широком температурном диапазоне от минус 50°С до плюс 50°С при одновременном обеспечении коэффициента объемного заполнения корпуса топливом, превышающего 0,92, за счет оптимизации жесткостных характеристик корпуса и создания условий изготовления заряда, приводящих к снижению температурной нагрузки на заряд в процессе эксплуатации до уровня 35-50°С.

Предложенный способ изготовления заряда должен одновременно обеспечивать возможность использования современных и перспективных энергоемких СРТТ с модулем упругости 1,0÷5,0 МПа и пониженным уровнем деформационных и прочностных характеристик. Практическая реализация предлагаемых в настоящем изобретении технических решений позволит увеличить эффективность ДУ в целом на 11÷14% без увеличения стоимостных параметров изготовления заряда.

Наиболее эффективные способы изготовления скрепленных с корпусом зарядов смесевого ракетного твердого топлива канально-щелевого типа с большим относительным удлинением базируются на применении свободнолитьевых технологий. Корпус, собранный с формообразующей оснасткой и сливной системой устанавливают в барокамеру и производят одновременное вакуумирование внутренней полости корпуса, пространства в барокамере, окружающего корпус, бункера-накопителя с топливной массой. После завершения формования с помощью специального узла (клапана) осуществляется поддавливание топливной массы и ее отсечка. Далее заряд отправляют на отверждение.

Основными инструментами обеспечения пониженного уровня равновесной температуры заряда в этом случае являются: жесткостные характеристики (коэффициент податливости) корпуса (ΔV/ΔP) и технологические параметры изготовления заряда (среднеобъемная температура Т_отс и давление Р_отс при отсечке топливной массы в конце формования заряда).

Требования к жесткостным параметрам корпуса определяются исходя из необходимого уровня равновесной температуры заряда, зависящего от механических характеристик конкретного топлива. Фактические значения коэффициента податливости конкретного корпуса определяется на этапе его изготовления по результатам гидравлических испытаний. Температура Т_отс определяется температурно-временными условиями формования: температурой слива топливной массы, температурой среды в барокамере. Температура слива определяется литьевыми свойствами топливной массы. Давление отсечки и температура в барокамере выбирается с учетом фактически реализованного коэффициента податливости корпуса из условия обеспечения требуемого уровня равновесной температуры заряда.

При необходимости (например, для компенсации падения давления δ в конце фазы отверждения, обусловленного полимеризационной усадкой топлива) перед отсечкой топливной массы может осуществляться дополнительная выдержка системы корпус - заряд - технологическая оснастка в течение 6-12 часов при пониженной (относительно условий формования) на 5-10°С температуре в барокамере.

Равновесная температура заряда определяется любым известным способом (например, изложенным в патенте РФ №2227131).

Поставленная задача решается предлагаемым способом изготовления скрепленного с корпусом канального заряда смесевого ракетного твердого топлива, включающим размещение в корпусе, по меньшей мере, одного неизвлекаемого формообразующего элемента, выполненного из материала и/или покрытого материалом, скорость горения которого выше скорости горения топлива, формование заряда. Особенность заключается в том, что заряд формуют методом свободного литья с последующим поддавливанием и отсечкой топливной массы на завершающей стадии формования, величину давления 2,8-5,0 выбирают из условия получения равновесной температуры заряда в диапазоне от 0°С до минус 15°С в зависимости от уровня механических характеристик конкретного топлива, при этом используют корпус, выполненный из материала, обладающего податливостью 3,2⋅10^-5-3,8⋅10^-5 м³/МПа и удельной прочностью 1,3-1,6 МПа⋅м³/кг, каждый неизвлекаемый формообразующий элемент жестко скрепляют с зарядом, а их количество, геометрию и расположение в заряде выбирают из условия одновременного обеспечения коэффициента объемного заполнения корпуса топливом, превышающего 0,92, требуемого режима работы двигателя и прочностной работоспособности заряда в температурном диапазоне от минус 50°С до плюс 50°С.

Способ иллюстрируется графическими изображениями.

На фиг. 1 представлен продольный разрез скрепленного с корпусом канального заряда смесевого твердого ракетного топлива для однорежимного ракетного двигателя твердого топлива (РДТТ).

На фиг. 2 представлено сечение А-А на фиг. 1.

На фиг. 3 представлен продольный разрез скрепленного с корпусом канального заряда смесевого твердого ракетного топлива для двухрежимного РДТТ.

На фиг. 4 представлено сечение Б-Б на фиг. 3.

На фиг. 5 представлено сечение В-В на фиг. 3.

Примеры конкретного осуществления предлагаемого способа.

Пример 1. Для изготовления однорежимного РДТТ (фиг. 1 и фиг. 2) с коэффициентом объемного заполнения 0,925, со скрепленным зарядом твердого топлива методом свободного литья на установке вертикального формования выбран стеклопластиковый корпус 1 с коэффициентом податливости 3,2⋅10^-5 м³/МПа и удельной прочностью 1,3 МПа⋅м³/кг, способный выдерживать предельное максимальное давление 20,0 МПа, а также восемь пластин НФЭ 2 одного типоразмера из быстросгораемого материала (например, металлокерамика Ti+B+Al со связующим ПСВ 16/1). Объем заряда составляет 14,94⋅10^-3 м³.

Пластины НФЭ 2 и внутреннюю поверхность корпуса 1 покрывали крепящим составом, извлекаемую каналообразующую оснастку (условно не показана) - антиадгезионным покрытием. Затем корпус 1, пластины НФЭ 2 собирали с каналообразующей оснасткой, технологическими крышками. Сборку устанавливали в барокамеру с температурой среды 23°С и подсоединяли сливную систему и бункер-накопитель с топливной массой при температуре слива 27°С. Барокамеру, внутреннюю поверхность корпуса и бункер-накопитель вакуумировали, после чего осуществляли слив топливной массы из бункера-накопителя во внутреннюю полость корпуса 1. После заполнения корпуса 1 на него устанавливали клапан и осуществляли поддавливание и отсечку топливной массы с давлением 5,0 МПа. Далее изделие отправляли на вулканизацию (отверждение) при температуре 40°С. Падение давления в системе в течение процесса отверждения, обусловленное полимеризационной усадкой топлива, составило 0,3 МПа. Значение равновесной температуры заряда составляет минус 7,88°С.

Дефектоскопия и измерение геометрических параметров при различных температурах, проведенные после распрессовки заряда подтвердили его качество по монолитности и достоверность полученной оценки его равновесной температуры. В результате эксплуатационных испытаний подтверждена прочностная работоспособность заряда.

Пример 2. Для изготовления двухрежимного РДТТ (фиг. 3, фиг. 4, фиг. 5) с коэффициентом объемного заполнения 0,935, со скрепленным зарядом твердого топлива методом свободного литья на установке вертикального формования выбран органопластиковый корпус 1 с коэффициентом податливости 3,8⋅10^-5 м³/МПа и удельной прочностью 1,6 МПа⋅м³/кг, способный выдерживать предельное максимальное давление 25,0 МПа, а также восемь пластин НФЭ 2 двух типоразмеров, например из алюминия с нанесенным на них быстросгораемым материалом (например, покрытие Ti+B+АСД6+СuО+С). Объем заряда составляет 15,10⋅10^-3 м³.

Пластины НФЭ 2 и внутреннюю поверхность корпуса 1 покрывали крепящим составом, извлекаемую каналообразующую оснастку (условно не показана) - антиадгезионным покрытием. Затем корпус 1, пластины НФЭ 2 собирали с каналообразующей оснасткой, технологическими крышками. Сборку устанавливали в барокамеру с температурой среды 23°С и подсоединяли сливную систему и бункер-накопитель с топливной массой при температуре слива 27°С. Барокамеру, внутреннюю поверхность корпуса и бункер-накопитель вакуумировали, после чего осуществляли слив топливной массы из бункера-накопителя во внутреннюю полость корпуса 1. После заполнения корпуса температуру в барокамере снижали до 18°С и сборку выдерживали в течение 8 часов, по истечении которых на крышку корпуса 1 устанавливали клапан и осуществляли поддавливание и отсечку топливной массы с давлением 2,8 МПа. Далее изделие отправляли на вулканизацию (отверждение) при температуре 40°С. Падение давления в системе в течение процесса отверждения, обусловленное полимеризационной усадкой топлива, составило 0,3 МПа. Значение равновесной температуры заряда составляет минус 0,56°С.

Дефектоскопия и измерение геометрических параметров при различных температурах, проведенные после распрессовки заряда подтвердили его качество по монолитности и достоверность полученной оценки его равновесной температуры. В результате эксплуатационных испытаний подтверждена прочностная работоспособность заряда.

Указанные примеры не ограничивают возможности воплощения изобретения, а лишь подтверждают достижение поставленной технической задачи.

Таким образом, предлагаемый способ изготовления скрепленного с корпусом канального заряда смесевого ракетного твердого топлива практически реализуем и технологически целесообразен.