Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЗАРЯДОВ СМЕСЕВОГО РАКЕТНОГО ТВЕРДОГО ТОПЛИВА

Изобретение относится к области изготовления заряда ракетного двигателя (РД) из смесевого ракетного твердого топлива (СРТТ), а конкретно к технологии изготовления заряда методом литья под давлением на установке непрерывного действия со шнековой выгрузкой и отверждения его групповым способом под давлением. Способ может быть применен в промышленности для производства твердотопливных двигателей различных классов ракет, пороховых аккумуляторов давления для скважин и других изделий аналогичного назначения.

Развитие ракетной техники выдвигает все более повышенные требования к качеству зарядов СРТТ, к эффективности производства за счет снижения трудозатрат при изготовлении, повышения производительности, и тем самым к способу их изготовления.

Анализом отечественной и зарубежной патентной литературы установлено, что известны способы формования заряда литьем под давлением, предусматривающие нагревание компонентов топливной массы при смешении до температуры выше точки размягчения (патент США 3396215); до температуры 100-125^oС (патент США 3408431); способ горячего формования блоков при температуре 85^oС и более (патент Франции 2376094, кл С 06 В 21/00); существует способ полимеризации топлива под давлением инертного газа, которое выше атмосферного, но не выше 1/4 рабочего давления заряда при температуре 40-50^oС (патент Франции 2116934, кл. С 06 В 21/00).

Известен также способ экструзии для получения смесевого твердого топлива (патент США 4776993 МКИ С 06 G 21/00), который взят авторами в качестве прототипа, предусматривающий дополнительное перемешивание топливной массы в течение 60-120 мин, отверждения до твердости 40-70 единиц по Шору, экструдирование при температуре менее 49^oС и окончательное отверждение топливва.

Недостатками указанных способов и прототипа являются:
- относительно высокая температура формования 85^oС и более и низкая температура отверждения 40-50^oС, что приводит к образованию разрежения в корпусе при отверждении, подсосу воздуха из атмосферы через неплотности пресс-формы и к нарушению качества зарядов по монолитности;
- относительно высокая температура формования 85^oС и более не обеспечивает создания необходимого давления топливной массы в корпусе РД в конце формования заряда на установке со шнековой выгрузкой вследствие низкой вязкости топливной массы до 3,0•10² Па•с при таких температурах, что также служит причиной образования дефектов в заряде;
- отсутствие термостатирования в процессе группирования заряда перед отверждением не исключает возможности подсоса воздуха в корпус РД из-за снижения давления в корпусе ниже атмосферного в результате охлаждения топливной массы;
- отсутствие ограничений по времени и температуре термостатирования в процессе группирования зарядов, что может привести к образованию микротрещин в заряде в случае превышения полноты отверждения топлива до постановки на отверждение допустимых пределов.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является улучшение качества заряда по монолитности, повышение производительности и безопасности процесса отверждения заряда.

Предлагаемый способ изготовления заряда из СРТТ включает формование заряда методом литья топливной массы под давлением на установке непрерывного действия со шнековой выгрузкой, поддержание температуры топливной массы в шнеке при формовании путем подачи теплоносителя в кожух шнека, группирование зарядов для отверждения и отверждение под давлением.

Технический результат достигается следующим образом.

Формуют заряд в корпус РД при температуре топливной массы на 10-20^oС ниже температуры отверждения, отформованный заряд выдерживают при работающем шнеке в течение 120-420 с с одновременным охлаждением топливной массы в шнеке путем подачи теплоносителя в кожух шнека с температурой 5-20^oС и производят отсечку топливной массы при давлении в корпусе ракетного двигателя 0,5-2,0 МПа. Затем в процессе группирования заряд термостатируют при температуре теплоносителя на 2-5^oС выше температуры формования, причем время термостатирования ограничивают временем достижения полноты отверждения топливной массы до 20% и отверждают заряд при температуре 65-85^oC и давлении в корпусе ракетного двигателя 1,5-6,0 МПа.

Взаимосвязь между технологическими параметрами формования и отверждения зарядов определяется эмпирической формулой:
P_ОТВ= P_ОТС+ΔT•μ,
где Р_отв - давление топливной массы в корпусе РД при отверждении.

Для обеспечения безопасности, качества по монолитности и упрощения конструкции пресс-форм предлагается поддерживать в пределах 1,5-6,0 МПа;
Р_отс - давление топливной массы в корпусе РД после формования (отсечки), МПа;
ΔT - разница температур топливной массы в корпусе РД при отверждении и формовании, ^oС;
μ - коэффициент жесткости корпуса РД определяется гидравлическими испытаниями и колеблется в пределах 0,12-0,3 МПа/^oС.

На основании данной зависимости для обеспечения безопасности процесса, исключения образования дефектов в заряде предлагается формование заряда в корпусе РД проводить при температуре топливной массы на 10-20^oС ниже температуры отверждения, а отсечку топливной массы производить при давлении в корпусе РД 0,5-2,0 МПа.

Конкретные режима исполнения предлагаемого способа приведены в табл.1.

При формовании зарядов на установке непрерывного действия со шнековой выгрузкой давление отсечки топливной массы в корпусе РД связано с напорностью шнека, которая для выбранной конструкции аппарата зависит от вязкости топливной массы. Изменение напорности шнека от вязкости топливной массы и вязкости топливной массы от температуры приведены соответственно на фиг.1 и 2. Из фиг.1, 2 видно, что чем выше вязкость топливной массы, тем выше напорность шнека, чем ниже температура, тем выше вязкость топливной массы. Следовательно, увеличение вязкости топливной массы и тем самым повышение напорности шнека для заданной рецептуры топлива можно достичь только путем снижения температуры топливной массы.

Для увеличения напорности шнека 1 (см. фиг.3) достаточно охлаждения топливной массы в узком зазоре δ, на поверхности контакта топливной массы втулка 2 - реборда 3 шнека, что достигается путем подачи теплоносителя в кожух 4 шнека с температурой 5-20^oС. При этом важно правильно выбрать время выдержки. При длительном охлаждении температура топливной массы понизится не только на поверхности контакта, но и во всем объеме шнека, что приведет к снижению температуры топливной массы в корпусе РД и увеличению продолжительности отверждения заряда. Зависимость давления отсечки (Р_отс) от времени выдержки и температуры теплоносителя, подаваемого во втулку шнека, приведена в табл.2.

Из данных табл.2 температура теплоносителя выбрана 5-20^oС, время выдержки 120-420 с, которые обеспечивают создание требуемого давления отсечки топливной массы в корпусе РД в пределах 0,5-2,0 МПа. Снижение температуры теплоносителя ниже 5^oС потребует дополнительных затрат для обеспечения данной температуры теплоносителя, а повышение температуры теплоносителя выше 20^oС удлиняет время выдержки, что является нецелесообразным.

Для исключения образования дефектов в заряде из-за падения давления в корпусе РД до атмосферного, в процессе группирования заряды предлагается термостатировать при температуре теплоносителя на 2-5^oС выше температуры формования.

Конкретные примеры исполнения предлагаемых режимов способа приведены в табл. 3. Примеры приведены для корпусов РД с коэффициентом жесткости μ= 0,25-0,3 МПа/^oС, давления отсечки топливной массы Р_отс=0,5-0,7 МПа и времени группирования 36 ч.

Как видно на данных табл. 3, температура теплоносителя на 2-5^oС выше температуры формования заряда, предлагаемой в способе, исключает охлаждение топливной массы в процессе группирования зарядов и падение избыточного давления в корпусе, предотвращает попадание воздуха в корпус РД и образование дефектов в заряде.

Время термостатирования в процессе группирования не должно превышать времени достижения полноты отверждения топлива 20%, или времени потери "живучести" топливной массой. В противном случае происходит образование микротрещин и нарушение целостности заряда при переходе с режима группирования на режим отверждения из-за деформирования подполимеризованной топливной массы в корпусе РД под воздействием прироста температуры и давления.

Опытами, проведенными в НИИПМ г. Перми, показано, что "живучесть" топливной массы определяется временем достижения вязкостью при термостатировании 30 тыс. Па•с, выше которой топливная масса теряет способности к течению без разрыва сплошности. На фиг.4, 5 приведены зависимости вязкости и полноты отверждения топлива от времени термостатирования при разных температурах.

Из графиков следует, что, чем выше температура взаимодействия полимерного связующего с вулканизирующими добавками, тем быстрее растет полнота отверждения и вязкость топливной массы. Время потери "живучести" соответствует полноте отверждения топлива 20%.

Время достижения 20%-ной полноты отверждения топлива при фактической температуре теплоносителя в процессе группирования заряда определяют исходя из кинетики отверждения образца топлива при стандартной температуре, например при 80^oС, и коэффициента трансформации (пересчета) времени отверждения с этой температуры на фактическую согласно следующей формуле

где τ - время достижения 20%-ной полноты отверждения состава при фактической температуре, ч;
τ⁸⁰- время достижения 20%-ной полноты отверждения топлива при температуре 80^oС, ч;
χ - коэффициент пересчета времени отверждения с 80^oС на требуемую температуру. При температурах 50, 60, 70^oC коэффициенты соответственно равны 0,14; 0,3; 0,5.

Например, время достижения 20%-ной полноты отверждения топлива при стандартной температуре 80^oС составило 21 ч. Отсюда следует, что время группирования заряда перед отверждением при Т=60^oС (χ₆₀=0,3) не должно превышать 70 ч.

После операции группировки заряд отверждают при температуре 65-85^oС и давлении в корпусе РД 1,5-6,0 МПа.

Предлагаемый способ изготовления заряда СРТТ проверен с положительными результатами на заводе им. С.М. Кирова, г. Пермь. В результате использования способа достигнуты повышение качества зарядов по монолитности, повышение производительности фазы отверждения, обеспечение безопасности процесса, снижение трудозатрат при изготовлении зарядов.