Результат интеллектуальной деятельности: ЗАРЯД ТВЕРДОГО РАКЕТНОГО ТОПЛИВА

Предлагаемое изобретение относится к области ракетной техники, а именно к конструкции зарядов смесевых твердых топлив (СТТ), и может быть использовано при проектировании и отработке ракетных двигателей.

С целью повышения баллистических характеристик двигателя, снижения акустических колебаний в камере двигателя при горении ряда топлив, для обеспечения прочности заряда, а также для изменения скорости горения топлив, широко используется принцип армирования зарядов (свода топлив) какими-либо элементами.

Известен, например, заряд твердого топлива ТТ по патенту США 38/12785, кл. 102-100 (заявлен 30.03.70 г.), в котором ячеистая структура топлива с сепараторами используется для повышения прочности заряда и увеличения поверхности горения.

Известен заряд ТТ по патенту США 3763787, кл. 102-100 (заявлен 11.02.71 г.), армированный стекловолокнистой решеткой.

Наиболее близким по технической сущности является заряд твердого топлива ракетного двигателя по патенту RU 2130125 С1, МПК 6 F 02 K 9/10 от 17.06.96, который принят авторами за прототип.

Конструкция заряда-прототипа представляет собой шашку, содержащую в своде армирующий элемент, представляющий собой ячеистую несущую конструкцию в виде пересекающихся связующих элементов, и покрытие из твердого топлива. Связующие элементы выполнены в виде пустотелых балок необходимого сечения с газопроницаемыми стенками. Ячеистую несущую конструкцию опускают в топливную массу, которая осаждается на нем и застывает. В конечном итоге заряд представляет собой объемную ячеистую газопроницаемую конструкцию, где топливо покрывает связующие элементы на определенную толщину.

Недостатками заряда-прототипа являются следующие.

1. Заряд получают методом окунания ячеистого несущего каркаса в топливную массу, что не позволяет использовать штатные топлива повышенной вязкости.

2. Топлива с низкой вязкостью низкокалорийные, т.к. в них не используются высококалорийные энергетические добавки и такие заряды ограничены в применении.

3. Низкая технологичность и производительность процесса заполнения зарядов с ячеистой несущей конструкцией.

4. Топливо покрывает пустотелые балки на определенную толщину, между балками, покрытыми топливом, имеются пустоты, что резко снижает коэффициент объемного заполнения заряда топливом, что в свою очередь снижает энергетические характеристики двигателя и коэффициент весового совершенства изделия.

5. Данная конструкция заряда накладывает ограничения по габаритам, т.к. невозможно полностью пропитать крупногабаритный каркас без существенных проблем в части равноплотности получаемой конструкции - наличие непропитанных зон и участков с завышенной толщиной покрытия, что, в свою очередь, приводит к нарушению требований по анизотропии конструкции.

Задачей предлагаемого изобретения является создание конструкции заряда, армированного ЯПМ, в котором применяются штатные высокоэнергетические топлива повышенной вязкости, сняты ограничения по габаритам заряда, повышена технологичность его заполнения топливной массой, повышены энергетические характеристики двигателя.

Задача решается за счет того, что в заряде твердого ракетного топлива, выполненного в виде шашки, содержащего армирующий элемент, представляющий собой ячеистую несущую конструкцию в виде пересекающихся связующих элементов, армирующий элемент выполнен из ячеистого пористого материала (ЯПМ) объемной структуры по форме заряда с размером ячеек 1-10 мм армирующего материала при толщине перемычек 0,2-2 мм, пористости ячеистого материала 60-98%, заполненного топливом, а в армирующем материале в направлении движения топливной массы при заполнении выполнены в шахматном порядке глухие каналы с диаметром, в 5...10 раз большим размера ячеек несущей конструкции ЯПМ.

На чертеже представлена конструкция заряда твердого топлива, армированного ЯПМ 1 с глухими отверстиями 2 в армировке. Заряд прочно скреплен с корпусом 3. Глухие отверстия круглые, диаметр отверстий равен 5...10 единиц от характерного размера ячеек ЯПМ. Порядок расположения отверстий в поперечном сечении армированного каркаса обусловлен условием обеспечения равноплотности топлива, что обеспечивает стабильность баллистических и механических характеристик заряда. Величина L определяется, исходя из габаритов ракетного двигателя, конструктивных и прочностных характеристик ЯПМ, особенностей состава топливной массы, диаметра глухих каналов.

Конструкция работает следующим образом: при заполнении заряда топливом топливная масса под давлением проникает через пористые ячейки ЯПМ 1 и одновременно заполняет глухие каналы 2, причем заполнение глухих каналов происходит с опережением за счет меньшего сопротивления движению топливной массе. Дойдя до дна глухого канала, топливная масса под давлением продолжает движение не только в осевом направлении, но и в радиальном, заполняя пористые ячейки ЯПМ в донной части двигателя и между глухими каналами. Диаметр глухих каналов d, размер L - расстояние от глухого канала до донной части двигателя, расстояние между глухими каналами 2L определяется из условия допустимой меры неоднородности (разноплотности) заряда по своду. "Шахматное" расположение отверстий в поперечном сечении армировки заряда обеспечивает удовлетворительную равномерность распределения плотности армировки между отверстиями, что в значительной мере выравнивает движение топливной массы по сечению. При заполнении конструкции ЯПМ с глухими продольными каналами повышение технологичности достигается не только увеличением скорости фронта топливной массы в продольном направлении (вдоль глухих каналов), но и поступлением топлива в радиальном направлении (продавливание из отверстий). Продавливаемый свод ЯПМ должен быть максимально одинаков, что обеспечивает более ровный фронт топливной массы при заполнении, а следовательно, упорядочение структуры заряда (равноплотность и постоянство характеристик), что, в свою очередь, обеспечивает стабильность внутрибаллистических характеристик (ВБХ), в том числе, постоянство скорости горения топлива по своду.

Оптимальность выбранных параметров обусловлена следующим.

1. При размере ячеек ЯПМ менее 1 мм и пористости ячеистого материала менее 60% ухудшается технологичность изготовления зарядов, а именно повышается сопротивляемость движению топливной массы вдоль каркаса ЯПМ, что может привести к неполному заполнению заряда топливом, при размере ячеек ЯПМ более 10 мм и пористости ячеистого материала более 98% нарушаются изотропные свойства заряда;
2. при толщине перемычек менее 0,2 мм снижаются прочностные характеристики заряда, а при более 2 мм повышается наличие твердой фазы ("К-фазы") в продуктах сгорания, что приводит к снижению энергетических характеристик двигателя;
3. при диаметре глухого канала менее 5-кратного размера ячейки ЯПМ образуется неровный фронт заполнения топливной массы и возможность возникновения локальных незаполненных топливом зон, снижается производительность процесса заполнения зарядов и вводятся дополнительные ограничения по относительному удлинению изготавливаемых зарядов, а при диаметре глухого канала более 10-кратного размера ячейки ЯПМ нарушается изотропность прочностных характеристик заряда.

Предлагаемое авторами новое техническое решение позволяет:
- использовать для изготовления штатные высокоэнергетические топлива с повышенной вязкостью;
- повысить коэффициент заполнения заряда топливом за счет полного заполнения несущего каркаса ЯПМ топливом;
- повысить технологичность и производительность процесса заполнения зарядов, армированных ЯПМ;
- изготавливать крупногабаритные заряды с большим относительным удлинением (отношение длины заряда к его внешнему радиусу 2:12);
- обеспечить равноплотность заряда по своду и полностью исключить возможность образования локальных незаполненных топливом зон в каркасе ЯПМ, а следовательно, значительно повысить качество зарядов;
- повысить стабильность выходных характеристик ракетного двигателя.