ВОСПЛАМЕНИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ РАКЕТНЫХ ТОПЛИВ Российский патент 1999 года по МПК C06C9/00 

Предлагаемое изобретение относится к устройствам, предназначенным для воспламенения ракетных топлив в РДТТ и других энергосиловых установках.

В настоящее время в системах запуска РДТТ широко применяются воспламенительные устройства (ВУ), принцип действия которых основан на зажигании топлива путем воздействия на него высокотемпературного потока продуктов горения используемых пиротехнических составов.

Главными элементами конструкции этих ВУ является корпус и заряд. Под термином "корпус" понимается собственно корпус с газовыходными отверстиями, изготовленный из стали, алюминия или неметаллических материалов и другие детали, например крышку, наружную оболочку и т.д. Основным элементом заряда является пиротехнический воспламенительный состав (ВС) в виде различных по форме и размерам таблеток.

Для передачи огневого импульса от инициатора (пиропатрона) к основному ВС может применяться первичный (передаточный) ВС в виде таблеток или гранул, размещенный в крышке ВУ или в других местах корпуса.

В качестве примера можно привести известное воспламенительное устройство традиционной конструкции (см. И.Х.Фахрутдинов, А.В.Котельников. Конструкция и проектирование ракетных двигателей твердого топлива. М., 1987, стр. 210), содержащее корпус, в котором размещен заряд в виде крупных цилиндрических таблеток, изготовленных из воспламенительного состава, и передаточный состав.

Наиболее близким техническим решением (прототипом) предлагаемого изобретения является ВУ (фиг.1), состоящее из корпуса (3) и заряда (5) (см. В.В. Калинин, Ю. Н.Ковалев, А.М.Липанов. Нестационарные процессы и методы проектирования узлов РДТТ. М., 1986, стр. 19).

Заряд выполнен из основного ВС в виде таблеток на основе окислителей: нитратов калия, бария, натрия, перхлората калия; горючих: магния, алюминия, титана, циркония, бора или их сплавов и первичного ВС (1), размещенного в крышке ВУ (2).

При работе ВУ продукты горения заряда поступают через отверстия корпуса в камеру сгорания двигателя и воспламеняют топливный заряд.

Недостатком данного устройства является невозможность выполнения предъявляемых к ВУ требований в части обеспечения быстрого выхода двигателя на режим (малых значений времени задержки воспламенения топливного заряда и времени выхода двигателя на режим) без резкого повышения тепловых воздействий на заряд ТРТ и элементы конструкции камеры сгорания (КС) двигателя. Речь идет о том, что при использовании устройства - прототипа достигнуть существенной интенсификации процесса воспламенения топлива и сокращения времени выхода двигателя на режим можно только за счет повышения массового расхода и теплового потока продуктов сгорания.

Повышенное тепловое воздействие на топливо приводит к его "выжиганию" и резкому подъему (пику) давления в КС, что вызывает необходимость повышения прочности корпуса, усиления системы крепления заряда, т.е. в конечном итоге приводит к увеличению пассивной массы двигателя и к ухудшению его энергомассовых характеристик.

Задачей настоящего изобретения является создание такого воспламенительного устройства, которое обеспечивает малые временные параметры выхода двигателя на режим и в то же время не оказывает значительных тепловых воздействий на заряд и элементы конструкции КС двигателя.

Указанная задача решается тем, что в известном устройстве-прототипе, содержащем корпус и заряд, последний выполнен из смеси ВС с катализатором горения твердого ракетного топлива, взятых в соотношении от 95/5 до 55/45 по массе.

Основным отличием предлагаемого изобретения является выполнение заряда с катализатором горения ТРТ в количестве от 5 до 45% по массе.

Как известно, (см. А.П.Глазкова. Катализ горения взрывчатых веществ. М., 1976; Н.А.Силин, В.А.Ващенко и др. Окислители гетерогенных конденсированных систем. М.: Машиностроение, 1978; И.Шумахер. Перхлораты, свойства, производство и применение. Пер. с анг. М.: ГНГИ химической литературы, 1963), катализаторами горения ТРТ служат вещества, которые, будучи введены в топливо, интенсифицируют физико-химические процессы, происходящие при его горении, и способствуют повышению скорости горения.

Наиболее эффективными катализаторами горения ТРТ различных типов являются соединения ферроценового ряда и неорганические соединения металлов переменной валентности.

Сущность настоящего изобретения базируется на предположении о единстве основных физико-химических процессов, протекающих в топливе в период воспламенения и стационарного горения, т.е. те вещества, которые интенсифицируют процесс горения топлива должны способствовать ускорению процесса его воспламенения.

Таким образом, при горении предлагаемого ВУ в двигателе за счет подвода к воспламеняемой поверхности топлива катализаторов его горения или продуктов их разложения происходит каталитическое воздействие этих продуктов на химические реакции, определяющие процессы воспламенения и горения ТРТ на стадии выхода РДТТ на режим.

Известны ВУ для твердотопливных ракет, разработанные фирмой Филипс Петролеум компании (патенты США N 2988876 и N 2990683, класс 60 - 35.6), содержащие корпус и заряд из воспламенительного состава, а также один или два дополнительных диска, которые изготовлены из воспламенительных составов с различной скоростью горения, аналогичных по рецептуре смесевым твердым топливам и включающих оксиды металлов, соли и другие соединения в количестве от 0,1 до 3%. Эти соединения в ВС являются в данном случае стабилизаторами и регуляторами скорости горения самих составов. Диски выполняют функцию сопроводителей горения воспламенителя и топливного заряда в начальный период его работы и позволяют уменьшить падение давления, которое вызвано неодновременным воспламенением всех поверхностей заряда и может привести к затуханию топлива в критический период его зажжения. В отличие от этих устройств предлагаемое ВУ, заряд которого содержит катализатор горения ТРТ в количестве от 5 до 45% по массе, обеспечивает целенаправленное каталитическое воздействие на процесс воспламенения топливного заряда и позволяет получить требуемые малые значения временных параметров воспламенения топлива при существенно меньших тепловых потоках за счет каталитического ускорения происходящих при воспламенении процессов.

Механизм действия предлагаемого ВУ заключается в сочетании теплового и химического (каталитического) воздействия на топливо высокотемпературных продуктов горения, содержащих каталитически активные по отношению к воспламеняемому топливу реагенты. При введении в заряд ВУ катализатора горения ТРТ в количестве от 5 до 45% по массе обеспечивается оптимальный вклад тепловой и химической составляющей в процесс воспламенения топлива. Содержание в заряде ВУ катализатора до 5% не обеспечивает достаточного вклада химической составляющей, то есть не позволяет подвести к воспламеняемой поверхности топливного заряда того количества каталитически активных реагентов, которое является достаточным для существенного уменьшения временных параметров выхода двигателя на режим и снижения тепловых воздействий на заряд ТРТ и элементы конструкции КС двигателя. Содержание катализатора в заряде ВУ свыше 45% приводит к существенному снижению тепловой составляющей процесса воспламенения, при котором увеличиваются временные параметры выхода двигателя на режим.

Таким образом, использование предлагаемого ВУ, заряд которого выполнен из смеси воспламенительного состава с катализатором горения ТРТ, взятых в соотношении от 95/5 до 55/45 по массе, позволяет в конечном итоге обеспечить малые значения временных параметров выхода двигателя на режим и одновременно снизить тепловые нагрузки на заряд и конструкционные элементы КС двигателя.

В качестве воспламенительных составов могут быть использованы применяемые для воспламенения ракетных топлив ВС на основе окислителей: нитратов калия, бария, натрия, перхлората калия; горючих: магния, алюминия, титана, циркония, бора или их сплавов.

Предлагаемое воспламенительное устройство (фиг.2) состоит из корпуса, включающего собственно корпус (3), крышку (2), наружную оболочку (4), первичного ВС (1) и заряда, выполненного из смеси воспламенительного состава с катализатором горения ТРТ, взятых в соотношении от 95/5 до 55/45 по массе.

На фиг. 2 воспламенительный состав (5) и катализатор горения ТРТ (6) показаны в виде таблеток. Могут быть различные варианты предлагаемого заряда ВУ: таблетки ВС и катализатора могут отличаться по конфигурации, размерам и расположению в корпусе. Например, таблетки катализатора могут располагаться на дне корпуса, в верхней его части (под крышкой) или послойно чередоваться с таблетками ВС. Могут быть варианты ВУ, в котором заряд выполнен из ВС и катализатора, причем последний введен непосредственно в рецептуру ВС. В этом случае заряд может состоять из однородных по составу и форме таблеток различной массы и размеров (начиная от большого количества мелких таблеток до нескольких крупных или одного моноблочного заряда).

Предлагаемое устройство работает следующим образом. От продуктов сгорания пиропатрона, размещенного вне ВУ - в крышке двигателя, воспламеняется заряд, содержащий катализатор горения ТРТ. Продукты горения воспламенителя, истекая через газовыходные отверстия корпуса, поступают в КС двигателя и подводятся к воспламеняемой поверхности заряда ТРТ. При этом происходит тепловое и каталитическое воздействие продуктов горения ВУ на топливо, активизируются химические реакции, определяющие процессы воспламенения и горения ТРТ на стадии выхода РДТТ на режим.

В НИИПХ были проведены исследования, включающие широкий круг катализаторов горения ТРТ: ферроцен и его производные, оксиды железа, хрома, шпинели МХО, оксиды марганца, меди, бихромат аммония и др. Катализатора вводили непосредственно в рецептуру ВС или в заряд ВУ в виде таблеток (гранул).

Исследования проводили в стендовых установках, моделирующих условия и конструкции ракетных камер, с использованием модельных зарядов ТРТ канального и торцевого горения.

В качестве примера в табл. 1 и 2 (см. в конце описания) представлены результаты исследований влияния катализатора горения (ферроцена) с ВС на основе бария азотнокислого и титана на время задержки воспламенения ТРТ и пик давления при воспламенении (отношение максимального давления на начальном участке кривой "давление-время" - P_m к среднему давлению - P_ср.). В табл. 1 также приведены значения температуры продуктов горения ВС с катализатором и без него и соответствующее отношение тепловых потоков (q_k/q_о).

Как видно из табл. 1, при введении в состав катализатора горения ТРТ (ферроцена) до 10%, несмотря на уменьшение уровня теплового воздействия на топливный заряд, получено существенное снижение времени задержки его воспламенения. Одновременно с этим происходит уменьшение уровня максимального давления на начальном "участке" кривой "давление-время".

При использовании катализатора горения в заряде ВУ свыше 10% в виде таблеток также получено снижение τ_з (табл. 2). Минимальное значение τ_з , равное 0,11 с, зафиксировано при содержании катализатора в заряде 15%.

Аналогичные результаты получены при использовании других катализаторов горения ТРТ. Например, при введении в заряд ВУ шпинели МХО время задержки воспламенения топливного заряда снизилось до 0,17 с, при введении оксида железа τ_з снизилось до 0,10 с.

Таким образом, как показывают результаты испытаний, наиболее значительное влияние катализатора горения ТРТ на параметры выхода двигателя на режим происходит при использовании ВУ, заряд которого выполнен из смеси ВС с катализатором горения ТРТ, взятых в соотношении от 95/5 до 55/45 по массе.

Изобретение относится к устройствам, предназначенным для воспламенения ракетных топлив в РДТТ и других энергосиловых установках. Изобретение позволяет обеспечить малые значения временных параметров выхода двигателя на режим и одновременно снизить тепловые нагрузки на заряд и конструкционные элементы камеры сгорания двигателя. Воспламенительное устройство состоит из корпуса и заряда, выполненного из воспламенительного состава с катализатором горения твердого ракетного топлива, взятых в соотношении от 95/5 до 55/45 по массе. 2 ил., 2 табл.

Воспламенительное устройство для твердых ракетных топлив, содержащее корпус и заряд из воспламенительного состава, отличающееся тем, что заряд выполнен из воспламенительного состава с катализатором горения твердого ракетного топлива, взятых в соотношении от 95/5 до 55/45 по массе.