ЗАРЯД СМЕСЕВОГО ТВЕРДОГО ТОПЛИВА Российский патент 2001 года по МПК F02K9/36 

Изобретение относится к области военной техники, а именно к конструкции зарядов смесевого твердого топлива (СТТ) ракетных двигателей.

Заряды, скрепленные с силовой обечайкой корпуса двигателя, имеют у торцов резко выраженные зоны концентрации напряжений (в основном, при действии тепловой нагрузки). Концентрация отрывных напряжений (при охлаждении) обусловлена тепловым перепадом между равновесной температурой заряда Т_р (температура, близкая к температуре полимеризации топлива) и температурой эксплуатации двигателя Т_э: Δ T = Т_э - Т_р, а также различием коэффициентов линейного расширения топлива и материала силовой обечайки корпуса (металл, органопластик, стеклопластик), которые отличаются на порядок.

С целью снижения концентрации напряжений клеевые швы топливного блока защищены на торцах различного рода эластичными вставками (см. И.X.Фахрутдинов, А.В.Котельников "Конструкция и проектирование ракетных двигателей твердого топлива", М. , 1987 г., стр. 201, рис. 8.9), где оговаривается, что размеры вставок желательно иметь в пределах:
ΔX/В = 0,03...0,14,
Δr/B=0,03...0,06,
где ΔX - длина вставки по оси заряда;
Δr - толщина вставки по радиусу заряда;
B - внешний радиус заряда.

Данная конструкция заряда принята за прототип (фиг. 1).

Основное допущение описанного технического решения - близость жесткостей резины и топлива или равенство модулей упругости резины E_р и топлива E_т(E_р ≈ E_т).

Однако, соотношение (E_р ≈ E_т) может быть реализовано на практике довольно редко и только при конкретном температурном диапазоне.

Основным недостатком конструкции прототипа является отсутствие зависимости геометрических параметров эластичной вставки от жесткости материала эластичного элемента (модуля упругости) и топлива (модуля ползучести).

Очевидно, что при повышенной жесткости материала эластичного элемента защиты клеевого шва по отношению к топливу, его разгружающий эффект не будет достигнут и концентратор напряжений останется в топливе. Большая жесткость резины по отношению к топливу (E_р > E_т), как правило, и реализуется на практике, особенно для эрозионно стойких марок резин. В процессе отработки зарядов с эластичными вставками и рекомендуемыми согласно прототипу размерами при высокой жесткости резины, например, марки 51-2166 (P-864M), из-за концентрации отрывных напряжений, были получены отслоения топлива от эластичных элементов, которые приводят к недопустимым аномалиям при работе двигателя.

Можно даже утверждать, что рекомендуемые соотношения жесткостей резины и топлива (E_р ≈ E_т), согласно прототипу, вообще невозможно обеспечить при хранении и эксплуатации двигателя в естественном климатическом диапазоне температур (от минус 50^oC до плюс 50^oC) из-за различия температурных зависимостей жесткости топлива и резины. Кроме того, в процессе исследований установлено, что соотношение (E_р ≈ E_т) не является оптимальным.

Обеспечение разгружающего эффекта концентратора напряжений в топливе при использовании эластичных вставок и теплозащитных покрытий корпусов из жестких эрозионно стойких резин может быть достигнуто разрезом элемента вставки (фиг. 2а), либо установкой клиновидных проставок из более "мягкой" резины, типа 51-1667(14М10) (фиг. 2б), которые обеспечивают непосредственно эффект разгрузки концентраций напряжений, а применение жестких марок резин повышает эрозионостойкость покрытий. Однако такие конструкции усложняют технологию изготовления эластичных элементов.

Задачей изобретения является установление размеров эластичных элементов, обеспечивающих равнопрочность зарядов с учетом геометрических соотношений и жесткостей материалов резины и топлива.

Поставленная задача решается путем исследования напряженно-деформированного состояния в районе торцов заряда, исходя из принципа дискретной равнопрочности. То есть ставится задача по обеспечению уровня напряжений на клеевом шве топлива у торца, не превосходящего их уровень в месте, где регулирование напряжений осуществить сложно (контактная зона в средней части заряда) (фиг. 3). При этом, конструкция эластичного элемента будет оптимальна, когда при минимальной массе элемента он обеспечивает допустимый уровень напряжений в клеевом шве у торца заряда, равный уровню напряжений в средней части заряда.

Задача решается за счет того, что в известном заряде смесевого твердого топлива, содержащем корпус (силовую обечайку), защитно-крепящий слой, узел скрепления торцевой части заряда в виде эластичной вставки, расположенной между топливом и внутренней поверхностью корпуса, размеры эластичной вставки с учетом разномодульности материала вставки и топлива из условия равнопрочности заряда должны удовлетворять соотношениям (фиг. 4):
размер по оси заряда от торца ΔX (длина вставки)

размер по торцу заряда Δr (толщина вставки)

где E_р - модуль упругости резины на заданную температуру;
E_т - модуль ползучести топлива на крайнюю нижнюю температуру хранения двигателя;
B - внешний радиус заряда.

На фиг. 5 показаны типовые диаграммы распределения отрывных температурных напряжений по границе топливо-резина защитно-крепящего слоя при различных соотношениях E_р и E_т.

Как следует из практических результатов, представленных на фиг. 4 и 5, именно установленные соотношения размеров эластичной вставки в зависимости от соотношения жесткостей резины и топлива обеспечивают равнопрочность заряда. В случае выхода параметров вставки за установленные пределы соотношений условие равнопрочности заряда не обеспечивается, при выходе параметров вставки за нижний предел ухудшаются прочностные характеристики заряда, при завышении верхнего предела повышается пассивный вес заряда и ухудшаются энергетические характеристики двигателя.

Заряд смесевого твердого топлива ракетных двигателей содержит корпус, защитно-крепящий слой, узел скрепления торцевой части заряда в виде эластичной вставки, расположенной между топливом и внутренней поверхностью корпуса. Размеры эластичной вставки с учетом разномодульности материала вставки и топлива из условия равнопрочности заряда должны удовлетворять соотношениям
размер от торца заряда (длина вставки);
размер по торцу заряда (толщина вставки), где Е_р - модуль упругости резины на заданную температуру; Е_т - модуль ползучести топлива на нижнюю температуру хранения двигателя; В - внешний радиус заряда. Изобретение обеспечивает повышение равнопрочности зарядов. 5 ил.

Заряд смесевого твердого топлива, содержащий корпус, защитнокрепящий слой, узел скрепления торцевой части заряда в виде эластичной вставки, расположенной между топливом и внутренней поверхностью корпуса, отличающийся тем, что размеры эластичной вставки с учетом разномодульности материала вставки и топлива из условия равнопрочности заряда должны удовлетворять соотношениям

размер от торца заряда (длина вставки);

размер по торцу заряда (толщина вставки);
где Е_р - модуль упругости резины на заданную температуру;
Е_т - модуль ползучести топлива на нижнюю температуру хранения двигателя;
R - внешний радиус заряда.