ЗАРЯД ТВЕРДОГО ТОПЛИВА РАКЕТНОГО ДВИГАТЕЛЯ Российский патент 2002 года по МПК F02K9/16 

Изобретение относится к области ракетной техники, а именно к конструкции зарядов как смесевых твердых топлив, так и баллиститных твердых топлив ракетных двигателей, и может быть использовано при проектировании, отработке и изготовлении ракетных двигателей различного функционального назначения и, в частности, для двигателей активно-реактивных систем (АРС), противотанковых систем (ПТУРС) и зенитных управляемых ракет (ЗУР), где требуется глубокое многоступенчатое регулирование тяги в процессе работы двигателя.

Задачей изобретения является создание заряда твердого топлива с глубоким многоступенчатым регулированием тяги двигателя с высокой эксплуатационной надежностью и использованием штатной технологии изготовления зарядов.

Задача решается за счет того, что в известном заряде твердого топлива, состоящем из последовательно установленных шашек, в своде которых размещен металлический армирующий элемент, армирующий элемент в каждой топливной шашке выполнен из высокопористого ячеистого материала (ВПЯМ) объемной структуры с различающейся теплопроводностью (например, меди, никеля), причем армирующий элемент заполнен одной маркой топлива.

Известны способы регулирования скорости горения топлива армированием его теплопроводными нитями, стержнями и т.п. (см. патент США 3763787, кл. 102-100, 1971; патент Франции 1547698, 1969; патент Японии 5-10369, кл. 29СО, 1975).

Данные конструкции способны изменять скорость горения топлива (следовательно, и тяговооруженность), однако не решают задачу по ступенчатому регулированию скорости горения топлива (тяги двигателя) из-за требуемой армации топлива по своду заряда.

За прототип авторами принят заряд твердого топлива по патенту US 3022735 А, МПК F 02 K 9/04, 1962.

Заряд-прототип представляет собой последовательно установленные топливные блоки (топливные шашки) из составного комбинированного топлива, склеенные между собой клеящим составом и армированные множеством крепящих элементов, представляющих собой множество тонких параллельных металлических проволок, распределенных равномерно и впрессованных в часть вышеуказанных блоков топлива, образующих каркас, служащий для управления геометрией прогрессивно изменяющейся поверхности горения. Проволоки могут быть сделаны из любого теплопроводного материала, такого как алюминий, магний, сталь, платина, медь, вольфрам и т.п.

Недостатками заряда-прототипа являются:
1. Топливные блоки собраны из чередующихся секторов клиновидной формы с множественными крепящими металлическими проволоками, что в значительной степени усложняет процесс изготовления заряда.

2. При воздействии динамических нагрузок на заряд в процессе полета снаряда возможно смещение топливных блоков (секторов) относительно друг друга, что приведет к потере целостности заряда и к его демонтажу.

3. При воздействии температурных перепадов на заряд в процессе его эксплуатации возможны отслоения топлива по границам соединения его с металлическими проволочками, что также снижает его надежность.

4. Применение металлических проволочек, ориентированных в определенном направлении и образующих армирующий элемент, приводит к изменению геометрии поверхности горения, а следовательно, и скорости горения, но не обеспечивает глубокое многоступенчатое регулирование тяги двигателя.

Задачей изобретения является создание конструкции заряда, в котором наряду с высокой его надежностью имеется возможность глубокого многоступенчатого регулирования тяги двигателя (скорости горения топлива) и упрощен процесс его изготовления, т.е. использование штатной технологии изготовления зарядов.

Задача решается за счет того, что в известном заряде твердого топлива, состоящем из последовательно установленных шашек, в своде которых размещен металлический армирующий элемент, армирующий элемент в каждой топливной шашке выполнен из высокопористого ячеистого материала (ВПЯМ) объемной структуры с различающейся теплопроводностью (например, меди, никеля), причем армирующий элемент заполнен одной маркой топлива.

На фиг. 1 показан заряд твердого топлива, армированный ВПЯМ со стороны канала на часть свода топлива. С целью достижения нейтрального закона изменения скорости горения топлива при различных режимах работы двигателя (стартовом и маршевом) канал заряда имеет щелевой участок на часть длины канала. С целью обеспечения требуемой глубины регулирования тяги (отношения тяги на стартовом режиме (R_cт) к тяге маршевого режима (R_м)) каркас ВПЯМ изготавливается из различных материалов (например, меди, никеля и др.), имеющих различную теплопроводность (λ):
λ_медь = 389,6Вт/(м•^°C)(350 ккал/(м•ч•^°С))
λ_никель = 58Вт/(м•^°C)(50 ккал/(м•ч•^°С)).
На фиг. 2 показан заряд твердого топлива (ТТ) торцевого горения, состоящий из секций-шашек, армированных ВПЯМ из материалов различной теплопроводности, заполненных одним составом топлива.

ВПЯМ получают методом порошковой металлургии с применением специальной оснастки. Каркас ВПЯМ хорошо поддается механической обработке, что способствует изготовлению зарядов любой конфигурации.

При формировании заряда ячейки ВПЯМ заполняются топливом. При этом базовая рецептура топлива и технология изготовления зарядов не меняется, что значительно упрощает процесс изготовления зарядов по сравнению с изготовлением секционных зарядов из различных топлив.

Наличие ячеистой структуры каркаса ВПЯМ обеспечивает локальное деформирование топлива в пределах отдельных ячеек, а заполнение заряда топливом одной марки обеспечивает равномерное распределение напряжений по всему своду заряда и исключает зону контакта между секциями (что наблюдается в многосекционных зарядах из различных топлив). Все это повышает эксплуатационную надежность двигателя.

Механизм работы заявленного заряда двигателя следующий. При воспламенении заряда двигателя продуктами сгорания воспламенителя происходит горение секции шашки заряда, армированного ВПЯМ. По мере выгорания топлива армирующий каркас ВПЯМ попадает в зону высокотемпературных продуктов сгорания, и за счет механизма теплопередачи резко увеличивается скорость горения топлива (следовательно, увеличивается и тяга двигателя). По мере выгорания первой секции шашки заряда с каркасом ВПЯМ фронт пламени переносится в следующую секцию с ВПЯМ, армированную другим материалом, что резко изменяет скорость горения топлива, а следовательно, и тягу двигателя. Т.о. подбирая материал каркаса ВПЯМ, можно регулировать баллистические характеристики заряда в широком диапазоне скоростей горения, не снижая его механических характеристик и используя штатную технологическую схему заполнения заряда.

Возможность достижения нужного положительного эффекта подтверждены экспериментально. Испытаниям подвергались образцы зарядов с ячеистыми каркасами из меди и никеля, заполненные одной рецептурой топлива. Опытным путем установлена возможность регулирования скорости горения топлива за счет применения каркасов ВПЯМ из различных материалов при фиксированной пористости (размеры ячеек и перемычек) ВПЯМ.

Результаты испытаний показали:
- при использовании ВПЯМ из меди скорость горения увеличивается ~ в 6... 8 раз (по отношению к базовому топливу без ВПЯМ);
- при использовании ВПЯМ из никеля ~ в 2.3 раза.

Заряд твердого топлива для ракетного двигателя состоит из последовательно установленных шашек, в своде которых размещен металлический армирующий элемент. Армирующий элемент в каждой топливной шашке выполнен из высокопористого ячеистого материала объемной структуры с различающейся теплопроводностью (например, меди, никеля) и заполнен одной маркой топлива. Изобретение позволяет создать заряд твердого топлива с многоступенчатым регулированием тяги двигателя, с высокой эксплуатационной надежностью и штатной технологией изготовления зарядов. 2 ил.

Заряд твердого топлива для ракетного двигателя, состоящий из последовательно установленных шашек, в своде которых размещен металлический армирующий элемент, отличающийся тем, что армирующий элемент в каждой топливной шашке выполнен из высокопористого ячеистого материала объемной структуры с различающейся теплопроводностью (например, меди, никеля), причем армирующий элемент заполнен одной маркой топлива.