ЗАРЯД НЕМЕТАЛЛИЗИРОВАННОГО ТВЕРДОГО ТОПЛИВА Российский патент 2003 года по МПК F42B1/04 E21B43/26 

Изобретение относится к зарядам твердого топлива, изготавливаемым из баллиститных поро[ов, в том числе и из переделочных артиллерийских, а также из смесевых твердых топлив. Эти заряды могут относиться к ракетным системам различного назначения, а также применяться в мирных целях, например, для создания давления в скважинах (для увеличения нефтеотдачи) и для источников упругих колебаний при сейсмических исследованиях.

Известны заряды (пат. РФ 2150599, МКИ 7 F 02 К 9/18, 1999, N 2092776, МКИ 6 F 42 В 1/04, 1995), имеющие каналы с цилиндрическими участками. Если такие заряды будут изготовлены из неметаллизированного твердого топлива, то они в камере сгорания ракетного двигателя при определенном отношении длины цилиндрического участка канала к диаметру канала этого участка (1/d) будут гореть в вибрационном режиме, сопровождающемся высокочастотными акустическими колебаниями продуктов горения.

Вибрационный режим горения зарядов из неметаллизированного твердого топлива может возникать не только в условиях ракетного двигателя, но и в других условиях, например в нефтяной скважине на определенной глубине.

Вибрационное горение, сопровождающееся периодическим изменением давления, является нежелательным явлением, так как может повлиять на надежность двигателя, стабильность его характеристик, сроки разработки. Поэтому при создании новых зарядов осуществляются и мероприятия по стабилизации процесса горения твердого топлива.

Так, известно устройство для термогазохимической обработки продуктивного пласта (пат. РФ 2071556, МКИ 6 Е 21 В 43/26, 1994). Это устройство принято авторами за прототип. Устройство выполнено в виде сплошной цилиндрической шашки с центральным круглым каналом. Отношение длины канала к диаметру составляет 40-120, при этом в теле заряда по его длине выполнены ряды поперечных сквозных каналов. Относительное расстояние между этими каналами составляет 1/d=20-40, где d - диаметр центрального канала. Топливо, из которого изготавливается заряд, имеет в своем составе стабилизатор горения, масса которого не более 0,6% от массы заряда. Описываемое устройство работает в скважине в вибрационном режиме, который создается самим процессом горения заряда. Радиальные каналы, стабилизирующие процесс горения заряда, имеют ряд недостатков: они увеличивают трудоемкость изготовления зарядов, нетехнологичны, оказывают влияние на внутрибаллистические характеристики двигателя.

Эксперименты показали, что при отношении 1/d<28 и содержании стабилизатора горения менее 1% неметаллизированные заряды горят в вибрационном режиме. Для ослабления этого режима необходимо увеличивать содержание стабилизатора горения. В качестве стабилизаторов для баллиститных порохов широко используют мел, двуокись титана, окись магния. Для смесевых твердых топлив используют в основном тугоплавкие окислы и карбиды металлов, а также другие соединения, в том числе на основе кремния и титана (пат. США 3822154, кл. 149-19.4, 1974, 3986910, кл. 149-19.9, 1976, 4210474, кл.149-19.2, 1980). Стабилизирующие добавки вводятся в виде порошка равномерно по всему объему заряда. Все они уменьшают удельный импульс топлива, что снижает эффективность заряда и ракетного двигателя в целом.

Технической задачей изобретения является уменьшение или полное устранение вибрационного горения канальных твердотопливных зарядов, изготовленных из баллиститных неметаллизированных порохов, в том числе и из переделочных артиллерийских, и смесевых твердых топлив на основе перхлората аммония и горюче-связующего за счет введения в топливную массу стабилизатора горения, который одновременно увеличивает удельный импульс топлива.

Техническим результат обеспечивается следующим образом:
1. Заряд выполнен в виде канальных шашек с отношением длины цилиндрического участка канала каждой из шашек к его диаметру в пределах 6-28.

2. Шашки в заряде могут быть одной или разной длины.

3. Дисилицид титана используется в качестве стабилизатора горения.

4. Содержание дисилицида титана составляет 1-5% от массы заряда.

Экспериментальная проверка стабилизирующего действия добавок проведена в модельном ракетном двигателе при различных начальных температурах заряда в широком интервале давлений с записью изменения давления в камере сгорания и высокочастотных колебаний давления, сопровождающих вибрационное горение. Стабилизирующий эффект добавки оценивался по величине и продолжительности искажений кривой давление - время, вызванных высокочастотными колебаниями. Как правило, эти искажения существовали в виде нерасчетных взмывов давления ΔР относительно расчетного давления Ро. Чем меньше величина ΔР/Ро, продолжительность нерасчетного взмыва и интервал давления в камере, при котором искажения появлялись, тем процесс стабильнее. Соответственно добавка, обеспечивающая более стабильный режим, считается наиболее эффективной.

В качестве примера в таблице приведены результаты испытаний зарядов при начальной температуре 20^oС и давлении 5-20 МПа (по 10 параллельных испытаний для каждой добавки). Видно, что дисилицид титана (TiSi₂) во всех случаях показал максимальный стабилизирующий эффект. Для всех исследованных в качестве стабилизатора горения добавок (СаСО₃, MgO, ZrO₂, ZrC, TiO₂, TiC, TiO₂, TiN, SiO₂, SiC, TiSi₂) проведен термодинамический расчет при отношении давления в камере к давлению на срезе сопла 100/1. Расчеты показали, что величина удельного импульса для смесевого твердого топлива c 1% cтабилизатора горения составляет 2438 Нс/кг для TiSi₂ и 2415-2437 Нс/кг для всех остальных добавок. При 2% стабилизатора горения - 2442 Нс/кг для TiSi₂ и 2395- 2428 Нс/кг - для остальных.

В результате испытаний было также установлено, что ослабление или полное устранение вибрационного горения при максимальном значении удельного импульса топлива достигается при использовании от 1 до 5% дисилицида титана для значений L/d от 6 до 28 (см. таблицу).

При содержании TiSi₂ менее 1% ослабления вибрационного горения не происходит, введение в состав топлива более 5% TiSi₂ нецелесообразно и экономически неоправданно, так как вибрационное горение устраняется при содержании стабилизатора до 5%(см. таблицу).

При L/d < 6 заряды начинают гореть стабильно даже при содержании TiSi₂ менее 1%, при L/d > 28 - в вибрационном режиме даже при содержании TiSi₂ > 5%. Таким образом, содержание TiSi₂ от 1 до 5% и значение L/d от 6 до 28 являются оптимальными.

Эти соотношения распространяются также на заряды с комбинированными каналами (цилиндрический, переходящий в звезду),а также для многоканальных и многошашечных зарядов, причем в последнем случае шашки могут иметь различную длину в пределах установленного диапазона 1/d=6-28.

Экспериментально установлена эффективность применения дисилицида титана для устранения вибрационного горения натурного многошашечного заряда с шашками разной длины. На чертеже приведены осциллограммы давления в камере двигателя с зарядом из баллиститного топлива, состоящим из 6 шашек с длиной L/d=9 и 7 шашек с L/d=18.

Осциллограмма 1 получена при испытании зарядов из топлива с 1% двуокиси титана, осциллограмма 2 - с 1% дисилицида титана. Видно, что применение дисилицида титана полностью устранило вибрационное горение заряда (нерасчетные взмывы давления отсутствуют). При этом величина практического удельного импульса увеличилась на 15 Нс/кг.

Изобретение относится к ракетным системам различного назначения, а также применяется в мирных целях. Заряд имеет стабилизатор горения и выполнен в виде шашек с каналом. Отношение длины цилиндрического участка канала каждой из шашек к его диаметру находится в пределах 6-28. Шашки могут быть равной или разной длины. В качестве стабилизатора горения используют дисилицид титана, содержание которого составляет 1-5% от массы заряда. Изобретение позволит уменьшить или полностью устранить вибрационное горение канальных твердотопливных зарядов. 1 ил., 1 табл.

Заряд неметаллизированного твердого топлива, имеющий стабилизатор горения и выполненный в виде шашек с каналом, отличающийся тем, что отношение длины цилиндрического участка канала каждой из шашек к его диаметру находится в пределах 6-28, шашки могут быть равной или разной длины, а в качестве стабилизатора горения используют дисилицид титана, содержание которого составляет 1-5% от массы заряда.