СПОСОБ ОЦЕНКИ ПРЕДЕЛЬНЫХ МЕХАНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ТВЕРДОГО ТОПЛИВА В ЗОНЕ ЕГО СКРЕПЛЕНИЯ С КОРПУСОМ ТВЕРДОТОПЛИВНОГО РАКЕТНОГО ДВИГАТЕЛЯ Российский патент 2003 года по МПК G01N3/24 

Изобретение относится к ракетной технике, а именно к способам определения механических характеристик твердотопливного заряда в зоне скрепления с корпусом твердотопливного ракетного двигателя.

В скрепленных с корпусом зарядах ракетных двигателей твердого топлива (РДТТ) наиболее опасными с позиций прочностной работоспособности двигателя являются краевые зоны скрепления заряда с теплозащитным покрытием (ТЗП) корпуса. Случаи разрушения зарядов в указанных зонах на этапах предстартовой эксплуатации, при работе двигателя и даже огневой утилизации (испытание без соплового блока) являются наиболее распространенным видом прочностного отказа для зарядов РДТТ. В значительной мере это объясняется отсутствием достоверной информации об уровне реализованных предельных прочностных свойств топливного заряда в зонах, прилегающих к корпусу двигательной установки (ДУ). Особый практический интерес и, одновременно, наибольшие сложности имеют место при определении предельных сдвиговых характеристик, т.к. сдвиговые напряжения в заряде являются наиболее опасными при работе двигателя и при действии полетных нагрузок.

При исследовании уровня предельных сдвиговых характеристик в зоне контакта заряда с ТЗП корпуса ключевыми являются две задачи: 1 - моделирование формирующейся в условиях изготовления заряда неоднородности механического состояния топлива в прикорпусной зоне и 2 - реализация при испытании напряженного состояния сдвига по интенсивности, достаточного для нарушения структурной целостности топлива в исследуемой зоне. Эффекты неоднородности свойств связаны с процессами миграции и массопереноса летучих и жидковязких компонент системы заряд - ТЗП - корпус, происходящих на этапе изготовления и последующей эксплуатации заряда. Вследствие этого в областях, расположенных на расстоянии 10. . .20 мм от ТЗП корпуса, упругие и предельные характеристики топлива могут изменяться в 1,25...3,0 раза. Пренебрегать этими эффектами недопустимо.

Решение 2-й задачи в лабораторном эксперименте на образцах заряда в настоящее время отсутствует. Классические тонкостенные цилиндрические образцы для кручения изготовить механической обработкой не представляется возможным в связи с низкомодульностью (Е=1,0...10 МПа) используемых смесевых топлив и локализацией неоднородности свойств в прикорпусной зоне заряда толщиной 10.. . 20 мм. По этим же причинам не удается изготовить и испытать двойные спаренные образцы топлива из прикорпусной зоны (Фиг.1), рекомендованные для испытаний на сдвиг [1], где F - усилие одноосного растяжения.

Наиболее близким к заявляемому является способ оценки предельных механических характеристик топлива [2], основанный на лабораторных испытаниях образцов, изготовленных из кусков топлива, вырезанных из зоны скрепления заряда с корпусом ДУ при его препарации (разрезке). Этот способ, позволяющий воспроизвести формирующуюся в условиях изготовления заряда неоднородность механического состояния топлива в прикорпусной зоне, ограничен определением характеристик при растяжении, сжатии и изгибе. Реализовать же условия сдвига в образцах из исследуемой неоднородной по свойствам зоны не удается. Это связано с тем, что из вырезанных при препарации кусков топлива изготовить образцы необходимой для испытания на сдвиг формы и размеров невозможно из-за малой толщины исследуемой зоны и низких жесткостных характеристик материала заряда.

К недостаткам прототипа следует также отнести невозможность его использования по соображениям безопасности процедуры препарации для зарядов, обладающих повышенной чувствительностью к ударным механическим воздействиям (трению); высокую стоимость работ по препарации натурных изделий; необходимость изготовления специального натурного изделия для препарации.

Задачей настоящего изобретения является разработка способа оценки предельных механических характеристик твердого топлива в зоне скрепления заряда с корпусом РДТТ, позволяющего повысить достоверность и информативность получаемых характеристик путем реализации предельных условий сдвига в исследуемой зоне заряд - корпус РДТТ; расширить номенклатуру исследуемых топлив; исключить сложное технологическое (препарационное) оборудование; повысить безопасность и снизить стоимость проведения работ.

Поставленная задача решается предлагаемым способом оценки предельных механических характеристик твердого топлива в зоне его скрепления с корпусом РДТТ, заключающим в проведении механических испытаний, по результатам которых определяют разрушающую объект испытаний нагрузку, по величине которой судят о предельных прочностных характеристиках топлива. Особенность заключается в том, что в качестве объекта испытаний используют скрепленный с корпусом двигателя модельный заряд, изготвленный в зоне скрепления из того же материала и по той же технологии, что и исследуемое твердое топливо, при этом один из торцов и прилежащая к нему цилиндрическая часть модельного заряда длиной не менее 0,1 D, где D - диаметр заряда, раскреплены от корпуса, а нагружение проводят путем приложения к раскрепленному торцу модельного заряда увеличивающейся равномерно распределенной нагрузки, вызывающей сдвиговые напряжения в зоне скрепления заряда с корпусом, до наступления нарушения структурной целостности модельного заряда в данной зоне.

Сравнение предложенного способа с прототипом показывает, что заявляемое техническое решение характеризуется иной исходной конструкцией, подвергающейся нагружению (в прототипе - вырезанные куски топлива, в заявляемом способе - скрепленный с корпусом двигателя модельный заряд); возможностью реализации условий сдвига как наиболее опасных; иным видом прилагаемой нагрузки (в прототипе - одноосное растяжение, в предлагаемом способе - увеличивающаяся равномерно распределенная нагрузка, прилагаемая к раскрепленному торцу модельного заряда).

Следовательно, предложенный способ соответствует критерию "новизна".

При изучении известного уровня техники не было выявлено документов, описывающих заявляемые изобретением преобразования, характеризуемые предложенным сочетанием приемов и условий их осуществления, а именно совокупность признаков предлагаемого способа позволяет достичь указанный технический результат, и, следовательно, заявляемое решение обладает изобретательским уровнем.

Предлагаемый способ удается реализовать за счет использования модельного эксперимента, удовлетворяющего таким требованиям к испытанию, как адекватность с натурным изделием технологии формирования свойств прикорпусных слоев модельного заряда и возможность практического достижения высоких уровней контактных сдвиговых напряжений в краевых зонах скрепления заряда с корпусом двигателя без сложного испытательного оборудования.

Используемая для реализации способа конструкция (Фиг.2) модельного скрепленного с корпусом 1 цилиндрического (канального или безканального) заряда 2 с открытой плоской торцевой поверхностью, в которой осуществляется полная аналогия с натурным изделием по рецептурно-технологическим параметрам, типу ТЗП 3 и крепящих слоев, обеспечивает выполнение требований физического моделирования механических свойств.

Достижение предельного (по сдвигу) состояния в зоне А скрепления заряда с корпусом реализуется воздействием распределенной поверхностной нагрузки F_т на плоский задний торец заряда.

Важным элементом является наличие раскрепления Δ по цилиндрической части (Фиг. 2) в области, примыкающей к свободному торцу. Протяженность этой зоны раскрепления должна быть ограничена снизу (Δ>0,1 D, где D - диаметр заряда) с целью обеспечения возможности реализации высокого уровня сдвиговых напряжений при одновременно низких значениях нормальных компонент напряжений. Вблизи краевой зоны скрепления заряда 2 с корпусом ДУ имеет место типичная для рассматриваемого класса зарядов концентрация сдвиговых напряжений 4 (Фиг. 3), уровень которых определяется величиной осевого усилия F_т. В случае необходимости для управления характером изменения напряженного состояния в зоне концентрации сдвиговых напряжений используют параметр толщины δ слоя ТЗП 3 в краевой зоне скрепления.

Изменение уровня действующих сдвиговых контактных напряжений может варьироваться в широких пределах за счет изменения интенсивности поверхностной торцевой внешней нагрузки F. Нагружение проводят до наступления нарушения структурной целостности заряда в зоне скрепления с корпусом. По величине разрушающей нагрузки и соответствующих перемещений свободного контура (пунктирная линия на Фиг. 3) заряда рассчитываются (например, с помощью программы [3]) сдвиговые контактные напряжения, значения которых принимаются за предельные механические характеристики в зоне скрепления натурного заряда с корпусом РДТТ.

Определение предельно допустимого сдвигового напряжения в модельном испытании может проводиться не расчетным, а экспериментальным методом, для чего в краевой зоне скрепления заряда с корпусом перед изготовлением модельного заряда размещают (в направлении оси изделия) несколько малогабаритных датчиков 5 (Фиг.3) сдвиговых напряжений [4]. Максимальные показания этих датчиков, соответствующие разрушающей нагрузке, принимаются за сдвиговые напряжения в исследуемой зоне скрепления заряда с корпусом РДТТ.

В качестве примера реализации предлагаемого способа на Фиг.4 показана схема испытательной установки, в которой модельный заряд 2 нагружается осевым усилием по торцу с помощью гидроцилиндра 6. Зона разрушения (максимальных сдвиговых напряжений) имеет протяженность L_разр≈10...30 мм и расположена непосредственно вблизи границы заряд - ТЗП в области, примыкающей к краевой зоне скрепления.

Для достижения предельных уровней сдвиговых напряжений типичных топлив достаточно приложить на торец заряда удельное усилие Р_т=F_т/S_т=0,4...0,7 МПа, где S_т - площадь торца заряда.

Предложенный способ отличается технической завершенностью в части реализации сдвигового разрушения как самого опасного, экономичностью и простотой практической реализации. Таким образом, заявляемое техническое решение обладает промышленной применимостью, удовлетворяет давно существующую потребность в способе, позволяющем получать достоверную информацию об уровне предельных механических характеристик в зоне скрепления заряда с корпусом РДТТ.

Использованные источники информации
1. А. В. Швецов, В.Б. Бурнатов, Л.А. Замесов, Е.И. Селиванов, И.И. Анисимов, В. М. Шелепов. Об образцах для испытания полимеров на чистый сдвиг. Полимерные материалы в машиностроении. Сборник научных трудов ППИ 146, 1974 г., г. Пермь.

2. P. W. Uiet, L.G. Landuk, G.S. Slob. Exsperimental, evaluation of as processed propellaht grains: AJAA Paper 1293, 1984.

3. Д. Н. Коновалов, С.Н. Чернова. Расчет НДС полимерных конструкций. - ОФАП, рег. 3384, 1988 г.

4. В.В. Филиппов, В.Н. Бобкин, В.Б. Бурнатов, А.В. Швецов. Исследование поведения датчиков сдвиговых усилий в тарировочной модели. Прочностные и гидравлические характеристики машин и конструкций. Сборник научных трудов ППИ 132, 1973 г., г. Пермь.

Изобретение относится к способам определения механических характеристик твердого топлива в зоне его скрепления с корпусом твердотопливного ракетного двигателя. Предложенный способ заключается в проведении механических испытаний, по результатам которых определяют разрушающую объект испытаний нагрузку, по величине которой судят о предельных прочностных характеристиках твердого топлива. При этом в качестве объекта испытаний используют скрепленный с корпусом двигателя модельный заряд, изготовленный в зоне скрепления из того же материала и по той же технологии, что и исследуемое твердое топливо, при этом один из торцов и прилежащая к нему цилиндрическая часть модельного заряда длиной не менее 0,1•D, где D - диаметр заряда, раскреплены от корпуса, а нагружение проводят путем приложения к раскрепленному торцу модельного заряда увеличивающейся равномерно распределенной нагрузки, вызывающей сдвиговые напряжения в зоне скрепления заряда с корпусом, до наступления нарушения структурной целостности модельного заряда в данной зоне. Данное изобретение позволяет повысить достоверность и информативность получаемых характеристик, расширить номенклатуру исследуемых топлив, повысить безопасность и снизить стоимость проведения работ. 4 ил.

Способ оценки предельных механических характеристик твердого топлива в зоне его скрепления с корпусом твердотопливного ракетного двигателя, заключающийся в проведении механических испытаний, по результатам которых определяют разрушающую объект испытаний нагрузку, по величине которой судят о предельных прочностных характеристиках твердого топлива, отличающийся тем, что в качестве объекта испытаний используют скрепленный с корпусом двигателя модельный заряд, изготовленный в зоне скрепления из того же материала и по той же технологии, что и исследуемое твердое топливо, при этом один из торцов и прилежащая к нему цилиндрическая часть модельного заряда длиной не менее 0,1•D, где D - диаметр заряда, раскреплены от корпуса, а нагружение проводят путем приложения к раскрепленному торцу модельного заряда увеличивающейся равномерно распределенной нагрузки, вызывающей сдвиговые напряжения в зоне скрепления заряда с корпусом, до наступления нарушения структурной целостности модельного заряда в данной зоне.