ТВЕРДОТОПЛИВНЫЙ ЗАРЯД ГАЗОГЕНЕРАТОРА Российский патент 2004 года по МПК F02K9/34 

Заявляемое изобретение относится к области ракетной техники и может быть использовано при проектировании, отработке и изготовлении твердотопливных зарядов для газогенераторов (ТТГГ), турбогенераторных источников питания (ТГИП) и т.п.

Особенностями зарядов, предназначенных для ТТГГ, ТГИП, являются:

- торцевое горение с обеспечением постоянного притока продуктов сгорания заряда;

- относительно большое время работы (горения);

- надежность закрепления заряда в камере сгорания, исключающее осевое перемещение его при значительных полетных перегрузках.

Известные конструкции твердотопливных зарядов к газогенераторам (А.А. Шишков, Б.В.Румянцев. Газогенераторы ракетных систем, М.: Машиностроение, 1981; И.Х.Фахрутдинов, А. В. Котельников. Конструкция и проектирование ракетных двигателей. М.: Машиностроение, 1987) включают в себя цилиндрическую шашку твердого топлива и бронепокрытие, изолирующее от горения все его поверхности за исключением горящего торца.

Для исключения перемещений заряда в камере сгорания при воздействии эксплуатационных и полетных перегрузок известны два способа:

1) заряд вклеивается в камеру сгорания либо после прессования, либо в процессе его формования;

2) заряд поджимается за счет торцевой поверхности бронепокрытия либо за счет кольцевого выступа на бронепокрытии.

Заряды по первому способу крепления могут быть использованы в узком диапазоне температур. В противном случае они разрушаются при тепловой усадке.

Заряды по второму способу крепления могут быть использованы при ограниченном времени их работы (в пределах 50 с). При большем времени существующие марки бронепокрытий, имеющие удовлетворительную адгезию к топливу заряда, размягчаются под воздействием пороховых газов и не только не выдергивают силовую нагрузку поджатия, но и не обеспечивают надежную теплозащиту заряда.

Не спасает и увеличение толщины бронепокрытия: размягчение происходит по всей его толщине. Размягченное бронепокрытие перекрывает свободный переток пороховых газов в застойную зону, что приводит к перепаду давления между рабочей и застойной зонами и, как следствие, к неудовлетворительной работе газогенератора.

Наиболее близким аналогом заявляемого заряда может служить заряд для ракетного двигателя твердого топлива (РДТТ) по заявке Японии JP 54-159518 А (NISSAN MOTOR. CO. LTD.), опубликованной 17.12.1979, представляющий собой твердотопливную цилиндрическую шашку, вклеенную в трубку из прочного теплостойкого материала и приклеенную одним торцом к дну РДТТ. Основной недостаток такой конструкции, как сказано выше, невозможность использования заряда такой схемы в широком диапазоне температур: при тепловой усадке по периметру приклеенного торца неизбежно возникает концентрация напряжений, приводящая к разрушению склея.

Подобным же недостатком характеризуется заряд РДТТ по заявке Японии JP 54-578000 A (NISSAN MOTOR. CO. LTD.), опубликованной 09.05.1979.

В качестве прототипа заявляемого заряда рассматривается "Конструкция устройства для закрепления заряда в РДТТ" по патенту Японии, кл.51 В 841 (F 02 К 09/04, № 53-3445), опубликованному 07.02.78. Конструкция прототипа приведена на фиг.1, 2, 3 и состоит из твердотопливной шашки торцевого горения 1, бронепокрытия 2, корпуса 3, теплозащиты 4, эластичной клеящей вставки 5, тарели 6. Заряд вклеен в камеру сгорания таким образом, что обеспечивается кольцевой зазор 8. Для исключения радиальных перемещений горящего торца 7 при эксплуатации и при боковых полетных перегрузках предусмотрен узел, изображенный на фиг.2, 3, состоящий из двух колец 9 и 10 с конической рабочей поверхностью, которые обеспечивают осевые перемещения небронированного торца заряда в пределах термических деформаций во время эксплуатации РДТТ. На конической поверхности кольца 9 предусмотрены радиальные пазы 11, за счет которых обеспечивается выравнивание давления пороховых газов при горении заряда в рабочем объеме и кольцевом зазоре 8.

Несмотря на то, что в данной конструкции предусмотрено исключение недостатков приведенных выше аналогов, она все-таки имеет ряд существенных недостатков:

1) сборка ЗАРЯД-РДТТ является неразборным соединением, поэтому при получении при эксплуатации недопустимого повреждения заряда либо корпуса РДТТ бракуется вся сборка, удваивая затраты при восполнении брака;

2) контроль целостности заряда в процессе длительной эксплуатации затруднителен, а в ряде случаев невозможен из-за необходимости просвечивать с помощью рентгеновской установки многослойную конструкцию, иногда с узлами крепления на внешней поверхности РДТТ;

3) неразъемное соединение не позволяет вести одновременное изготовление ТТГГ и заряда, что значительно удлиняет технологический процесс производства такого заряда;

4) наличие в конструкции двух колец с конической рабочей поверхностью для крепления заряда от радиальных перемещений со стороны горящего торца усложняет конструкцию и снижает надежность РДТТ.

Технической задачей заявляемого изобретения является создание такого заряда, который бы исключал отмеченные недостатки прототипа и вместе с тем мог бы эксплуатироваться в широком диапазоне температур и обеспечивать надежную работу ТТГГ, ТГИП и т.п. при времени функционирования более 50 с.

Технический результат достигается за счет выполнения заряда газогенератора из топлива баллиститного типа, состоящего из шашки торцевого горения с двухслойной теплозащитой:

внутренний слой, прочно скрепленный с твердотопливной шашкой, выполнен из бронирующего состава, обладающего надежной адгезией к топливу в диапазоне температур от 60 до минус 60°С и близким к нему коэффициентом линейного расширения для исключения тепловых напряжений на границе бронепокрытие-топливо, а внешний слой представляет собой либо стеклопластиковую обечайку, надеваемую на забронированную шашку, либо стакан из прочного теплостойкого материала, склеенного своим дном посредством эластичного морозостойкого материала определенной толщины с забронированным торцом твердотопливной шашки. Опыт показал, что для обеспечения работоспособности такой конструкции в течение времени более 50 с достаточно иметь толщину бронепокрытия 0,02-0,03 диаметра твердотопливной шашки, а толщину обечайки или стакана, равной 0,01-0,02 диаметра твердотопливной шашки. При этом кольцевой зазор между забронированной твердотопливной шашкой и обечайкой или стаканом выполнен минимальным.

Существенную роль в надежности такой конструкции играет эластичная вставка, крепящая забронированную шашку к дну стакана. Толщина эластичной вставки на дне стакана должна быть такой, чтобы исключалось возникновение концентрации напряжений на периферии вставки. Для этого, как показали исследования, толщина вставки по периферии должна составлять не менее 0,03 диаметра твердотопливной шашки. Несмотря на то, что коэффициент линейного расширения материала стакана на порядок отличается от такового для топлива, отслоения торцевой части забронированной твердотопливной шашки от дна стакана не происходит.

Таким образом, за счет скрепленного с твердотопливной забронированной шашкой стакана, с одной стороны, обеспечивается надежная теплозащита заряда, с другой стороны, обеспечивается строгая фиксация забронированной твердотопливной шашки относительно стакана с обеспечением равномерного и минимального зазора между ними. И отпадает необходимость устанавливать какие-либо кольца от радиальных перемещений забронированной твердотопливной шашки. Одновременно за счет прочного стакана заряд надежно закрепляется в камере сгорания ТТГГ, ТГИП, РДТТ путем упора в дно и торцевую часть стакана. Равномерный зазор позволяет пороховым газам свободно перетекать в него из рабочей зоны.

При наличии вместо стакана обечайки свободный переток газов в застойную зону обеспечивается за счет продольных прорезей в ней, равномерно расположенных по периметру обечайки. При длине обечайки более диаметра твердотопливной шашки прорези выполняют с поперечными перемычками для придания обечайке необходимой жесткости.

Для исключения радиальных перемещений заряда при наличии обечайки по ее торцам выполняют кольцевые утолщения по величине зазора между обечайкой и корпусом ТТГГ, ТГИП, РДТТ. Для свободного перетока пороховых газов из рабочей в застойную зону по периметру утолщений равномерно выполняют продольные пазы.

В отличие от термоизоляции камеры сгорания прототипа, допуск на толщину которой невозможно выполнить малым из-за сложности ее нанесения на внутренние стенки, обечайка так же, как и стакан, выполняется отдельно и может быть изготовлена со сколь угодно малым допуском по толщине. Отсюда обеспечивается и минимальный кольцевой зазор как между забронированной твердотопливной шашкой и стаканом (обечайкой), так и между стаканом (обечайкой) и стенками камеры сгорания ТТГГ.

Для упрощения изготовления обечайка может изготавливаться в виде перфорированного прорезями полотна, которое при сборке заряда с ТТГГ сгибается и вставляется в зазор между забронированной твердотопливной шашкой и стенками камеры сгорания.

Надежное скрепление забронированной твердотопливной шашки со стаканом осуществляется следующим образом:

1) в вертикально установленный стакан дном вниз заливается расчетная навеска клеящего эластичного после отверждения состава;

2) на забронированную цилиндрическую поверхность забронированной твердотопливной шашки наносят тонкий слой антиадгезива с целью исключения склеивания этой поверхности со стаканом в случае избытка клеящего состава;

3) забронированная твердотопливная шашка опускается в стакан с навеской клеящего состава до такой высоты (с помощью ограничителей), чтобы обеспечивалась требуемая толщина эластичной вставки по ее периферии, получаемая из клеящего состава после его отверждения.

При плоском торце забронированной твердотопливной шашки на ее поверхности может захлопываться воздух, что приводит к снижению прочности соединения забронированная шашка-стакан. С целью исключения этого торец забронированной твердотопливной шашки выполняют либо коническим, либо выпуклым. Экспериментальная проверка показала, что при вязкости клеящего состава 80-100 пуаз угол в вершине конуса для исключения воздушной прослойки должен быть равным 135-145°. При плоском торце стакана с целью весового совершенства вместо конуса торцевую поверхность забронированной твердотопливной шашки выполняют в виде усеченного конуса. При уменьшении высоты усеченного конуса против конуса вдвое площадь плоской скрепляемой поверхности составит 15% от всей скрепляемой (склеиваемой) поверхности, что может оказаться достаточным для необходимой прочности соединения забронированная твердотопливная шашка-стакан.

Изобретение поясняется чертежами.

На фиг.1 показана конструкция прототипа

1 - твердотопливная шашка торцевого горения;

2 - бронепокрытие;

3 - корпус РДТТ;

4 - теплоизоляция;

5 - эластичная вставка;

6 - тарель;

7 - горящий торец;

8 - кольцевой зазор;

9 - внешнее кольцо с радиальными пазами;

10 - внутреннее кольцо;

13 -рабочая зона

На фиг.2 и 3 приведен элемент радиальной фиксации горящего торца прототипа:

1 - твердотопливная шашка торцевого горения;

4 - теплоизоляция;

9 - внешнее кольцо с радиальными пазами;

10 - внутреннее кольцо;

12 - кольцевая канавка;

13 - рабочая зона.

На фиг.4 представлена конструкция заявляемого заряда со стаканом:

1 - твердотопливная шашка торцевого горения;

2 - бронепокрытие;

5 - эластичная вставка;

8 - кольцевой зазор;

14 - стакан;

15 - плоский торец заряда;

16 - фигурный горящий торец.

На фиг.5 представлен вариант заявляемого заряда с укороченным стаканом:

1 - твердотопливная шашка торцевого горения;

2 - бронепокрытие;

14 - стакан;

17 - торцевые вырезы.

На фиг.6 приведен элемент заявляемого варианта заряда с коническим торцом:

1 - твердотопливная шашка торцевого горения;

2 - бронепокрытие;

5 - эластичная вставка;

8 - кольцевой зазор;

14 - стакан;

18 - конический торец.

На фиг.7 показан элемент варианта заявляемого заряда с торцом в виде усеченного конуса:

1 - твердотопливная шашка торцевого горения;

2 - бронепокрытие;

5 - эластичная вставка;

8 - кольцевой зазор;

14 - стакан;

19 - торец в виде усеченного конуса.

На фиг.8 изображен элемент заявляемого заряда с выпуклым торцом и выступом на его поверхности:

1 - твердотопливная шашка торцевого горения;

2 - бронепокрытие;

5 - эластичная вставка;

8 - кольцевой зазор;

14 - стакан;

20 - выступ.

На фиг.9 представлен заявляемый заряд с обечайкой:

1 - твердотопливная шашка торцевого горения;

2 - бронепокрытие;

8 - кольцевой зазор;

18 - фигурный горящий торец;

21 - утолщенное бронепокрытие;

22 - обечайка;

23 - продольные прорези;

24 - перемычка;

25 - кольцевое утолщение;

26 - продольные пазы.

На фиг.10 представлен вид с торца заявляемого заряда с обечайкой:

2 - бронепокрытие;

8 - кольцевой зазор;

18 - фигурный горящий торец;

22 - обечайка;

26 - продольные пазы.

Заявляемый твердотопливный заряд газогенератора, состоящий из твердотопливной шашки торцевого горения со стаканом (фиг.4), представляет собой цилиндрической формы твердотопливную шашку 1 с бронепокрытием 2, скрепленную забронированным торцом 15 со стаканом 14 из термостойкого материала с помощью клеящего эластичного морозостойкого полиуретанового состава 5. После отверждения при нормальной или повышенной температуре состав представляет собой прочную эластичную вставку определенной толщины, обеспечивающую не только прочное скрепление забронированной твердотопливной шашки с дном стакана, но и компенсирует тепловую усадку этой шашки.

Забронированная твердотопливная шашка размещается в стакане с минимальным зазором 8 по цилиндрической поверхности. Получение минимального зазора, как сказано выше, возможно потому, что и шашка, и стакан изготавливаются отдельно с минимальными допусками. В таком малом зазоре при относительно больших сопрягаемых поверхностях размещается небольшое количество пороховых газов, которые быстро охлаждаются и не приводят к чрезмерному разогреву бронепокрытия или к его прогару.

С внешней стороны, за исключением фигурного горящего торца 16, поверхность забронированной твердотопливной шашки надежно защищена термостойким стаканом 14. К тому же, между стаканом и стенками камеры сгорания также образуется малый зазор и находящийся в нем газ не разогревает до снижения прочности нетермоизолированные стенки камеры сгорания ТТГГ.

В качестве бронепокрытия может быть использован акрилатный состав ВТС-25, который обеспечивает не только надежную адгезию с баллиститным топливом, но и защиту твердотопливной шашки от воздействия пороховых газов без термостойкого стакана или обечайки при горении заряда в течение 40-50 с. Поэтому для газогенератора с большим временем работы (более 50 с) стаканом можно закрывать только часть длины забронированной твердотопливной шашки (фиг.5). Для перетока пороховых газов в застойную зону между стаканом и стенками камеры сгорания ТТГГ на опорной поверхности камеры сгорания или стакана выполняют торцевые вырезы 17.

Для упрощения оснастки для изготовления заряда (для исключения узла фиксации забронированной шашки по высоте при ее опускании в стакан с навеской клеящего состава) и повышения весового совершенства ТТГГ скрепляемый торец выполняют в форме конуса (фиг.6). Конус вытесняет с границы скрепления воздушную прослойку и таким образом повышается надежность скрепления забронированной твердотопливной шашки со стаканом. Оптимальный угол в вершине конуса равен 135-145° при вязкости клеящего состава 80-100 пуаз. В качестве клеящего состава используется полиуретановый состав ПГС-5 или ПГС-6. Этот состав обеспечивает не только надежное скрепление забронированной шашки со стаканом, но и выполняет функции эластичной прочной вставки в диапазоне температур от 60 до минус 60°С, гарантирующей от повреждения соединение забронированной твердотопливной шашки в результате тепловой усадки этой шашки или эксплуатационных нагрузок.

При плоском дне стакана (фиг.7) форму скрепляемого торца забронированной твердотопливной шашки выполняют в виде усеченного конуса 19. Действительно, при высоте усеченного конуса, равной половине высоты конуса, плоская скрепляемая поверхность составляет 15% от всей скрепляемой поверхности. Даже если на всей этой плоской поверхности образуется воздушная прослойка, прочность скрепления окажется достаточной, зато выгода от сокращения длины шашки будет существенной.

Для исключения узла фиксации забронированной шашки в стакане при выполнении скрепления торца в виде усеченного конуса или выпуклой поверхности (фиг.8) по центру скрепляемого торца выполняют выступ в виде цилиндрика диаметром 5 мм. Высота его выбирается таким образом, чтобы обеспечивалась требуемая толщина эластичной вставки на ее периферии. При наличии такого выступа забронированную шашку вставляют в стакан до упора в его дно.

Заявляемый заряд, состоящий из твердотопливной шашки с обечайкой (фиг.9, 10) представляет собой цилиндрической формы твердотопливную шашку 1 с фигурным торцом 16, бронепокрытием 2, на котором имеется утолщение 21 со стороны негорящего торца; на забронированную твердотопливную шашку надета обечайка 22, имеющая продольные прорези 23 с перемычкой 24, концевыми утолщениями 25 и продольными пазами 28 на них.

Из приведенного выше следует, что заявляемый заряд обладает в сравнении с прототипом следующими новыми существенными признаками и качествами:

1) благодаря выполнению теплозащитного покрытия заряда в виде слоя термопластичного, с надежной адгезией к твердотопливной шашке бронепокрытия и либо стакана из прочного термостойкого материала, скрепленного своим дном посредством клеящей эластичной прочной морозостойкой вставки с забронированной твердотопливной шашкой, либо обечайки, надеваемой на нее, обеспечивается:

- длительная (более 50 с) и надежная работа газогенератора в диапазоне температур от 60 до минус 60°С;

- раздельное изготовление ТТГГ и заряда для него позволяет значительно сократить цикл изготовления снаряженного газогенератора за счет одновременного изготовления заряда и газогенератора;

- сократить затраты при изготовлении и эксплуатации ТТГГ за счет исключения бракования снаряженного ТТГГ при забраковании либо заряда, либо материальной части ТТГГ;

- упрощение контроля качества заряда или возможность этого контроля при длительной эксплуатации ТТГГ;

2) выполнение скрепляемого торца забронированной твердотопливной шашки в виде конуса или выпуклой поверхности, например, эквидистантно поверхности дна стакана позволяет повысить надежность скрепления забронированной твердотопливной шашки со стаканом;

3) выполнение скрепляемого торца шашки с центральным выступом позволяет упростить оснастку, необходимую для изготовления заряда;

4) выполнение эластичной вставки толщиной по периметру не менее 0,03 диаметра твердотопливной шашки позволяет повысить эксплуатационную надежность заряда при его использовании в широком диапазоне температур;

5) выполнение торцевых вырезов на стакане обеспечивает свободный переток пороховых газов в застойную зону между стаканом и стенками камеры сгорания, что позволяет исключить разрушение стакана из-за перепада давления между рабочей и застойной зонами ТТГГ;

6) применение в заряде в качестве бронепокрытия акрилатного состава, например ВТС-25, позволяет, с одной стороны, иметь надежную адгезию с топливом заряда баллиститного типа, а, с другой стороны, - теплозащиту заряда от воздействия пороховых газов в течение 40-50 с, что дает возможность соответственно сократить длину стакана при времени работы ТТГГ больше 50 с;

7) установленная в результате экспериментов толщина бронепокрытия, равная 0,02-0,03 диаметра твердотопливной шашки, позволяет оптимизировать вес бронепокрытия;

8) выполнение стакана (обечайки) толщиной 0,01-0,02 диаметра твердотопливной шашки дает возможность уменьшить диаметр ТТГТ;

9) применение в качестве материала стакана (обечайки) стеклопластика, например, марок ТСЭФ, ДСВ-2-2М позволяет выполнять его с малыми допусками и размерами при обеспечении необходимых прочности и термостойкости;

10) выполнение вставки из прочного морозостойкого клеящего полиуретанового состава, например ПГС-5, ПГС-6 позволяет обеспечить надежность скрепления забронированной твердотопливной шашки со стаканами и исключить узел радиальной фиксации шашки со стороны горящего торца за счет компенсации возникающих при радиальных перегрузках напряжений эластичной вставкой при минимальном кольцевом зазоре между стаканом и забронированной твердотопливной шашкой.

Твердотопливный заряд газогенератора выполнен из топлива баллиститного типа и состоит из шашки торцевого горения и двухслойного теплозащитного покрытия. Внутренний слой теплозащитного покрытия состоит из акрилатного бронепокрытия с толщиной 0,02-0,03 диаметра твердотопливной шашки, прочно скрепленного с твердотопливной шашкой. Внешний слой теплозащитного покрытия представляет собой либо стакан, скрепленный своим дном посредством эластичной прочной полиуретановой вставки с забронированной шашкой, либо обечайку, надеваемую на забронированную шашку. Стакан выполнен из прочного термостойкого материала, например стеклопластика. Толщина полиуретановой вставки по периферии равна не менее 0,03 диаметра твердотопливной шашки. Стакан или обечайка имеют толщину, равную 0,01-0,02 диаметра твердотопливной шашки. Между забронированной шашкой и стаканом или обечайкой выполнен минимальный зазор. Изобретение позволит обеспечить высокую надёжность и доступный контроль качества твердотопливного заряда, работающего в широком диапазоне температур. 7 з.п. ф-лы, 10 ил.

1. Твердотопливный заряд газогенератора из топлива баллиститного типа, состоящий из шашки торцевого горения и теплозащитного покрытия, отличающийся тем, что теплозащитное покрытие выполнено двухслойным: внутренний слой состоит из акрилатного бронепокрытия с толщиной 0,02-0,03 диаметра твердотопливной шашки, прочно скрепленного с твердотопливной шашкой, а внешний слой представляет собой либо стакан из термостойкого прочного материала, например стеклопластика, скрепленный своим дном посредством полиуретановой эластичной прочной вставки с забронированной шашкой, причем толщина вставки по периферии равна не менее 0,03 диаметра твердотопливной шашки, либо обечайку, надеваемую на забронированную шашку, имеющие толщину, равную 0,01-0,02 диаметра твердотопливной шашки, при этом между забронированной шашкой и стаканом или обечайкой выполнен минимальный зазор.2. Твердотопливный заряд по п.1, отличающийся тем, что обечайка выполнена с продольными прорезями, равномерно расположенными по ее периметру, за исключением торцевых участков.3. Твердотопливный заряд по п.1, отличающийся тем, что обечайка выполнена в виде перфорированного продольными прорезями полотна, вставленного в зазор между забронированной твердотопливной шашкой и стенками камеры сгорания.4. Твердотопливный заряд по п.1, отличающийся тем, что при длине заряда больше его диаметра прорези выполняют с перемычками.5. Твердотопливный заряд по п.1, отличающийся тем, что с передней и задней сторон обечайка имеет утолщение с продольными пазами, равномерно расположенными по всему периметру.6. Твердотопливный заряд по п.1, отличающийся тем, что скрепляемый торец забронированной твердотопливной шашки выполнен либо конический, либо в виде усеченного конуса с углом в вершине, равным 135-145°.7. Твердотопливный заряд по п.1, отличающийся тем, что поверхность скрепляемого торца выполнена эквидистантно дну стакана.8. Твердотопливный заряд по любому из пп.1, 6 или 7, отличающийся тем, что на центральной части скрепляемого торца забронированной твердотопливной шашки выполнен выступ, обеспечивающий требуемую толщину прочной эластичной вставки по ее периферии.