ЗАРЯД ТВЕРДОГО РАКЕТНОГО ТОПЛИВА Российский патент 2007 года по МПК F02K9/22 

Изобретение относится к области ракетной техники и может быть использовано при проектировании, отработке и изготовлении зарядов твердого ракетного топлива (ТРТ) к ракетным двигателям (РД), газогенераторам (ГГ) и другим энергоисточникам как в ракетной технике, так и в других отраслях промышленности.

Среди известных конструкций зарядов ТРТ широкое распространение получила вкладная конструкция заряда торцевого горения, бронированная по боковой поверхности и торцу, например, по пат. RU 2164616 (Фиг.1). Такая конструкция позволяет реализовать длительное время работы ГГ и маршевых РД с обеспечением постоянства расходно-тяговых характеристик (R=const, G=const, P=const). Однако использование таких зарядов, как правило, требует разработки и оснащения ГГ или РД дополнительными конструктивными элементами по фиксации заряда в корпусе с исключением перетоков газообразных продуктов сгорания (ПС) ТРТ над поверхностью бронепокрытия (узлов уплотнения, организации застойных зон, поджимных устройств и т.п.), что существенно усложняет конструкцию РД (или ГГ). В противном случае возможны разрушение, либо недопустимая деформация опорного торца заряда, либо прогар бронепокрытия под действием высокотемпературных ПС.

Обеспечение работоспособности рассматриваемых зарядов (с длительностью работы 50...80 с и более), за счет увеличения толщины бронепокрытия неэффективно (а часто недопустимо) из-за существенного ухудшения коэффициента весового совершенства РД.

Применение бронесоставов с высокой термостойкостью, обусловленной, как правило, содержанием в их рецептурах термостойких наполнителей, также недопустимо как для ГГ - в связи с наличием в продуктах терморазложения таких бронесоставов большого количества конденсированной фазы (к-фазы), так и для маршевых РД - повышенное содержание к-фазы предопределяет высокое дымообразование, снижающее эффективность наведения управляемых ракет (УР). При этом даже высокая термостойкость бронепокрытия не всегда гарантирует работоспособность длительно работающего заряда торцевого горения. За счет аккумуляции тепловых потоков (при длительной работе заряда), в так называемом "опасном сечении" впереди фронта горения (Фиг.2), уровень температуры на границе "ТРТ-бронепокрытие" может достичь температуры вспышки топлива. В этом случае происходит воспламенение ТРТ под бронепокрытием, сопровождающееся в дальнейшем нерасчетным горением заряда и аномальной работой ГГ и РД.

Для исключения высоких контактных напряжений и деформаций на сопловом заднем торце заряда известно техническое решение в виде конструкции заряда, скрепленного с передним дном РД через прочно вклеенную в заряд втулку из несгораемого материала (пат.RU 2221159). Однако такая конструкция не исключает перетоков газообразных ПС внутри корпуса над бронированной поверхностью заряда и эффективна только для канальных зарядов всестороннего горения.

Известна также конструкция твердотопливного заряда для газогенератора по пат. RU 2232284 от 10.07.04 г. По указанному патенту заряд торцевого горения из топлива баллиститного типа скрепляется с дном стакана, например из стеклопластика, выполняющего роль дополнительной теплозащиты (бронезащиты) заряда либо защищается от термических нагрузок обечайкой с "усилением" (увеличением толщины) бронезащиты со стороны переднего торца. Недостатками такой конструкции являются как сложность ее конструктивного оформления (введение в конструкцию заряда (ГГ) стакана, обечайки), так и недостаточная надежность обеспечения ее работоспособности из-за наличия реального бокового зазора между стаканом (обечайкой) и боковой бронированной поверхностью заряда. Это не позволяет применить для бронирования заряда ТРТ бронесоставы, например на основе ацетилцеллюлозы, обладающие низкой термостойкостью, но с чистыми продуктами термического разложения.

Проблема эксплуатационной надежности заряда, с точки зрения гарантированного обеспечения расчетного торцевого режима горения, практически решается при использовании смесевого твердого ракетного топлива (СТРТ), перерабатываемого в заряд по литьевой технологии. СТРТ в жидковязком виде нагнетают в корпус РД, осуществляя его скрепление через защитно-крепящий слой с корпусом в процессе полимеризации. В этом случае как бы сам корпус РД является "бронепокрытием" заряда. Однако такие конструкции экономически весьма затратны, а для ряда ракетных систем технически не пригодны. Это касается в первую очередь ГГ и маршевых РД УР, наводимых на цель командными методами. СТРТ в силу своей природы отличаются, как известно, высоким содержанием к-фазы в ПС и высоким дымообразованием, что недопустимо для указанных устройств.

В то же время приемлемые для ГГ и маршевых РД по своим техническим характеристикам (чистота ПС, низкий уровень дымообразования, сравнительно низкий уровень температуры ПС при достаточно высоком уровне энергетики) баллиститные ТРТ и низкотемпературные термопластичные СТТ, перерабатываемые в заряды высокопроизводительным и экономичным способом проходного шнекового прессования, в силу своих физико-механических характеристик (низкая эластичность) не позволяют осуществить скрепление зарядов с корпусом по всей наружной поверхности.

С учетом вышеизложенного в качестве прототипа авторами принята конструкция заряда по пат. RU 2164616 от 27.03.01 г.

Технической задачей изобретения является разработка технологичной конструкции заряда твердого ракетного топлива торцевого горения с повышенной эффективностью и эксплуатационной надежностью.

Технический результат изобретения заключается в выполнении заряда твердого ракетного топлива в виде бронированной по боковой поверхности и торцу топливной шашки торцевого горения, прочно скрепленной с передним дном корпуса ГГ (или РД). При этом скрепление выполнено с использованием полимеризующегося состава вклейкой бронированного торца заряда в корпус с монолитным заполнением полимеризующимся составом бокового зазора между корпусом и боковой поверхностью заряда со стороны переднего дна корпуса на 0,2...0,8 длины заряда с исключением адгезии полимеризующегося состава к боковой поверхности заряда. При этом в центре торцевого бронепокрытия выполняют опорный выступ высотой (1,0...1,5)δ, где δ - толщина бокового зазора, а на боковую поверхность заряда нанесен антиадгезив, например, в виде намотанной полиэтиленовой ленты с липким слоем. В качестве скрепляющего полимеризующегося состава может использоваться полимерная композиция на основе наполненных полиэфиров и изоцианатов, обеспечивающая высокую эластичность в широком температурном диапазоне.

Патентуемое изобретение поясняется на чертежах.

Фиг.1. Конструкция прототипа:

1 - шашка ТРТ

2 - боковое бронепокрытие заряда

3 - торцевое бронепокрытие заряда

R - тяга РД; Р - давление в РД (или ГГ); G - весовой расход ПС;

t - время.

Фиг.2. Характер температурных нагрузок на боковое бронепокрытие заряда:

1 - шашка ТРТ

2 - боковое бронепокрытие заряда

3 - торцевое бронепокрытие заряда

4 - корпус ГГ (или РД)

5 - боковой зазор

L - длина заряда; δ - толщина бокового зазора; Т_нач - начальная температура заряда; Т_всп - температура вспышки; Т_к - температура ПС ТРТ.

Фиг.3. Конструкция патентуемого заряда:

1 - шашка ТРТ

2 - боковое бронепокрытие заряда

3 - торцевое бронепокрытие заряда

4 - корпус ГГ (или РД);

5 - боковой зазор

6 - скрепляющий полимеризующийся состав.

Фиг.4. Вариант скрепления для конструкции патентуемого заряда:

1 - шашка ТРТ

2 - боковое бронепокрытие заряда

3 - торцевое бронепокрытие заряда

4 - корпус ГТ (или РД)

6 - скрепляющий полимеризующийся состав

7 - выступ (упор).

Сущность изобретения (Фиг.3) заключается в прочном скреплении поверхности торцевого бронепокрытия (3) заряда с дном корпуса (4) через скрепляющий полимеризующийся (адгезионный) состав (6). При этом скрепление заряда по торцу выполнено заодно (монолитно) с заполнением бокового зазора (5) от днища корпуса на длину 0,2-0,8 L, где L - длина заряда, тем же самым полимеризующимся составом (6) с исключением адгезии последнего к боковому бронепокрытию (2). Для исключения адгезии на боковое бронепокрытие нанесена антиадгезионная пленка. В качестве антиадгезива может быть использована полиэтиленовая лента с липким слоем.

В патентуемой конструкции достигается надежная фиксация заряда в корпусе как в продольном, так и в поперечном направлениях.

Это позволяет:

1. Исключить контактные напряжения и деформации на заднем (сопловом) торце заряда и тем самым предотвратить разрушение заряда либо недопустимое пластическое деформирование торца.

2. Исключить перетоки газов (ПС) над бронированными боковой и торцевой поверхностями заряда.

За счет плотного заполнения бокового зазора высокоэластичным полимеризующимся составом практически исключается воздействие высокотемпературных ПС на бронепокрытие. Это позволяет применить для бронирования зарядов бронесоставы с низкой термостойкостью, но с чистыми продуктами терморазложения, например на основе ацетилцеллюлозы (пат. RU 2179989), обеспечивающих при термическом разложении минимум к-фазы и отсутствие твердых частиц наполнителей, что особенно важно для эксплуатационной надежности бортовых источников питания ракет (турбогенераторов) и исполнительных механизмов. Чистота продуктов сгорания РД (низкое дымообразование) повышает также надежность наведения управляемых ракет.

Заполнение бокового зазора (5) полимеризующимся составом исключает воздействие высокотемпературных ПС на боковую поверхность бронепокрытия, а раскрепление (отсутствие адгезии) по поверхности "боковое бронепокрытие-полимерный состав" позволяет свободно "дышать" заряду ТРТ в температурном диапазоне эксплуатации (от 60 до минус 60°С) с исключением сдвиговых напряжений, присущих скрепленным с корпусом по боковой поверхности зарядам. Заполнение бокового зазора на глубину (0,2...0,8) L позволяет обеспечить как работоспособность "коротких" зарядов с малыми временами работы до 10...20 с (нижний предел 0,2 L), так и удлиненных зарядов с большими временами работы - 50...80 с и более (верхний предел 0,8 L).

Выполнение в центре торцевого бронепокрытия выступа позволяет гарантировать толщину скрепляющего эластичного полимеризующегося состава по торцу заряда (1,0...1,5)δ, что обеспечивает эксплуатационную работоспособность заряда в широком температурном диапазоне.

Работоспособность патентуемой конструкции практически проверена в ГТ на зарядах торцевого горения из медленно горящих баллиститных и термопластичных СТТ, изготовленных способом проходного шнекового прессования и забронированных по торцу и боковой поверхности бронепокрытием на основе ацетилцеллюлозы с размерами:

длина300...650 ммдиаметр60...120 ммтолщина бронепокрытия2,0...3,5 мм

Заряды скреплялись с передним днищем корпуса ГГ по поверхности бронированного торца с одновременным монолитным заполнением бокового зазора полимеризующимся составом путем вытеснения последнего из-под торца в зазор. Длина заполнения бокового зазора 0,2...0,8 L.

Результаты огневых стендовых испытаний зарядов в составе ГГ удовлетворительные.

Положительный эффект изобретения - повышение эффективности и эксплуатационной надежности зарядов ТРТ для ГГ и РД.

Изобретение относится к области ракетной техники и предназначено для использования преимущественно в газогенераторах и ракетных двигателях, снаряженных зарядами твердого ракетного топлива. Заряд включает бронированную по боковой поверхности и торцу шашку твердого ракетного топлива торцевого горения, прочно скрепленную с передним дном корпуса двигателя. Заряд скреплен с дном по поверхности бронированного торца с помощью скрепляющего жидковязкого полимеризующегося состава. Полимеризующимся составом также заполнен боковой зазор между корпусом и боковой поверхностью заряда со стороны бронированного торца на 0,2...0,8 длины заряда. При этом исключена адгезия полимеризующегося состава к боковой поверхности заряда путем нанесения на последнюю слоя полиэтилена. Изобретение позволяет повысить эффективность и эксплуатационную надежность заряда твердого ракетного топлива. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Заряд твердого ракетного топлива для ракетного двигателя, включающий бронированную по боковой поверхности и торцу шашку твердого ракетного топлива торцевого горения, прочно скрепленную с передним дном корпуса двигателя, отличающийся тем, что скрепление заряда с дном выполнено по поверхности бронированного торца с использованием скрепляющего жидковязкого полимеризующегося состава с монолитным заполнением последним бокового зазора между корпусом и боковой поверхностью заряда со стороны бронированного торца на 0,2-0,8 длины заряда и с исключением адгезии полимеризующегося состава к боковой поверхности заряда.2. Заряд твердого ракетного топлива по п.1, отличающийся тем, что в центре торцевого бронепокрытия выполнен выступ, высота (h) которого составляет (1,0-1,5)δ, где δ - толщина бокового зазора.3. Заряд твердого ракетного топлива по п.1 или 2, отличающийся тем, что на боковую бронированную поверхность заряда нанесен пленочный слой полиэтилена, например, в виде намотанной ленты с липким слоем, а в качестве скрепляющего полимеризующегося состава используется полимерная композиция на основе наполненных полиэфиров и изоцианатов.