КОМБИНИРОВАННЫЙ ЗАРЯД РАКЕТНОГО ДВИГАТЕЛЯ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА С ПЛАМЕГАСЯЩИМ ЭФФЕКТОМ ИСТЕКАЮЩЕЙ СТРУИ ПРОДУКТОВ СГОРАНИЯ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2011 года по МПК F02K9/26 

Изобретение относится к области ракетной техники, а именно к области разработки конструкции заряда из твердого ракетного топлива (ТРТ), включающего дополнительную шашку (шашки) из пламегасящего состава (ПГС), что обеспечивает безопасность применения заряда в ракетных двигателях твердого топлива (РДТТ) при боевом использовании - эксплуатации.

Известно, что в продуктах сгорания (ПС) ТРТ, истекающих из сопла РДТТ, содержатся продукты неполного сгорания (Н₂ и СО), которые доокисляются при взаимодействии с кислородом атмосферного воздуха, что приводит к догоранию струи ПС в атмосфере с образованием высокотемпературного факела и к скачкообразному увеличению температуры истекающих через сопло РДТТ газов с 800-1000 К до 2000 К и более (так называемое явление «вторичного факела»). При пусках авиационных ракет, оснащенных РДТТ, из-под фюзеляжа самолетов-носителей наличие «вторичного факела» может привести к потере газодинамической устойчивости авиационных двигателей (АД), за счет засасывания факела в диффузор АД самолета-носителя, а именно к их помпажу (заглоханию). При использовании РДТТ в качестве тормозных двигателей десантируемых платформ с боевой техникой с транспортных самолетов - к повреждению этой техники, обусловленному непосредственным воздействием «вторичного факела», а также к возникновению пожаров на месте приземления.

Для устранения явления «вторичного факела» используют в составе заряда ТРТ дополнительные шашки из ПГС (пат. США №3166896-прототип), в рецептуре которых содержится ≈40-70% солей калия (сульфата калия, перхлората калия).

Недостатком прототипа является пониженная эффективность (не оптимизировано соотношение скоростей горения ТРТ и ПГС, а также соотношение секундных весовых расходов ТРТ и ПГС, а сама рецептура ПГС обладает пониженной концентрацией калийсодержащих соединений). Это не позволяет реализовать высокоэффективную конструкцию РДТТ для авиационных ракет и тормозных двигателей десантируемых платформ.

Технической задачей изобретения является разработка конструкции комбинированного заряда ТРТ, обеспечивающей устойчивый пламегасящий эффект истекающей струи продуктов сгорания.

Технический результат изобретения заключается в выполнении комбинированного заряда для ракетного двигателя твердого топлива с пламегасящим эффектом истекающей струи продуктов сгорания, выполненного в виде шашки твердого ракетного топлива и шашки из пламегасящего состава. При этом шашка из ПГС установлена у одного из торцов шашки ТРТ. Горящий свод шашки из ПГС выполняют с учетом условия:

e_ПГС·U_ТРТ=e_ТРТ·U_ПГС

где e_ПГС - горящий свод шашки из пламегасящего состава;

e_ТРТ - горящий свод шашки твердого ракетного топлива;

U_ТРТ - скорость горения шашки твердого ракетного топлива;

U_ПГС - скорость горения шашки пламегасящего состава;

а масса шашки ПГС (m_ПГС) выполнена с учетом соотношения:

(0,05) m_ТРТ<m_ПГС<(0,10)m_ТРТ,

где m_ТРТ - масса шашек ТРТ.

Технический результат изобретения заключается также в выполнении комбинированного заряда для ракетного двигателя твердого топлива с пламегасящим эффектом истекающей струи в виде многошашечного заряда из ТРТ и нескольких шашек, выполненных из ПГС и равномерно-установленных по периметру многошашечного заряда ТРТ.

При этом горящий свод шашек ПГС (еще) выполнен с учетом условия:

e_ПГС·U_ТРТ=e_ТРТ·U_ПГС,

где e_ПГС - горящий свод шашки ПГС;

e_ТРТ - горящий свод шашки ТРТ;

U_ТРТ - скорость горения ТРТ;

U_ПГС - скорость горения ПГС;

а масса шашек ПГС (m_ПГС) выполнена с учетом условия:

(0,05) m_ТРТ<m_ПГС<(0,10)m_ТРТ

где m_ТРТ - масса шашек ТРТ.

Технический результат изобретения также заключается в выполнении рецептуры ПГС для вышеуказанных вариантов зарядов в следующем соотношении компонентов (мас.%):

Калий хлорнокислый - 46,0-48,0

Калий сернокислый - 35,0-37,0

Поливинилбутираль - 7,0-9,0

Дибутилфталат - 3,0-4,0

Кислота олеиновая - 1,0-2,0

Эпоксидная смола -1,5-2,5

Парафин-0,5-1,5

Графит - 0,3-0,7

Полиэтиленполиамин - 0,3-0,7.

Шашка твердого ракетного топлива в вышеуказанных вариантах заряда выполнена из баллиститного твердого ракетного топлива или смесевого твердого ракетного топлива.

Сущность изобретения заключается в эффективности реализации пламегашения продуктов сгорания ТРТ за соплом РД, как за счет рецептуры пламегасящего состава (ПГС), так и конструкции заряда в целом. Наличие в пламегасящем составе продуктов термического разложения хлорнокислого и сернокислого калия, реализуемых в истекающей струе ПС, в том числе в виде ионов калия (K⁺) и ионов хлора (Cl^-), обладающих ингибирующим действием [см. Семенов Н.Н. «О некоторых проблемах химической кинетики и реакционной способности». М.: Изд-во АН СССР, 1958], позволяет эффективно связать свободные радикалы в продуктах сгорания ТРТ и тем самым исключить догорание продуктов неполного окисления с последующим возрастанием температуры истекающей струи. Соблюдение соотношения:

(0,05) m_ТРТ<m_ПГС<(0,10)m_ТРТ способствует эффективному пламегашению:

- при m_ПГС/m_ТРТ<0,05 не достигается удовлетворительное гашение струи пламени,

- при m_ПГС/m_ТРТ>0,10 существенно ухудшаются характеристики РДТТ (импульс тяги). В пределах m_ПГС/m_ТРТ=0,05…0,10 - обеспечивается устойчивое пламегашение струи ПС при допустимом уровне внутрибаллистических характеристик РДТТ.

Размещение шашек ПГС равномерно по периферии (периметру) многошашечного заряда способствует повышению эффективности процесса пламегашения при минимальном количестве шашек из ПГС.

Соблюдение соотношения e_ПГС·U_ТРТ=e_ТРТ·U_ПГС позволяет обеспечить эффект пламегашения в течение всего времени работы РДТТ.

При этом в рецептуру ПГС вводится до 80…85% калийсодержащих солей, а гомогенность, однородность, реологические характеристики пламегасящего состава обеспечиваются вводом в рецептуру ПГС поливинилбутираля, дибутилфталата (ДБФ) и кислоты олеиновой в указанных соотношениях.

Монолитности и прочности шашек ПГС способствует также ввод в рецептуру ПГС эпоксидной смолы и полиэтиленполиамина, а обеспечению удовлетворительных реологических характеристик при прессовании шашек ПГС способствует ввод в рецептуру парафина, а также графита, параллельно регулирующего скорость горения ПГС.

Введение повышенного по сравнению с прототипом количества калийсодержащих веществ в рецептуру ПГС позволяет существенно уменьшить содержание в комбинированном заряде в целом количества энергетически инертных материалов (т.е. собственно массу заряда ПГС) и, тем самым, увеличить энергетические характеристики комбинированного заряда в целом.

Использование рецептуры ПГС по настоящей заявке позволяет реализовать эффективную конструкцию комбинированного заряда из ТРТ к авиационным ракетам и тормозным РДТТ десантируемых платформ, а именно в виде:

1. Многошашечного заряда из ТРТ, укомплектованного шашками, выполненными из ПГС (Фиг 1) и равномерно установленными по периметру заряда.

2. Заряда-моноблока из ТРТ, оснащенного шашкой из ПГС (Фиг.2).

Графические материалы

Фиг.1 - комбинированный многошашечный заряд из шашек ТРТ и ПГС;

Фиг.2 - комбинированный заряд с шашкой-моноблоком ТРТ и шашкой ПГС, где

1 - шашка ТРТ;

2 - шашка из ПГС.

Пример практической реализации. Патентуемая конструкция заряда реализована в виде:

Пример I

Многошашечный заряд к тормозному РДТТ десантируемой платформы (Фиг.1)

1.1. Геометрические размеры шашек ТРТ:

наружный диаметр - 28,0 мм

диаметр канала - 8 мм

длина - 320,0 мм

количество - 34 шт.

масса - 10,1 кг

1.2. Геометрические размеры шашек ПГС (рецептура - в соответствии с патентуемым техническим решением):

наружный диаметр - 28,0 мм

диаметр канала - 5,0 мм

длина - 320,0 мм

количество - 3 шт.

масса - 1,0 кг

Пример II

Заряд-моноблок для авиационной ракеты в виде шашки из ТРТ и шашки из ПГС (Фиг.2).

2.1. Геометрические размеры шашки ТРТ:

наружный диаметр - 76,0 мм

внутренний канал - фигурный, звездообразный

длина - 750,0 мм

масса - 3 кг

2.2 Геометрические размеры шашки ПГС (рецептура - в соответствии с патентуемым техническим решением):

наружный диаметр - 70,0 мм

диаметр канала - 40,0 мм

длина - 60,0 мм

масса - 0,250 кг

Результаты подавления факелообразования

Для примера I температура ПС истекающей струи на расстоянии 9 м от среза сопла по оси струи составила:

- с применением шашек ПГС - 580…630 К

- без применения шашек ПГС - 1550 К

Для примера II температура ПС истекающей струи на расстоянии 5 м от среза сопла по оси струи составила:

- с применением шашек ПГС - 650…700 К

- без применения шашек ПГС - 1550 К

Оценка эффективности пламегашения, в части регистрации температуры струи на определенном расстоянии от среза сопла РДТТ по оси факела выбиралась применительно к условиям эксплуатации конкретных ракетных систем.

Патентуемый заряд работает следующим образом. Продуктами сгорания воспламенителя заряда поджигаются шашки ТРТ и шашки ПГС. Горение шашек ТРТ и ПГС осуществляется по эквидистантным поверхностям. При этом, за счет присутствия в смеси продуктов сгорания, истекающих из сопла РДТТ продуктов термического разложения ПГС, осуществляется практическое подавление факелообразования за соплом РДТТ.

Положительный эффект изобретения - устранение «вторичного факела РДТТ», повышение эффективности, надежности и безопасности РДТТ к авиационным ракетам и тормозным РДТТ десантируемых платформ.

Изобретение относится к конструкции заряда твердого ракетного топлива, предназначенного для использования в ракетных двигателях твердого топлива для авиационных ракет или тормозных систем грузовых платформ, десантируемых с транспортных самолетов. Комбинированный заряд ракетного двигателя твердого топлива с пламегасящим эффектом истекающей струи продуктов сгорания включает шашку твердого ракетного топлива и шашку пламягасящего состава, установленную у одного из торцов шашки твердого ракетного топлива. В другом варианте заряд ракетного двигателя твердого топлива выполнен в виде многошашечного заряда, включающего несколько шашек пламягасящего состава, равномерно расположенных по периметру. В каждом из вариантов горящий свод шашки из пламягасящего состава и ее масса выполнены с учетом соотношений защищаемых настоящим изобретением. Изобретение позволяет повысить надежность и безопасность ракетного двигателя твердого топлива. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Комбинированный заряд ракетного двигателя твердого топлива с пламегасящим эффектом истекающей струи продуктов сгорания, выполненный в виде шашки из твердого ракетного топлива и шашки из пламегасящего состава, отличающийся тем, что шашка из пламегасящего состава установлена у одного из торцов шашки из твердого ракетного топлива, а горящий свод шашки из пламегасящего состава выполнен с учетом соотношения
e_ПГС·U_ТРТ=e_ТРТ·U_ПГС,
где
е_ПГС - горящий свод шашки из пламегасящего состава;
е_ТРТ - горящий свод шашки из твердого ракетного топлива;
U_ТРТ - скорость горения шашки из твердого ракетного топлива;
U_ПГС - скорость горения шашки из пламегасящего состава, при этом масса шашки из пламегасящего состава выполнена с учетом условия
0,05 m_ТРТ<m_ПГС<0,10 m_ТРТ, где
m_ТРТ - масса шашки из твердого ракетного топлива;
m_ПГС - масса шашки из пламегасящего состава.

2. Комбинированный заряд по п. 1, отличающийся тем, что шашка из пламегасящего состава выполнена при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Калий хлорнокислый 46,0-48,0 Калий сернокислый 35,0-37,0 Поливинилбутираль 7,0-9,0 Дибутилфталат 3,0-4,0 Кислота олеиновая 1,0-2,0 Эпоксидная смола 1,5-2,5 Парафин 0,5-1,5 Графит 0,3-0,7 Полиэтиленполиамин 0,3-0,7

3. Комбинированный заряд по п.1, отличающийся тем, что шашка из твердого ракетного топлива выполнена из баллиститного твердого ракетного топлива или смесевого твердого ракетного топлива.

4. Комбинированный заряд ракетного двигателя твердого топлива с пламегасящим эффектом истекающей струи продуктов сгорания, выполненный в виде многошашечного заряда из твердого ракетного топлива, отличающийся тем, что заряд содержит несколько шашек из пламегасящего состава равномерно расположенных по периметру заряда, при этом горящий свод шашек из пламегасящего состава выполнен с учетом соотношения
e_ПГС·U_ТРТ=e_ТРТ·U_ПГС, где
е_ПГС - горящий свод шашки из пламегасящего состава;
е_ТРТ - горящий свод шашки твердого ракетного топлива;
U_ТРТ - скорость горения шашки из твердого ракетного топлива;
U_ПГС - скорость горения шашки из пламегасящего состава,
при этом масса шашек из пламегасящего состава выполнена с учетом условия
0,05 m_ТРТ<m_ПГС<0,10 m_ТРТ, где
m_ТРТ - масса шашки из твердого ракетного топлива;
m_ПГС - масса шашки из пламегасящего состава.

5. Комбинированный заряд по п. 4, отличающийся тем, что шашки из пламегасящего состава выполнены при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Калий хлорнокислый 46,0-48,0 Калий сернокислый 35,0-37,0 Поливинилбутираль 7,0-9,0 Дибутилфталат 3,0-4,0 Кислота олеиновая 1,0-2,0 Эпоксидная смола 1,5-2,5 Парафин 0,5-1,5 Графит 0,3-0,7 Полиэтиленполиамин 0,3-0,7

6. Комбинированный заряд по п. 4, отличающийся тем, что шашки из твердого ракетного топлива выполнены из баллиститного твердого ракетного топлива или смесевого твердого ракетного топлива.