СКРЕПЛЕННЫЙ ЗАРЯД РАКЕТНОГО ТВЕРДОГО ТОПЛИВА Российский патент 2017 года по МПК F02K9/34 

Изобретение относится к области ракетной техники и может быть использовано в ракетных двигателях твердого топлива (РДТТ) с зарядами из смесевых топлив, скрепленных со стенками корпуса.

Из уровня техники известны твердотопливные заряды, скрепленные со стенками корпуса РДТТ и имеющие следующую схему крепления заряда к стенкам ракетного двигателя: на внутреннюю поверхность корпуса вначале наносят теплозащитное покрытие (ТЗП), а затем к нему приклеивают заряд твердого топлива (патенты США №№4601862, 3578520).

Недостатком приведенных аналогов является сложность конструкции и технологии изготовления заряда из-за многослойной схемы скрепления его с корпусом, так как кроме ТЗП, защитно-крепящего слоя (ЗКС), крепящего заряд твердого топлива к теплоизолированной внутренней поверхности корпуса, требуется наличие слоя клея между ТЗП и корпусом.

Подготовка корпуса и нанесение клея на внутреннюю поверхность корпуса является трудоемкой, пожароопасной и экологически вредной операцией.

Известен заряд по патенту РФ №2542632 (опубл. 20.02.2015 г.), содержащий корпус, топливный заряд и теплозащитное покрытие с выступами, в продольном сечении имеющими вид полугантели и обращенными внутрь заряда.

Недостатками известного заряда являются: повышенный вес корпуса из-за нерациональной высоты выступов (одинакова во всех зонах заряда); недостаточная прочность (в частности, динамическая) скрепления ТЗП с топливом, что обусловлено сочетанием гладкой поверхности выступов и не оптимизированным экспериментально соотношением расстояния между соседними выступами и диаметром головки полугантели выступов.

Известен принятый за прототип заряд по патенту US 4649823, содержащий корпус, топливный заряд и теплозащитное покрытие с разновысотными выступами, в продольном сечении имеющими вид полугантели и обращенными внутрь заряда.

В описании прототипа декларируется, что представленное конструктивное выполнение заряда направлено на создание механической связи между топливным зарядом и ТЗП. Однако не во всех своих воплощениях известное техническое решение выполнено исключительно бесклеевым. Предусмотрены мероприятия по дополнению механической связи с применением адгезионного материала, нанесенного на поверхность ТЗП и поверхность выступов. При этом, в случае реализации безусловно бесклеевого крепления ТЗП с топливным зарядом, предусмотрено не только варьирование высоты выступов, но и выполнение в выступах отверстий для увеличения контакта материала топливного заряда с выступами. Т.е. прототип не во всех случаях обеспечивает достаточную прочность на отслаивание ТЗП от топлива.

Конструкция-прототип имеет повышенный вес корпуса с ТЗП, так как не оптимизировано размещение выступов разных размеров по зонам заряда. Во всех зонах заряда выступы большей высоты чередуются с выступами меньшей высоты, т.е. во всех зонах заряда плотность размещения выступов одинакова, а значит и вес ТЗП в разных зонах будет нерационально одинаков.

Кроме того, прототип имеет недостаточную прочность (в частности, динамическую) скрепления ТЗП с топливом, что обусловлено сочетанием гладкой поверхности выступов и не оптимизированным экспериментально соотношением расстояния между соседними выступами и диаметром головки полугантели выступов.

Задачей предлагаемого технического решения является разработка конструкции скрепленного заряда твердого ракетного топлива, позволяющей повысить эффективность РДТТ за счет уменьшения веса корпуса с ТЗП при одновременном достижении гарантированной прочности крепления топлива к ТЗП, в том числе и динамической, при воплощении изобретения в изделиях, устанавливаемых в соответствии с современной тенденцией развития ракетной техники на подвижных носителях (автомобильный и железнодорожный транспорт).

Поставленная задача решается скрепленным зарядом ракетного твердого топлива, содержащим корпус, топливный заряд и теплозащитное покрытие с разновысотными выступами, в продольном сечении имеющими вид полугантели и обращенными внутрь заряда. Особенность заключается в том, что высоту выступов варьируют по зонам заряда и назначают в соответствии с действующими в конкретной зоне скрепления заряда с корпусом отрывными напряжениями, при этом поверхность выступов полностью или частично выполнена с микронеровностями высотой 0,05-0,5 мм, а отношение расстояния между соседними по длине заряда выступами к диаметру головки полугантели выступов составляет 1,7-2,0.

Варьирование высотой выступов по зонам заряда позволяет уменьшить пассивный вес РДТТ. Например, для прочноскрепленного с корпусом канального заряда с раскрепленными манжетами торцами, в зоне манжет и в срединной зоне цилиндрической части корпуса, в силу того, что топливо не испытывает больших отрывных напряжений, высота выступов может быть значительно меньше, чем в зоне замков манжет. Высота выступов в зоне манжет также варьируется в соответствии с уровнем отрывных напряжений, постепенно увеличивается в сторону цилиндрической части корпуса.

Предлагаемое изобретение отличается от прототипа иным сочетанием разновысотных выступов - высота выступов в разных зонах заряда назначается разной (в прототипе выступы меньшей высоты чередуются с выступами большей высоты вне зависимости от зон заряда); иным характером поверхности выступов - с микронеровностями (в прототипе гладкая); оптимизированным отношением расстояния между соседними по длине заряда выступами к диаметру головки полугантели выступов (в прототипе данное отношение не конкретизируется).

Именно совокупность отличительных от прототипа признаков с остальными существенными признаками позволила решить поставленную задачу.

Предлагаемый скрепленный заряд ракетного твердого топлива иллюстрируется Фиг. 1-5:

Фиг. 1 - продольный разрез заряда с выступами на цилиндрической части корпуса, в районе замков манжет и в зоне самих манжет разной высоты.

Фиг. 2 - узел А на Фиг. 1, на котором приведены выступы в продольном сечении, поверхность которых частично оснащена микронеровностями.

Фиг. 3 - фотография разрушения поверхности гладких выступов ТЗП.

Фиг. 4 - фотография разрушения поверхности топлива, скрепленного с ТЗП с выступами, снабженными микронеровностями.

Фиг. 5 - фотография испытанных фрагментов ТЗП с различным отношением расстояния между соседними выступами к диаметру головки полугантели выступов.

Скрепленный заряд ракетного твердого топлива содержит корпус 1, оснащенный манжетами 2 с замками 3, ТЗП 4, топливный заряд 5. ТЗП 4 имеет разновысотные выступы 6, в продольном сечении имеющие вид полугантели и обращенные внутрь заряда 5. Выступы 6, например, выполнены сплошными (тянущимися без перерыва) с возможностью принимать форму кольца или в виде отдельных штырьков. Поверхность выступов 6 полностью или частично выполнена с микронеровностями 7.

Внутреннюю поверхность корпуса 1 совмещают с резиноподобным гибким ТЗП 4 (например, резина 51-2110 по ТУ 381051528, резина 51-1615 по ТУ 1051177-82), осуществляют вулканизацию, при которой одновременно происходит соединение ТЗП 4 с корпусом 1. Подготовленный таким образом корпус 1 заполняют топливным зарядом 5, который, отверждаясь, механически скрепляется с ТЗП 4.

При исследовании разрыва соединения топлива с фрагментом ТЗП с выступами без микронеровностей разрыв происходил именно по поверхности выступов (Фиг. 3).

Испытания, проведенные с использованием выступов, снабженных микронеровностями, показали, что разрыв соединения ТЗП с топливом всегда происходил по топливу (Фиг. 4), даже при действии динамической нагрузки при использовании вибростенда LDS «В650М8-ЦЭ».

Рациональное сочетание размеров выступов обеспечивает надежное крепление топлива к корпусу с ТЗП без увеличения веса последнего.

Исследования влияния отношения расстояния L между соседними выступами к диаметру D головки полугантели выступов на прочность крепления топлива к ТЗП корпуса проводили с использованием смесевого твердого топлива (СТТ) на основе каучука БНКС (ТУ38.3013-2006), имеющего следующие физико-механические характеристики: прочность δ_у=0,43 МПа, предельная относительная деформация ε=41%, модуль упругости E=1,83 МПа.

Проведенные исследования прочности скрепления СТТ с фрагментом ТЗП корпуса показали, что отношение L/D в пределах 1,7-2,0 является оптимальным.

При увеличении этого отношения прочность крепления уменьшается, топливо выходит из зацепления с выступами. При уменьшении этого соотношения вес корпуса с ТЗП становится выше, чем при использовании клеевого соединения между топливным зарядом и ТЗП.

Проведенные исследования показали, что создать на выступах микронеровности высотой меньше 0,05 мм на резине проблематично, при этом микронеровности такого размера практически не оказывают влияния на прочность скрепления топлива с ТЗП. Микронеровности на выступах высотой более 0,5 мм становятся соизмеримыми с высотой выступов и незначительно увеличивают прочность скрепления ТЗП с топливом.

Необходимые размеры выступов в каждой зоне заряда и материал ТЗП определяют при проектировании конкретного скрепленного заряда ракетного твердого топлива.

Таким образом, предлагаемое техническое решение практически реализуемо, является актуальным и перспективным, поскольку ориентировано на повышение эффективности РДТТ, в которых используют скрепленные заряды ракетного твердого топлива.

Изобретение относится к области ракетной техники и может быть использовано в ракетных двигателях твердого топлива с зарядами из смесевых топлив, скрепленных со стенками корпуса. Скрепленный заряд ракетного твердого топлива содержит корпус, топливный заряд и теплозащитное покрытие с разновысотными выступами, в продольном сечении имеющими вид полугантели и обращенными внутрь заряда. Высоту выступов варьируют по зонам заряда и назначают в соответствии с действующими в конкретной зоне скрепления заряда с корпусом отрывными напряжениями. Поверхность выступов полностью или частично выполнена с микронеровностями высотой 0,05-0,5 мм, а отношение расстояния между соседними по длине заряда выступами к диаметру головки полугантели выступов составляет 1,7-2,0. Изобретение позволяет снизить вес корпуса с теплозащитным покрытием при одновременном достижении гарантированной прочности крепления топлива к теплозащитному покрытию, в том числе и динамической. 5 ил.

Скрепленный заряд ракетного твердого топлива, содержащий корпус, топливный заряд и теплозащитное покрытие с разновысотными выступами, в продольном сечении имеющими вид полугантели и обращенными внутрь заряда, отличающийся тем, что высоту выступов варьируют по зонам заряда и назначают в соответствии с действующими в конкретной зоне скрепления заряда с корпусом отрывными напряжениями, при этом поверхность выступов полностью или частично выполнена с микронеровностями высотой 0,05-0,5 мм, а отношение расстояния между соседними по длине заряда выступами к диаметру головки полугантели выступов составляет 1,7-2,0.