меньший объем, чем корпус из композиционного материала, поэтому для одной и той же внешней оболочки этот корпус может вмещать несколько больше топлива.
На рис. 6.6 показаны различные секции типичных больших корпусов для твердотопливных ракет, сделанных из стали путем сварки. Форма корпуса, в частности отношение длины к диаметру для цилиндрических корпусов, влияет не только на напряжения, которые должен выдержать корпус, но и на количество материала корпуса, требуемого для размещения данного объема твердого топлива.
Для очень больших и длинных двигателей твердотопливный заряд и корпус двигателя делаются секционными: сегменты корпуса механически скрепляются и уплотняются друг с другом на стартовой площадке. Сегментированный твердотопливный ускоритель для «Спейс Шаттл» показан на рис. 6.7. У этого ускорителя суммарный вес топлива 1 106 280 фунт-сила, суммарный вес двигателя 1 255 592 фунт-сила, максимальная тяга в вакууме 3 060 000 фунт-сила, температура от 40 до 120 °F (от 4 до 50 °С), давление в камере сгорания (макс./среднее) 910/662 фунт/дюйм2 (62/45 кг/см2), время работы при 70 °F (120 °С) 123,7 с, длина собранного двигателя 1513 дюйм, диаметр корпуса 146 дюйм, массовая доля топлива (двигат.) 88,2 %, удельный импульс высотный
268,2 с. Топливо: 70 % ПХА, 16 % Al, 14 % PBAN с отвердите-
лем. Скорость горения 0,434 дюйм/с.
Для весьма критического уплотнения между сегментами часто используется множество составных О-образных соединений (рис. 6.8). Сегменты используются в случае, если несегментированный двигатель слишком большой и слишком тяжелый для транспортировки по обычным дорогам (невозможно выполнить повороты) или по железной дороге (не проходит через некоторые тоннели и под некоторыми мостами) и бывает трудным для изготовления.
235
236
Рис. 6.6. Типовой большой корпус твердотопливного двигателя, изготовленный из стали методом сварки
236
Рис. 6.7. Упрощенная диаграмма четырех сегментов твердотопливного ракетного двигателя «Спейс Шаттл». Детали механизма управления вектором тяги или системы воспламенения не показаны
Рис. 6.8. Проектный и доработанный варианты соединений между сегментами в твердотопливном ускорителе Шаттла (SRB)
Небольшие металлические корпуса для двигателей тактических ракет могут быть получены методом экструзии или путем ковки (и затем механически обработаны) или изготовлены из трех частей, как показано на рис. 6.8. Этот корпус проектировался для вкладного
237
заряда. Корпус, сопло и газоход уплотняются (герметизируются) О-образными соединениями. Так как скорости полета для большинства тактических ракет являются относительно низкими (от 100 до 1500 м/с), их массовые доли топлива также относительно низки (от 0,5 до 0,8) и процент инертной массы двигателя является высоким. Коэффициенты безопасности для корпусов тактических ракет часто бывают довольно высокими, что позволяет с ними грубо обращаться и накопливать повреждения. Поэтому акцент делается при выборе корпусов двигателей (и других его компонентов) не на обеспечение высокого совершенства (самый низкий вес инертной массы двигателя), а на его надежность, длительный срок служебной пригодности, низкую стоимость, прочность или живучесть.
Большинство корпусов изготавливается из высокопрочных сталей, но также используются и другие металлы, подобные алюминию, титану и никелевым сплавам (см. табл. 6.2). В настоящее время многое известно о проектировании и изготовлении корпусов двигателя из сталей (low-alloy) с уровнем прочности до 240 000 фунт/дюйм2 (16 350 кг/см2).
Высокопрочные стали имеют прочности приблизительно до 300 000 фунт/дюйм2 в сочетании с высокой жесткостью при разрушении. Термин «maraging» связан с тем фактом, что эти стали существуют в виде относительно мягких низкоуглеродистых мартенситов в условиях отжига и приобретают высокую прочность при старении при относительно низких температурах.
Стали типа HY (более новые, чем maraging стали) привлекательны из-за их вязкости (жесткости) и сопротивления износу свойства, довольно важного для корпусов двигателя и других сосудов, работающих под давлением, потому что разрушения их являются менее катастрофическими. Эта вязкость или жесткость является характеристикой, которая обеспечивает текучесть до разрушения, по крайней мере, при гидростатических испытаниях на прочность. Стали типа HY имеют прочности между 180 000 и 300 000 Н/см2 (в зависимости от термообработки и добавок).
238
Коррозионное растрескивание под напряжением определенных металлов представляет собой специфическую проблему, которая может приводить к мгновенному разрушению без какого-либо визуального доказательства грозящей катастрофы. Особое внимание должно уделяться тонким металлическим корпусам малого веса, свойства которых ухудшаются из-за коррозии под напряжением и распространения трещин, часто возникающих из-за наличия дефекта на металле, с последующим разрушением, происходящим при уровне напряжений ниже предела текучести.
6.1.3. Корпуса из композиционных материалов
Усиленные нитями корпуса используют непрерывные нити прочных волокон, намотанных вокруг точных форм или моделей и связанных вместе пластиком, обычно эпоксидной смолой. Их основное преимущество заключается в малом весе. Большинство пластиков размягчаются, когда они нагреваются выше 180 °С (или 355 °F); им необходимы вставки или усиления, чтобы обеспечить скрепление или сборку других компонентов и выдержать действие концентрированных нагрузок. Температурное расширение усиленных пластиков часто выше, чем у металла, а удельная теплопроводность намного ниже, вызывая более высокий температурный градиент.
Типичными материалами для увеличения прочности являются стеклянные, арамидные и углеродные (графитовые) волокна (см. табл. 6.2). Обычно инертная масса корпуса, изготовленного из углеволокна, составляет около 50 % массы корпуса, изготовленного из стекловолокна, иоколо 67 % массы корпуса– изволокнаКевлар.
Индивидуальные волокна имеют высокую прочность при рас-
тяжении (2400–6800 МПа, или 350 000–1 000 000 фунт/дюйм2).
Волокна удерживаются на месте с помощью пластикового связующего с относительно низкой плотностью, он предотвращает скольжение волокон и ослабление при сдвиге или изгибе. В намотанных корпусах из композиционных материалов (с действующими кольцевыми, изгибающими и растягивающими напряжениями)
239
нити не всегда ориентированы вдоль направления действия максимального напряжения, а материал включает в себя пластик с низкой прочностью; поэтому прочность композиционного материала уменьшается в 3–5 раз по сравнению с прочностью самой нити. Полимерное связующее обычно является термореактивной эпоксидной смолой, которая ограничивает максимальную температуру эксплуатации от 100 до 180 °С или от 212 до 355 °F. Хотя имеются смолы с более высокими температурными пределами (295 °C или 563 °F), их адгезия к волокнам не всегда является сильной. Коэффициенты безопасности или запас прочности, которые применяются (в детерминистском структурном анализе) для оценки разрушения, составляют от 1,4 до 1,6 для максимального действующего напряжения, а испытание при проверке прочности корпуса выполняются при создании давления, большего в 1,15– 1,25 раза действующего или рабочего давления.
Типовая конструкция корпуса показана схематично на рис. 6.9. Передний и задний торцы, цилиндрическая часть изготавливаются путем намотки на предварительно подготовленную заготовку или форму, которая уже содержит переднее и заднее кольца.
Рис. 6.9. Упрощенный разрез типовой конструкции намотанного корпуса из композиционного материала
240
Направление, в котором полосы укладываются на форму, и напряжение при растяжении, которое прикладывается к полосам, являются критичными для получения хорошего корпуса. Отверждение осуществляется в специальной термокамере (печь) под давлением, чтобы гарантировать высокую плотность и минимальное количество пустот в композиционном материале. Отформованная заготовка или форма затем удаляется. Одним из путей при изготовлении формы является применение песка с водорастворимым связующим для формообразования, после отверждения корпуса форма вымывается водой. Так как стенки корпуса из композиционного материала могут быть пористыми, они должны быть загерметизированы. Лайнер между корпусом и зарядом может выполнить функции герметизирующего материала, который предотвращает просачивание горячих газов через стенки корпуса. Царапины, пустоты и абсорбция влаги могут ухудшать прочность корпуса.
В некоторых конструкциях теплозащитное покрытие помещается на формообразующую оснастку до намотки и корпус отверждается одновременно с теплозащитным покрытием. В другой конструкции твердотопливный заряд с его передней и задней крышкой используется в качестве формы. Вначале на этот заряд наносится лайнер, затем теплозащитное покрытие и далее производится обмотка высокопрочными нитями слоями прямо на теплоизолированное твердое топливо. Отверждение должно производиться при относительно низкой температуре, так чтобы на топливо не оказывалось слишком вредного воздействия. Этот процесс довольно хорош для экструдируемых цилиндрических зарядов. Имеются также цилиндрические корпуса, сделанные из стали, которые обертываются слоем намотанного композиционного материала. Допустимые напряжения обычно определяются из тестов на растяжение на модельных корпусах из композиционных материалов, изготовленных, по существу, с использованием идентичного процесса намотки нитей. Некоторые компании уменьшают допустимую прочность, чтобы учесть деградацию за счет влаги, производственных недостатков или неоднородной плотности.
241
В корпусе двигателя нити должны быть ориентированы в главном направлении действия и соразмерны с величиной напряжения. Компромисс происходит в отношении частей, необходимых для установки сопел, воспламенителей и т.п., и поэтому ориентация поддерживается близко к идеальной, насколько это возможно практически. Нити обычно собираются в виде пряжи, ровингов или полос (рис. 6.10).
Рис. 6.10. Терминология при намотке нитей (каждый эскиз выполнен в разных масштабах)
Путем использования двух или более углов намотки (т.е. спиральной или по окружности) и расчета пропорции нитей в каждом направлении получается вполне сбалансированная напря-
242
женная конструкция. Идеалом в таком балансе является то, что для каждой нити в каждом направлении должна действовать примерно равная нагрузка (только растяжение). Реально нити, пропитанные эпоксидной смолой, должны абсорбировать напряжения сжатия, изгибающие нагрузки, поперечно-ламинарный и внутриламинарный сдвиг. Даже если последние напряжения малы по сравнению с растягивающим напряжением, каждое напряжение должно быть проверено путем анализа, так как каждый вид напряжения может привести корпус к разрушению, прежде чем нить разорвется при растяжении. В совершенной конструкции разрушение происходит, когда нити достигают их предельной прочности при растяжении, а не из-за напряжений, действующих в других направлениях.
6.2. Сопла. Классификация
Сверхзвуковое сопло обеспечивает расширение и ускорение горячих газов и должно выдерживать довольно тяжелые условия работы при высокой теплопередаче и эрозионном воздействии. Достижения в технологии материалов позволили существенно уменьшить массу сопла и значительно повысить совершенство. Диапазон применяемых сопел колеблется от 0,05 до 54 дюймов диаметра критического сечения сопла и с продолжительностью работы от доли секунды до нескольких минут.
Сопла для ракетных двигателей на твердом топливе могут быть классифицированы на пять категорий (рис. 6.11).
1. Нерегулируемое (фиксированное) сопло. Простое по конст-
рукции и часто используемое в ракетных системах тактического назначения для ракет, запускаемых в воздухе, с поверхности земли и воды на относительно короткие расстояния, также для ракет, работающих в связке для космических ракетоносителей, таких как «Атлас» и «Дельта», и космических ракетных двигателей для маневрирования на орбите. Типовые диаметры критического сечения сопла составляют 0,25–5 дюймов для тактических ракет и приблизительно 10 дюймов для ракетных двигателей, работающих в связ-
243
ке. Нерегулируемые сопла вообще не являются утопленными и не снабжены устройствами для управления вектором тяги (хотя имеются исключения).
Рис. 6.11. Упрощенные схемы пяти конфигураций сопла:
а– нерегулируемое сопло; б – поворотное сопло с гибким соединением;
в– утопленное сопло; г – выдвижной выходной конус, принцип скольжения назад; д – сопло с газоходом
2.Поворотное сопло. Обеспечивает управление вектором тяги для летательного аппарата. Одно поворотное сопло может обеспечить управление углом тангажа и углом рыскания, а два поворотных сопла необходимы для управления вращением. Поворотные сопла обычно являются утопленными и в их конструкции используется гибкое уплотнительное соединение или подшипник (bearing) с двумя приводами на 90 градусов, чтобы обеспечить всенаправленное движение (см. рис. 6.11, б). Поворотные сопла
244