и массой теплоизоляции при различных размещениях в пределах сопла, так что его конструкции и соединения будут выполнять свои функции в течение продолжительности применения при вероятных операционных условиях.
Выбор материала для сопла ракетного двигателя. В табл. 6.3
представлены различные группы материалов для типового сопла в соответствии с его применением. Высокотемпературные продукты выхлопных газов создают необычно жесткие и суровые условия для материалов сопла, особенно, когда применяются металлизированные топлива.
|
|
Таблица 6 . 3 |
Типичные материалы для сопла двигателя и их функции |
||
|
|
|
Функция |
Материал |
Примечание |
1 |
2 |
3 |
Устройство и |
Алюминий |
Ограничено применение |
контейнер, вы- |
|
до 515 °С (959 °F) |
держивающий |
Низкоуглеродистая |
Хорошо работает между 625 |
давление (ко- |
сталь, высокопрочные |
и 1200 °С (1100 и 2200 °F) |
нус, чехол) |
стали и специальные |
в зависимости от материала; |
|
сплавы |
жесткие и прочные |
Теплостойкий и |
Формованный графит |
Для низких температур в камере |
для оттока теп- |
|
сгорания и низких давлений; низкая |
ла материал на |
|
стоимость |
входной секции |
Пиролитический гра- |
Имеет анизотропную теплопровод- |
и на горловине |
фит |
ность |
сопла; тяжелые |
Вольфрам, молибден |
Тяжелые, дорогие, подвержены |
тепловые усло- |
или другой тяжелый |
растрескиванию, стойки к эрозии |
вия, высокоско- |
металл |
|
ростной газ с |
Ткань из волокон гра- |
Чувствительны к ориентации во- |
эрозией |
фита (углеволокно) или |
локна. Абляционные материалы |
|
Кевлара, пропитанная |
используются для больших сопел |
|
фенольными или эпок- |
|
|
сидными смолами |
|
|
Углерод-углерод |
Трехили четырехразмерные спле- |
|
|
тенные волокна, прочные, дорогие, |
|
|
ограниченные по температуре |
|
|
3300 °С (6000 °F) |
255
|
|
Окончание табл. 6 . 3 |
|
|
|
1 |
2 |
3 |
Теплоизоляция |
Абляционные пластики |
Низкая теплопроводность, хорошая |
(под слоем ма- |
с наполнителями в ви- |
адгезия, шероховатость, стойкость к |
териала для |
де окиси кремния или |
эрозии; могут быть изготовлены |
съема тепла или |
Кевлара, фенольные |
методом намотки или путем про- |
барьера для |
смолы |
питки ткани с последующей меха- |
пламени), не |
|
нической обработкой |
подверженная |
|
|
действию дви- |
|
|
жущегося газа |
|
|
Барьер для пла- |
Абляционные пластики |
Более низкая стоимость, чем систе- |
мени (подверга- |
(такие же, как и тепло- |
мы углерод-углерод; лучшая стой- |
ется действию |
изоляция, но с мень- |
кость к эрозии, чем у теплоизоля- |
горячих низко- |
шим содержанием на- |
ционных материалов |
скоростных |
полнителя и более |
|
газов) |
прочной каучуковой |
|
|
матрицей) |
|
|
Волокна из графита, |
Тканевые или ленточные слои; на- |
|
Кевлара и окиси крем- |
мотанные или спрессованные, при- |
|
ния с фенольной или |
крепленные к конусу |
|
эпоксидной смолой |
|
|
Углерод-углерод |
Выдерживает более высокую тем- |
|
|
пературу, чем другие материалы, |
|
|
трехмерная намотка или укладка |
|
|
слоями |
Выходной |
Абляционный пластик |
Повышенный вес, ограниченная |
конус сопла |
с металлической ко- |
продолжительность работы, ткане- |
|
нусной конструкцией |
вые или ленточные слои, приклеен- |
|
|
ные к конусу |
|
Тугоплавкие металлы |
Радиационно-охлаждаемые, необ- |
|
(тантал, молибден) |
ходимо покрытие для повышения |
|
|
стойкости к окислению; может |
|
|
быть тонким, температура не более |
|
|
1650 °С (3000 °F), неограниченный |
|
|
срок работы |
|
Углерод-углерод (мо- |
Радиационно-охлаждаемый; более |
|
жет потребоваться га- |
высокая допустимая температура, |
|
зовое уплотнение) |
чем у металлов; двухили трехмер- |
|
|
ная намотка, высокая прочность, |
|
|
часто бывает пористым |
256
Около 60 лет назад сопла изготовлялись из одного куска плавленого полукристаллического графита, и некоторые из них были укреплены металлическими конусными конструкциями. Они легко подвергались эрозии, но были низкими по стоимости. В настоящее время они еще используются для двигателей с короткой продолжительностью работы, при низком давлении в камере сгорания, при полетах ракет на малых высотах с низкой тягой, относящихся к классу тактических ракет. Для более жестких условий вкладыш в горловину сопла или ITE помещался на графитовый элемент. Этот вкладыш был плотнее, изготовлен из лучшей марки графита; позже нашли применение вставки из пиролитического графита и графитовые материалы, усиленные волокнами. В течение определенного периода времени использовались вольфрамовые вкладыши. Они имели очень хорошую эрозионную стойкость, но были тяжелые и часто растрескивались. Пиролитический графит был освоен и еще используется в качестве прокладок для вкладыша для небольших сопел (см. рис. 6.12). Высокопрочные графитовые или углеволокна были основными достижениями при создании новых высокотемпературных материалов. Для сопел небольшого и среднего размеров заготовки ITE были затем изготовлены из материала системы углерод-углерод, системы углеволокна (carbon fibers) в углеродной матрице. Ориентация волокон может быть двухмерной (2D) и трехмерной (3D). Некоторые свойства этих материалов представлены в табл. 6.3 и 6.4. Для больших сопел существующая технология не позволяла провести изготовление больших 3D углерод-углеродных заготовок ITE, поэтому использовали укладку или наслаивание углеволокна (силиконового волокна) в виде полотнав матрицу фенольной смолы.
Участки, расположенные до и после горловины сопла, имеют меньшую теплопередачу, меньшую эрозию и более низкие температуры, чем в критическом сечении сопла, и для их облицовки можно использовать менее дорогие материалы: различные сорта графита или абляционных материалов, прочные высокотемпературные волокна из углерода (графита) или из окиси кремния в матрице из фенольных или эпоксидных смол.
257
258
Таблица 6 . 4
Сравнение свойств формованного и пиролитического графита, системы углерод-углерод, ткани из углеволокна и из волокон кремния в фенольной смоле
Показатель |
ATJ |
Пиролитический |
Трехмерные |
Углеткань |
Ткань из волокон |
|
современный |
графит |
углеродныеволокна |
в фенольной |
окиси кремния |
|
графит |
|
вуглероднойматрице |
смоле |
в фенольной смоле |
Плотность, фунт/дюйм |
0,0556 |
0,079 |
0,062–0,072 |
0,053 |
0,062 |
Коэффициент темпе- |
0,005–0,007 |
0,00144 (основа) |
1–9·10–6 |
8,02·10–6 |
7,6·10–6 |
ратурного расшире- |
|
0,0432 (напол.) |
|
|
|
ния, дюйм/дюйм/°F |
|
|
|
|
|
Удельная теплопро- |
1,2·10–3(основа) |
4,9·10–5 (основа) 2–21·10–5 (основа) |
2,2·10–3 (основа) |
1,11·10–3 (основа) |
|
водность при комнат- |
1,5·10–3(напол.) |
4,2·10–5 (напол.) |
8–50·10–5 (напол.) |
– |
– |
ной температуре, |
|
|
|
|
|
Btu/дюйм·с/°F |
|
|
|
|
|
Модуль упругости |
1,5·106 (основа) |
4,5·106 (основа) |
35–80·10–6 |
2,86·10+6 (основа) 3,17·10+6 (основа) |
|
при комнатной тем- |
1,2·106 (напол.) |
1,5·106 (напол.) |
– |
2,91·10+6 (напол.) |
2,86·10+6 (напол.) |
пературе, фунт/дюйм2 |
|
|
|
|
|
Модуль сдвига, |
– |
0,2·106 (основа) |
– |
0,81·106 |
0,80·106 |
фунт/дюйм2 |
|
2,7·106 (напол.) |
– |
– |
– |
Скорость эрозии (ти- |
0,004–0,006 |
0,001–0,002 |
0,0005–0,001 |
0,005–0,010 |
0,010–0,020 |
пичная), дюйм/с |
|
|
|
|
|
«Основа» означает, что определение выполнено в направлении основных волокон. «Напол.» – означает ориентацию под прямым углом к основе.
258
На рис. 6.17 показано поворотное сопло с многослойным теплоизоляционным покрытием позади графитных элементов сопла, прямо подверженных действию тепла. Эти теплоизоляционные покрытия (между очень горячими деталями горловины сопла и кожухом) ограничивают теплопередачу и предупреждают достижение чрезмерных температур кожуха.
Рис. 6.17. Карданная подвеска основного жидкостного ракетного двигателя «Спейс Шаттл»
В расширяющейся выходной секции теплопередача и температуры более низкие и подобные, и поэтому здесь могут быть использованы менее стойкие и менее дорогие материалы. Этот выходной сегмент может быть изготовлен составным с сегментом горловины сопла (как это делается для большинства небольших сопел) или может быть сделан из одноили двухэлементных сборок, которые затем крепятся к сегменту горловины сопла небольшого диаметра. При этом могут быть использованы абляционные материалы без ориентированных волокон, как в случае полотна или лент, но с применением коротких волокон или теплоизолирующих керами-
259
ческих частиц. Для больших отношений площадей (верхние ступени или космические полеты) сопло будет часто выступать за пределы хвостовой части ракетоносителя. Это обеспечивает радиационное охлаждение, так как подверженный воздействию выходной конус может излучать тепло за счет радиационного излучения в космосе. Легкие тонкие высокотемпературные металлы (ниобий, титан, нержавеющая сталь или тонкая оболочка типа углерод-углерод) с радиационным охлаждением используются в нескольких применениях в конструкции выходного конуса для верхних ступеней или космических ракетоносителей. Поскольку радиационно-охлаждае- мые выходные секции сопла достигают теплового равновесия, то продолжительность их работы является неограниченной.
Конус (housing) или конструкционная опора сопла изготавливается из такого же материала, как и металлический корпус: сталь или алюминий. Конус никогда не должен нагреваться до очень высокой температуры. Некоторые из более простых и небольших сопел (состоящих из одной, двух или трех частей, главным образом, графита) не должны иметь раздельной конструкции конуса, а использовать ITE (интегральную структуру горловина/входная часть) для этой конструкции.
Оценки внутренних температур в сопле и распределения температур во времени могут быть сделаны с использованием двухмерных разностных методов конечных элементов при анализе переходных (неустановившихся) процессов теплопередачи. Этот анализ, в принципе, подобен методу расчета переходного процесса теплопередачи, показанного на рис. 6.18. После окончания работы двигателя температуры в сопле достигают равновесного значения за счет передачи тепла от более горячих внутренних частей, которые были подвержены действию горячего газа, к более холодным частям. Иногда наружные части будут нагреваться выше предельной температуры и разрушаться или повреждаться после окончания работы двигателя. Структурный анализ (напряжений и деформаций) ключевых компонентов сопла зависит от анализа теплопередачи, который определяет температуры составных частей сопла.
260