Материал: Ракетные твердые топлива. Ракетные двигатели на твердом топливе

действовать на заряд или другие ключевые компоненты при определенных нарушениях. В частности должен быть выполнен анализ сопла, если оно имеет сложную конструкцию или позволяет управлять вектором тяги. Если анализ газового потока показывает, что, возможно, происходит эрозионное горение в течение определенного промежутка горения, то должно быть принято решение, будет ли оно допустимым или избыточным, в последнем случае должна быть выполнена модификация топлива, материала сопла или геометрии заряда. Обычно предварительная оценка выполняется также относительно резонансных явлений в полости заряда с целью идентификации возможных мод нестабильности горения. Анализ совершенства двигателя, теплопередачи и напряжений в критических местах следует выполнить обязательно.

Анализ состава топлива, геометрии/конструкции заряда, анализ напряжений, термический анализ тесно взаимосвязаны. Трудно придать окончательную форму одному из этих показателей без рассмотрения всех остальных, и поэтому, может быть, придется сделать несколько итераций для каждого из них. Данные по испытаниям лабораторных образцов, модельных и полномасштабных двигателей оказывают весьма сильноевлияние наэти стадииразработки.

Предварительные схемы компоновки и полученные методом компьютерного проектирования (CAD – computer aided design) изображения двигателя с его ключевыми компонентами должны быть сделаны подробно, чтобы определить заданные размеры игабариты с достаточной точностью. Например, предварительное проектирование теплоизоляции (часто с анализом теплопередачи) будет обеспечивать получение предварительных размеров этой теплоизоляции. Компоновка двигателя используется для оценки объемов, инертных масс или топливных масс, а также массовой доли топлива.

Если любой из этих анализов или компоновочных решений показывает потенциальную проблему или возможную неудачу в обеспечении начальных требований или ограничений, то это может привести к видоизменению конструкции, топлива, конфигурации заряда. Процесс проектирования необходимо повторить для измененной конструкции двигателя. Если предлагаемые изменения являются

279

слишком сложными или неэффективными, то изменения требований к двигателю могут быть сделаны для конкретной проблемы. Известно, что на этапах предварительного и окончательного проектирования имеется несколько итераций. Любая важная новая характеристика может привести к дополнительным разработкам и испытаниям, чтобы доказать совершенство, надежность, эксплуатационные свойства или стоимость; это означает выполнение более продолжительной программы и вложение дополнительных ресурсов.

Упрощенная диаграмма одного частного подхода к предварительному проектированию двигателя и его разработке показана на рис. 6.28. На диаграмме не показаны многие другие стадии, такие как проектирование воспламенителя и его испытания, выбор лайнера и теплоизоляции, проектирование УВТ и его испытания, анализ надежности, оценка альтернативных конструкций, спецификации материала, ступени контроля качества и инспекции, обеспечение безопасности, специальные испытательное оборудование и аппаратура для испытания и т.п.

Если требования по совершенству являются узкими и претенциозными, то необходимо изучить накопленные допуски совершенства различных других параметров. Например, практические допуски могут быть приписаны плотности топлива, диаметру критического сечения сопла (эрозия), масштабному коэффициенту скорости горения, начальной площади поверхности горения, массе топлива или показателю в законе скорости горения. Эти показатели, в свою очередь, отражаются сами на допусках в технологическом процессе, специальных приемочных испытаниях, в допусках по размерам или в точности взвешивания компонентов топлива. Стоимость всегда является важным фактором, и часть усилий разработчика должна быть направлена на поиск компонентов конструкции с низкой стоимостью, выбор более простых технологических процессов, уменьшение этапов сборки и в целом удешевление разработки. Например, приспособления для заливки, оправки для намотки корпуса, оснастка для формирования теплоизоляции могут быть довольно дорогими.

280

Время, необходимое для завершения проектирования, может быть сокращено, если налажены хорошие деловые связи и создан дух сотрудничества между разработчиками, специалистами в области разработки твердых топлив, представителями заказчика, производственниками, испытателями или специалистами по реализации продукции. План проекта обычно формируется одновременно с предварительным проектированием. Более десяти лет назад план проекта делался после завершения предварительного проектирования. Сегодня акцент делается на низкую стоимость проекта сотрудники, участвующие в предварительных проектах, должны работать над уменьшением стоимости всех компонентов и процессов. План проекта отражает решения и определяет число двигателей и ключевые компоненты, которые должны быть изготовлены, наличие

ивремя получения критических материалов и компонентов, тип

ичисло испытаний (в том числе на старение и квалификационные испытания). Он идентифицирует производственный процесс, инспекцию и используемые испытательные отделения, численность

ивид персонала (и будут ли они необходимы), специальную оснастку или приспособления. Эти решения и данные необходимы для выполнения реальной оценки стоимости и составления предварительного графика. Если все это превышает допустимую стоимость и нарушает график поставок, то могут быть внесены некоторые изменения, например, числа двигателей, которые должны быть изготовлены, количества и типа испытаний или перепроектирование двигателя с целью получения более легкой, менее дорогой конструкции.

Однако такие изменения не должны вступать в компромисс с надежностью или совершенством. Трудно сделать хороший план, обеспечить оптимальную стоимость и провести оценку времени, если ракетный двигатель не был четко определен и разработан достаточно подробно. Поэтому эти планы и оценки в большей степени основаны на опытеуспешнойразработкиподобных ракетных двигателей.

Конечным результатом предварительного проектирования будет схема компоновки или компьютерные виды (CAD) выбранной конфигурации, предсказание совершенства, оценка массы двигателя

282

(и, если необходимо, перемещение центра тяжести), определение типа топлива, геометрии заряда, теплоизоляции и некоторых ключевых материалов для компонентов арматуры. Оценка прогнозируемой надежности и срока службы двигателя должна сопровождаться подкрепленными данными. Вся эта информация должна быть представлена для рассмотрения выбранной предварительной конструкции. Рассмотрение и анализ должен быть выполнен различной по составу группой, включающей в себя экспертов по двигателям, разработчика ракеты, инженеров по обеспечению безопасности, специалистов в области производственных процессов, окончательной сборки и инспекции, представителей заказчика, аналитиков и др. Здесь группа специалистов предварительного проектирования должна дать объяснение, почему она выбрала конкретную конструкцию и как она отвечает предъявленным требованиям. Компетентные члены группы (комиссии) обычно вносят предложения по изменениям и дальнейшим улучшениям. План проекта, предварительные оценки стоимости, предварительный график разработки иногда могут содержать в себе предложенный проект для рассмотрения, но чаще эти материалы передаются другой группе экспертов или непосредственно экспертам заказчика.

После рассмотрения проекта двигателя и одобрения выбранной предварительной конструкции можно начинать детализацию или окончательное проектирование всех частей и компонентов и составление определенных спецификаций. В течение производственного процесса и разработки методов испытаний могут быть сделаны некоторые изменения конструкции для улучшения условий производства, уменьшение стоимости или решение технической проблемы, которая стала очевидной. Во многих организациях детальный окончательный проект снова представляется для рассмотрения конструкции двигателя до начала производства. Для нового двигателя затем будет разрабатываться схема испытаний. Для некоторых дорогих больших двигателей, которые имеют ряд конструктивных решений, взятых от проверенных двигателей, бывает достаточно единственного огневого испытания. Для двигателей, которые изготавливаются в больших количествах, и для двигателей с некоторыми важными новыми элемен-

283

тами разработка и квалификация могут включать от 10 до 30 испытаний. Окончательное проектирование заканчивается, когда все детальные чертежи или компьютерные версии (CAD) в соответствии с окончательным перечнем деталей полностью выпущены, составлены спецификации испытания двигателя, приняты определенные производственные операции и разработана обоснованность материалов

икомпонентов. Детальный проект считается завершенным, если двигатель успешно проходит этапы разработки и квалификации и организовано производство для поставки.

Пример предварительного определения параметров разработки ракеты на твердом топливе с использованием смесевого ракетного твердого топлива. Ракета запускается на высоте

илетит на постоянной высоте.

Исходные данные:

удельный импульс (реальный) Is = 240 с на высоте при давлении 1000 фунт/дюйм2;

скорость горения r = 0,8 дюйм/с при 1000 фунт/дюйм2 и 60 °F; плотность топлива ρb = 0,066 фунт/дюйм3 на уровне моря; отношение теплоемкостей k = 1,25;

давлениевкамересгорания(номинальное) p1 = 1000 фунт/дюйм2; требуемая средняя тяга F = 20 000 фунт-сила; максимальный диаметр ракеты D = 16 дюймов;

требуемая продолжительность работы tb = 5,0 с; окружающее давление 3,0 фунт/дюйм2 (на высоте); полезная нагрузка ракеты 5010 фунт-масса (включая конст-

рукцию); требуется приблизительно нейтральное горение.

Решение:

1. Основной расчет. Суммарный импульс It и вес топлива на уровне моря wb рассчитывается по формуле

It F tb I s wb 20 000 5, 0 100 000 фунт-сила·с. wb = 100 000/240 = 417 фунт-сила.

С учетом потерь 2 % на производственные допуски и несгоревшие остатки суммарный вес топлива 1,02 × 417 = 425 фунтов.

284

Объем Vb, требуемый для этого топлива, составит:

Vb wb / b 425 / 0, 066 6439

Толщина свода b r tb 0,80 5 4 дюйма.

2. Размеры корпуса. Задан внешний диаметр 16 дюймов. Используется термообработанная сталь с максимальной прочностью на растяжение 220 000 фунт/дюйм2. Толщина стенки t для простых окружных (периферических) напряжений может быть определена из уравнения t p1 / D / 2 . Величина р1 зависит от принятого ко-

эффициента безопасности, который, в свою очередь, зависит от нагрева стенки, и от показателей практического применения. Коэффициент безопасности принимается равным 2,0, чтобы позволить наличие поверхностных царапин в сочетании с напряжением и сварными швами и грубым обращением в полевых условиях. Величина D является средним диаметром к центру стенки. Толщина стенки

t = 2,0 × 1000 × 15,83/(2 × 220 000) = 0,086 дюйма.

За основу принимаются сферический передний торец и сферический сегмент в сопловой части, подобные тем, которые показаны на рис. 6.1.

3. Конфигурация заряда. Заряд будет заливаться в корпус, но от корпуса будет теплоизолирован с помощью эластомерной теплоизоляции со средней толщиной 0,100 дюйма внутри корпуса; фактическая толщина будет меньше 0,10 дюйма в районе цилиндрической части и передней крышки, но толще на входном участке в сопло. Внешний диаметр D для заряда определяется, исходя из толщины корпуса и лайнера, и составит 16,0 – 2 × 0,086 – 2 × 0,10 = 15,62 дюйма. Внутренний диаметр Di простого полного цилиндра заряда соответствует по величине внешнему диаметру D0 минус удвоенная толщина горящего свода: Di = 15,62 – 2 × 4,0 = 7,62 дюйма. Для простого цилиндрического зарядаобъемопределяет эффективнуюдлину:

Vb 4 L D02 Di2 ,

285