ность используемых материалов и гарантируется высокое качество продукции. Он также подходит для малотоннажных производств.
Процессы литья под давлением. Процесс вакуумного литья имеет ряд недостатков. Для создания высокоэффективных двигателей, которые имеют специальное назначение, необходимо производство объектов более сложных форм, например, двухсоставные заряды, заряды большой длины, небольшого диаметра и тонкосводные. Высокоэффективные топлива могут иметь высокую вязкость на операции заливки, которая обусловлена, например, применением мелкого перхлората аммония и обеспечением высоких степеней наполнения. И наконец, производство некоторых небольших зарядов требует высоких скоростей изготовления, чтобы обеспечить значительное снижение стоимости.
Это привело к исследованию и разработке процессов заливки методом литья под давлением (инжекционное литье). Этот процесс заключается в применении давления для перемещения топливной массы и заполнения пресс-формы, а не одной силы тяжести. Различные методы приложения давления привели к разработке нескольких специальных процессов.
1.Создание давления с помощью сжатого газа. Топливная масса помещается в эластичный и деформирующийся мешок (рис. 1.15). Этот мешок размещается в специальной камере, куда может подаваться сжатый азот, и связывается с формой с помощью специальной системы. Камера заполняется азотом под давлением, который давит на внешнюю поверхность мешка. Топливная масса под действием давления передавливается в форму. Этот процесс хорошо подходит для производства малых изделий сложных форм, выпускаемых небольшими сериями.
2.Создание давления механическим способом с помощью гид-
равлического поршня. Этот способ является самым простым из существующих схем. Топливная масса помещается в контейнер, подобный заливочным чашам, описанным выше. Контейнер подсоединяется к основанию формы с помощью массопровода. Давление создается при перемещении поршня (рис. 1.16).
55
Рис. 1.15. Схема литья под давлением
Рис. 1.16. Заливка топливной массы в корпус под давлением
56
Топливная масса под давлением поршня непрерывно подается в форму и заполняет ее. Этот тип заливки известен как «пружинная заливка» (spring casting). Одним интересным изменением этого классического процесса является литье методом «штамповки», как показано на рис. 1.16. Чтобы минимизировать потери топливной массы внутри массопроводов, связывающих контейнер с формой, и обеспечить заполнение большого числа корпусов в течение одной операции, корпуса помещаются прямо на поршне, в котором делается определенное число отверстий, чтобы обеспечить прямое соединение между топливной массой в контейнере и корпусами. Эта установка монтируется прямо на контейнере, содержащим топливную массу, и приводится в действие приложением давления к поршню или к контейнеру. При наборе давления топливо передавливается в формы или корпуса. Клапанная система закрывает каждый корпус после заполнения. Вся установка, поршень и корпус располагаются в обогреваемой камере. Каждый заполненный корпус топливом снимается с поршня и отверждается.
Этот процесс позволяет проводить заливку очень большого числа прочно скрепленных зарядов за одну операцию.
3. Создание давления механическим способом с использовани-
ем архимедова шнека. Этот процесс разработан на базе специального типа смесителя: смесителя-экструдера (рис. 1.17).
Рис. 1.17. Прямая подача топлива через смеситель-экструдер
57
Смешение выполняется обычным способом в корпусе, оборудованном Z-образными мешалками. Этот смеситель, однако, имеет в данной части архимедов шнек, используемый для экструдирования топливной массы через отверстие в виде нарезного цилиндра при давлении, рассчитанном как функции скорости вращения и реологических характеристик топлива.
Подсоединением к смесителю-экструдеру корпуса или сборки корпусов топливо может подаваться прямо из корпуса смесителя, где оно смешивается под вакуумом, в корпуса изделий без контакта с атмосферой.
Многие заряды имеют очень сложные профили центрального канала, которые не могут быть отформованы простым литьем. Известны несколько способов их получения.
1.Получение глубоких осесимметричных щелей методом токарной обработки с использованием специально спроектированного инструмента при скоростях, специально подобранных для обработки топлива.
2.Использование сегментированных игл. Этот способ хотя
ипростой, но требует основательной практики в использовании сложного машинного оборудования с решением проблем безопасного обращения: игла должна быть плотно прилегающей, и существует проблема обеспечения безопасности при извлечении фрагментов (или сегментов) иглы. Следовательно, этот метод используется только тогда, когда конфигурации центрального канала не могут быть получены методом литья с удаляемой моноблочной иглой или с помощью механической обработки, например, как в случае зарядов типа «Finocyl» (зонтик). Этот способ используется также для получения зарядов с максимальными степенями заполнения, которые должны производиться методом интегрального формования и для которых механические концевые операции недопустимы.
3.Использование игл, которые разрушаются после отвержде-
ния топлива или при воспламенении заряда. Технологические и технические трудности, связанные с использованием многосег-
58
ментных составных игл, привели к исследованию и поиску простых приемов создания сложных форм каналов, что привело к созданию игл, выполненных из тесьмы или лент, замотанных на специальной оправе, обжатых и покрытых эластомером или полиуретановой пеной. Самые легкие корпуса могут использовать простую пену достаточной жесткости и способную разрушаться при воспламенении. По этому способу могут быть получены конфигурации зарядов, которые невозможно получить методом механической обработки или с использованием механически удаляемой иглы. Этот процесс не имеет ограничений по геометрии зарядов.
Это описание принципов литья может создать мнение, что эти технологии просты. В действительности существует большое число проблем, чтобы создать качественный и надежный процесс: герметичность сборок, обеспечение безопасности относительно чувствительности к трению и статическому электричеству топлива; совместимость между инертными материалами и компонентами топлива; влияние температуры и внутренних напряжений, создаваемых за счет давления при отверждении.
Без всякого сомнения, необходим большой объем знаний для того, чтобы производить эффективные, надежные твердотопливные заряды с учетом привлекательной стоимости продукции.
1.6. Температура отверждения и концевые операции
Температура отверждения подбирается таким образом, чтобы ускорить реакции поперечной сшивки, т.е. быстро отвердить топливо. Это достигается повышением средней температуры топлива относительно температуры в заливочной шахте или в контейнере.
Для улучшения свойств твердотопливных зарядов в процесс отверждения внесено несколько изменений.
Отверждение под давлением. В 1960-е гг. появились корпу-
са из композиционных материалов, которые имели значительно меньший вес по сравнению с металлическими корпусами, но больше деформировались под действием внутреннего давления.
59
Необходимо было минимизировать остаточные напряжения/деформации, действующие в заряде и вызванные тепловой усадкой при охлаждении после отверждения. Основная концепция работы заключалась в том, что корпус, заполненный топливом, подвергается действию давления при отверждении, а затем при снятии давления в корпусе происходит предсказуемая усадка твердотопливного заряда при охлаждении. За счет уменьшения остаточных напряжений/деформаций коэффициент механической безопасности улучшается. Отверждение под давлением также отражается на увеличении степени объемного заполнения корпуса и повышении качества топлива.
Интегральное формование. Для повышения производительности или для получения зарядов специфических форм, а также для повышения безопасности (исключение необходимости зачистки заряда при обработке с использованием режущего инструмента) применяется способ интегрального литья или формования. В этом процессе, который может быть связан с отверждением под давлением, заряд твердого топлива получается прямой заливкой, как показано на рис. 1.18.
Рис. 1.18. Принцип интегрального формования
60
При осуществлении интегрального процесса формования необходимо вести абсолютный тепловой контроль цикла заливка – отверждение, который должен быть изотермическим. Только очень небольшие температурные изменения (положительные) позволительны, отрицательные температурные изменения запрещены из-за риска образования полостей. Цикл отверждения определяют изменение вязкости топливной массы и формирование механических свойств при отверждении, атакже тепловые характеристикизаряда.
1.7. Влияние производственных процессов изготовления твердотопливных зарядов на их характеристики горения, на механическую и структурную целостность
Анизотропия характеристик горения. Анализ зависимостей давления и тяги от времени, полученных при сжигании зарядов в составе двигателя, показывает, что производственный процесс влияет на скорость горения топлива. Например, кривые давления, записанные при сжигании заряда «Мимоза» из смесевого твердого топлива, показали различия, когда топливо было залито в корпус, собранный с иглой и вформу, игла которой была введена послезаливки.
Кривая давление–время, представленная на рис. 1.19, для первого процесса показывает наличие характерного горба, возникающего приблизительно после выгорания половины свода, в то время как кривая давления для второго процесса получается ровной. Выполненные расчеты показывают, что при сгорании примерно половины свода скорость горения зарядов, заполненных с иглой, выше на 3–7 %. Размер горба на кривой давления не является функцией скорости горения топлива.
Другие эксперименты, выполненные на зарядах «Бейтс» (BATES), подтверждают эти выводы. Поскольку эксперименты, в которых заряды этого типа изготавливались с использованием обоих процессов и были погашены, показали, что поверхность после сгорания половины свода близко соответствовала теоретической, то горб на кривой давления объясняется изменением скорости горения как функции сгоревшего свода.
61
Рис. 1.19. Кривые давления для одного и того же топлива (заряд «Мимоза»): 1 – игла вводится после заливки топлива; 2 – игла вводится до заливки топлива
ВСША AFRPL испытала 2500 двигателей с массой заряда от 7 до 900 кг, они были изготовлены с использованием около 250 составов по программе «Бейтс» (BATES). Эти испытания также позволили обнаружить эффект горба.
Врезультате исследований были сделаны следующие выводы. Во время заливки создаются обогащенные связующим зоны –
вслое контакта со стенками иглы и корпуса. Зоны, обогащенные связующим, горят медленнее, что может объяснить, почему скорость горения является функцией сгоревшего свода. С другой стороны, эти слои исключаются, если игла установлена заранее.
Анизотропия механических характеристик. Систематиче-
ские измерения, выполненные на образцах топлива, извлеченных из твердотопливных зарядов, имеют тенденцию показывать, что эти ориентационные эффекты, связанные с процессом заливки, могут также оказывать влияние на механические характеристики, а следовательно, на эффективный коэффициент безопасности твердотопливного заряда. Чем более выражена ориентация последовательных слоев топлива при заливке топливной массы в корпус, приводящая к значительным напряжениям сдвига в топливной массе, тем больше эти эффекты будут проявляться. Вязкость топлива, в частности, играет важную роль.
62
На больших прочно скрепленных зарядах, производимых по классическому методу свободного литья (за счет силы тяжести) через основание торца ракетного двигателя, разрезки показали, что топливо является гомогенным внутри заряда и что его структурная целостность ухудшается в «поднятом воротнике», обычно создаваемом, чтобы залить немного больше топливной массы, чем необходимо для заполнения корпуса ракетного двигателя. Но эта область, рассматриваемая как локальное геометрическое сужение, подвергается влиянию объемных изменений фактически всей топливной массы в результате изменений температуры. Она является наиболее напряженной и деформированной зоной в тот момент времени, когда топливо уже частично сшито. В определенном смысле топливо «повреждается». Различия до 40 % были получены между величинами модуля и деформирующей способностью в этой области и в остальной массе топлива.
Процессы литья под давлением, обеспечивающие высокую степень ориентированной инжекции, связанную с высоким уровнем вязкости топливных масс, могут привести к изменениям модуля упругости в диапазоне от 30 до 40 % между направлением заливки и перпендикулярным ему направлением.
Это влияние, возникающее в зависимости от процесса заливки топливной массы и геометрии формы, может оказывать значительное воздействие при сравнении характеристик промышленных зарядов и образцов-спутников зарядов, предназначенных для контроля качества и изготовленных из той же самой производственной смеси. Ограничения, вытекающие из производственного процесса, требуют, чтобы образцы, разработанные и выбранные для контроля структурной целостности зарядов, были объектом промышленного производства, легко обрабатывались и имели минимально возможные размеры. Систематический анализ привел к следующим выводам: механические характеристики контрольных образцов (параллелепипед, получаемый методом литья под действием силы тяжести) совместимы с характеристиками большого числа рассмотренных твердотопливных зарядов. Напротив, в специфических зарядах формы «Finocyl» механические характе-
63
ристики образцов показали несовместимость с механическими характеристиками твердотопливного заряда. Наблюдается систематическое занижение деформаций в топливном заряде по сравнению с деформациями образцов.
Общий анализ всех экспериментальных данных показал, что это явление было специфичным для отдельного вида смесевого топлива. В результате дальнейших исследований определен более близкий представитель, получаемый методом литья с иглой звездообразной формы.
В ходе анализа этого явления были сделаны следующие выводы:
1.Твердотопливный заряд и образцы должны иметь идентичные тепловые предыстории. Корпус заряда и игла могут играть тепловую роль и влиять на окончательные значения механических характеристик.
2.Размер образцов должен быть достаточно большим, чтобы характеризовать твердотопливный заряд.
3.Лайнеры и теплоизоляция могут оказывать некоторое влияние на механические свойства (например, за счет миграции компонентов).
4.В случае значительного сдвига топливной массы (при литье под давлением или свободном литье) это явление может быть усиливаться.
1.8. Контроль качества
Назначение служб контроля качества – гарантировать качество продукта, в частности, обеспечить контроль сырьевых материалов, производственных операций и конечного продукта.
Операции по контролю качества конечных продуктов могут быть разделены на две основные категории:
1)разрушающий контроль, выполняемый на образцах, изготовленных из идентичного топлива: измерение баллистических
имеханических свойств и сравнение их с требованиями, установленными для твердотопливного заряда;
2)неразрушающий контроль, выполняемый на твердотопливных зарядах.
64