Масса теплозащиты корпуса РДТТ

Элементы конструкции корпуса двигателя должны быть защищены от теплового воздействия вы­сокотемпературных продуктов сгорания твердого топлива. Вследствие сложной конфигурации, невысокой жесткости, больших деформаций и перемещения днищ относительно фланцев, газо- и влагопроницаемостисте корпуса из композитного материала применяют ТЗП, об­ладающее высокой эластичностью и герметизирующими свойствами. Для защиты стенок корпуса от наружного аэродинамического нагрева, воздействия газов, истекающих из сопла, а также от других тепловых потоков используют специальную наружную теплозащиту. Применение теплозащиты конструкции камеры сгорания исключает её нагрев выше расчётных значений, при которых происходит существенное ухудшение её механических характеристик.

Все применяемые теплозащитные материалы (ТЗМ) можно разде­лить на две большие группы — пассивные и активные. К пас­сивным материалам относятся материалы, которые весь рабо­чий период сохраняют неизменной свою первоначальную гео­метрическую форму. Эти материалы сочетают в себе высокую тепло­емкость, большую температуру разрушения (емкостные теплозащитные материалы) и относительно низкую теплопроводность (теплоизоляционные ТЗМ). Теплозащитный эффект от применения материалов этой группы состоит в реализации аккумулирующего и теплоизоляционного эффектов при условии выдерживания вы­соких значений температур, соответствующих раз­рушению материала.

К активным покрытиям следует отнести материалы, работа которых сопровождается их разрушением. Различают три груп­пы активных покрытий:

– с внутренним уносом массы разру­шающегося компонента (испаряющиеся ТЗМ);

– с внешним уносом массы (коксующиеся ТЗМ);

– с ком­бинированным уносом (композиционные теплозащитные по­крытия, в которых в разные периоды работы могут иметь и тот и иной механизмы разрушения).

Активные теплозащитные материалы с внутренним уносом массы представляют собой тугоплавкий пористый материал, наполненный хладагентом, — металлами (например, медь), мине­ралами или органическими соединениями с высокой теплотой плавления и испарения и т.д. В качестве пористой основы в таких материалах могут использоваться металлы вольфрам, молибден и т.п. Теплозащитный эффект активных покрытий с внутренним уно­сом массы состоит в следующем:

– на изменение фазового состояния наполнителя, размещенного в порах туго­плавкого каркаса, затрачивается значительная часть поступаю­щего в конструкцию тепла;

– за счет вдува в пограничный слой продуктов разложения наполнителя снижается величина теплового потока к конструк­ции узла, поступающего от продуктов сгорания топлива.

Активные теплозащитные покрытия с внешним уносом массы представляют собой сублимирующие покрытия, состоящие из минерального наполнителя (например, минеральные соли типа Мg3N2, Si3N4, AlN, NH4F, NH4CI, AlF3, ZnO, CdO и т.д.) и органи­ческой связки (например, фенольные, эпоксидные, кремнийорганические смолы). Теплозащитный эффект этих покрытий основан на явлениях, характерных для материалов с внутренним уносом массы. Активные теплозащитные покрытия с комбинированным уно­сом массы представляют собой твердотопливную композицию, в которой элементов, являющихся горючим гораздо больше элементов, относящихся к группе окислителей; их можно рассматривать как композиционные материалы, содержащие уносящийся наполнитель, запол­няющий пространство внутри каркаса, образованного связую­щим материалом. Унос такого теплозащитного материала про­исходит по двухступенчатой периодической схеме:

– в первоначальный момент разрушение теплозащитного материала происходит аналогично ТЗМ с внутренним уносом массы — разлагается поверх­ностно расположенный наполнитель;

– по мере разрушения наполнителя все большая часть каркаса из связующего компонента обнажается, что при дальнейшем воздействии теплового потока приводит к разрушению обна­женного (без наполнителя) слоя каркаса; поведение ТЗМ в дан­ном случае может быть сравнимо с уносом аблирующего ма­териала. Указанный тип ТЗМ получил широкое распространение в качестве бронировки зарядов твердого ракетного топлива.

При проведении массового анализа РДТТ мы ограничимся применением пассивных тепло-защитных материалов (ТЗМ). Будем считать, что теплозащита наносится только в тех местах, где имеет место прямой контакт продуктов сгорания с конструкционным материалом. При этом наиболее приемлемыми являются резиноподобные эластичные ТЗМ. Наиболее теплонапряженными участками внутренней по­верхности корпуса являются днища, где отсутствует теплоизо­лирующее влияние свода топлива. Как показывает опыт проектирования и отработки крупно­габаритных двигателей, в целях обес­печения минимальной массы возможно применение двухслойной пассивной ТЗП. Для данной конструктивной схемы наружный слой выполняется из материала с повышенной эрозионной стойкостью, облада­ющего, как правило, пониженной эластичностью, и внутрен­ний слой из материала с пониженной теплопроводностью и повышенной эластичностью. Наряду с указанными слоями вводят защитно-крепящий слой, состоящий из защитного подслоя (препятствующего миграции компонентов топлива в ТЗП) и скрепляющего подслоя, имеющего развитую поверхность для повышения адгезии топлива к ТЗП и конструкционному материалу. Толщина теплозащиты δ_т.з зависит от времени прямого контакта корпуса и продуктов сгорания, а также теплофизических характеристик ТЗМ, температуры продуктов сгорания T _к, допустимой температуры материала, и теплофизических характеристик конструкционного материала корпуса камеры сгорания. Для проведения проектировочных тепловых расчётов введём ряд допущений: во-первых, будем считать, что задача теплообмена одномерная, во-вторых, влиянием несущей конструкции на теплообмен пренебрегаем (будем считать, что поверхность теплозащиты со стороны несущей стенки идеально теплоизолирована) и, в-третьих, будем считать, что теплозащита однослойная. В этом случае толщина пассивной теплозащиты может быть определена с помощью приближенной зависимости

                           (13)

где  максимальное значение времени прямого контакта продуктов сгорания (ПС) с несущей конструкцией двигателя, равное времени работы двигателя ( _i);  – безразмерная температура  = (T _к– T _w)/(T _к– T ₀);  – коэффициент температуропроводности  = (0,5…1,0)·10^-6 м²/с; T _к  – температура в камере сгорания, измеряемая в град Цельсия; T ₀ – начальная температура стенки (15…45˚ C); T _w– максимально-допустимая температура стенки. Значение этой температуры мы уже использовали при определени предела прочности конструкционного материала материала [σ_в] при расчетной температуре.

Время работы двигателя i -й ступени равно

_i = e _i/ u _i.

Для того, чтобы определить суммарную массу ТЗП проектируемого РДТТ необходимо провести предварительные проектировочные расчёты в следующей последовательности:

 – выделяются все зоны на на компоновочной схеме РДТТ, где в той или иной степени предполагается прямой контакт ПС с конструкционным материалом корпуса РДТТ;

– для каждой j -й зоны определяется некоторое относительное осреднённое для данного участка поверхности время контакта и процентная доля этого участка  от полной теоретической площади поверхности корпуса

– определяется суммарная массы теплозащиты по формуле

· (15)

где k – число характерных участков;  – плотность материала теплозащиты. Значение плотности ТЗП при проведении проектировочных расчётов в первом приближении равна ρ_бр = 1300  1600 кг/ м³.

Расчёты толщины теплозащитного покрытия показали, что в достаточно ограниченном диапазон изменения параметра D зависимость  (D) может быть заменена линейной D. Коэффициент  определяется в результате проведения предварительных тепловых расчётов для различных значений диаметра заряда D. Этот коэффициент в дальнейшем используется при построений расчётных формул.

Окнчательно выражение для определения массы теплозащиты корпуса можно представить как

 = q · D ³.                                           (16)

На рис. 9, 10 и 11 представлены различные формы зарядов. При этом для анализируемых форм прежде, чем приступить к задачам массового анализа, оцениваются относительныя толщины выгоревшего свода заряда  = e /D и относительный диаметр канала /

Рис. 9. Различные формы зарядов: б д вкладные заряды всестороннего горения; е – и – прочноскреплённые заряды внутреннего горения; к-м – прочноскреплённый заряд комбинированного горения.

 

Рис. 10 Формы зарядов твердого топлива

а – многошашечный; б – телескопический; в – со звездообразным каналом; г – с колесообразным каналом; д – торцевого горения; е – цилиндрический; ж – щелевой.

 

Рис. 11. Форма канального заряда с внутренними кольцевыми полостями:
1 – воспламенитель; 2 – топливный заряд; 3 – корпус; 4 – сопло

Масса бронировки заряда

Для того, чтобы понять где и как наносится бронировка в качестве примера рассмотрим заряд щелевой формы, обращенный щелями к заднему днищу. Для данной формы заряда для обеспечения требуемой площади поверхности горения будем считать, что бронировке подлежит какая-то часть торца заряда. Тогда выражение, определяющее массу бронировки может быть представлена в следующем виде:

 = φ_бр· ·ρ_бр · D ³·                                        (17)

где φ_бр = S _бр / S _мид; S _бр  – площадь поверхности бронирующего слоя; S _мид – площадь миделева сечения ступени УБР.

Коэффициент φ_бр определяется из предварительных проектировочных расчётов. Отметим, что величина этого коэффициента может корректироваться в процессе решения задач проектирования.Толщина бронирующего слоя зависит от времени работы двигателя и может быть также представлена линейной зависимостью от D. Значение плотности бронирующего покрытия при проведении проектировочных расчётов приблизительно равна ρ_бр = 1200  1300 кг/ м³.

На этапе проведения приближенных расчётов массового анализа может быть использовано соотношение  = α_бр · D / u,

где α_бр = 0,04  0,05 мм/с.

Как показал проведённый анализ, масса бронировки также пропорциональна кубу диаметра заряда

= φ_бр· ·ρ_бр · D ³·                             (18)