Масса конструкции соплового блока

При проведении массового анализа будем считать, что относительная длина утопленной части сопла:  =  / D = 0,3.

Типовая конструкция неподвижного, частично утопленного в камеру сгорания сопла РДТТ, имеющего относительно высокое давление в камере сгорания (порядка 4…10 МПа) и время работы (Δ t =30…80 с), представлена на рисунке 12.

 Сопло состоит из силового корпуса 1 с теплозащитным покрытием 2 и газового тракта, включающего в себя: докритическую часть (воротник 3 и входной вкладыш 4), критическую часть (вкладыш 5 с облицовкой 6); сверхзвуковую часть (раструб 7).

 

 

Рисунок 12. Схема сопла РДТТ УБР.

 

 

Габаритные размеры сопла (длина и диаметр раструба) определяются с учетом диаметра корпуса двигателя, степени уширения сопла, компоновки элементов системы управления вектором тяги и рулевого привода, ограничений по углу поворота или качания.

Весьма значительные тепловые, механические, химические воздействия на элементы конструкции сопла, а также неравномерность их распределения по газовому тракту обусловливают тот факт, что конструкции сопел РДТТ являются сложными, состоящими из множества теплозащитных, эрозионностойких и силовых элементов. Вместе с тем наличие поверхностей раздела и сочленений между различными элементами, расположенными вдоль газового тракта сопла, приводит к тому, что вблизи этих поверхностей скорость эрозионного и химического уносов материалов существенно превышает эрозию монолитных участков внутренней поверхности сопла. К тому же уносы материалов соседних элементов газового тракта сопла могут отличаться друг от друга. Вследствие этого поверхность газового тракта сопла становится неоднородной, что существенно ухудшает газодинамическую картину течения продуктов сгорания твёрдого топлива по сопловому тракту и в конечном счёте увеличивает потери удельного импульса тяги РДТТ. О потерях будет дополнительно сказано несколько позднее.

В развитии и совершенствовании конструкций РДТТ прослеживаются тенденции к повышению давления в камере сгорания при использовании новых рецептур твёрдых топлив. Вследствие этого, изменялись параметры двухфазного потока продуктов сгорания, их химический состав, что требует применения новых материалов, работоспособных в этих условиях. Значительный прогресс был достигнут применением в конструкции сопел композиционных материалов, таких как фенольные стекло- и углепластики, углерод-углеродные композиции, разновидности графитов и др.

Воротник и входной вкладыш докритической части сопла изготавливают из углепластика и углерод-углеродных композиционных материалов - УУКМ (см. выноску на рисунке 12).

В качестве материалов для облицовки вкладышей критического сечения сопловых блоков РДТТ используют тугоплавкие металлы (вольфрам, молибден) и их сплавы, а для самих вкладышей – пиролитический графит, УУКМ. В качестве подложки облицовки из вольфрамового сплава используют высокоплотные графиты, которые также применяют для изготовления входных вкладышей. Материал критического вкладыша сопла должен обеспечивать стабильную скорость уноса в процессе работы двигателя.

Сверхзвуковую часть сопла (раструб) выполняют обычно из углепластиков и вклеивают в металлическую (сталь, титановый или алюминиевый сплав) оболочку. Для конструкций камер сгорания, выполненных по схеме «кокон» сопловой блок монтируется на металлические закладнее элементы, которые устанавливаются на оправке перед процессом намотки корпуса.

В последние годы при конструировании раструбов широкое при-менение получили материалы класса углерод-углерод. Углерод-углеродные композиционные материалы (УУКМ), представляющие собой систему «углеродное волокно-углеродная матрица», обладают уникальным свойством: чрезвычайно высокой теплостойкостью (в инертной среде они сохраняют свои высокие удельные физико-механические свойства вплоть до 2500°К и работают при повышенных температурах в отличие от углепластиков). Кроме того, эти материалы обладают хорошей стойкостью к термоудару (как тугоплавкие материалы), низкими значениями температурного коэффициента расширения и теплопроводности. Сохранение теплостойкости УУКМ при высоких температурах позволяет существенно упростить конструкцию сопла. На рисунке 13 приведена конструкция сопла с максимальным использованием УУКМ в виде монолитных блоков.

Рисунок 13. Конструкция сопла из УУКМ: 1 - утопленная часть; 2 - раструб; 3 - разрезное кольцо;4 - теплоизолирующая подложка; 5, 6 – шпонки.

 

При проектировании сопел, имеющих минимальные потери удельного импульса тяги при минимальной массе, большое внимание необходимо уделять вопросам прогнозирования теплового состояния конструкции: расчётам газовой динамики, пограничного слоя, взаимодействия газовой и конденсированной фаз продуктов сгорания со стенкой сопла с учётом применения разнообразных композитов на основе углеродных матриц. Этот класс углеродных материалов рассматривается в качестве материалов будущего.

При проведении массового анализа массу соплового блока условно представим в виде двух составляющих:

 =  +                                        (21)

где

 масса раструба или масса конструкции сверхзвуковой части сопла;

 масса конструкции части сопла, включающая в свой состав воротник и вкладыш критического сечения.

Масса раструба может быть найдена по зависимости

 =                      (22)

где  – число сопловых блоков;

 – площадь поверхности одного раструба;

– плотность материала несущей конструкции раструба сопла;

 – плотность материала теплозащиты раструба сопла;

 – средняя толщина стенки раструба сопла;

 – средняя толщина теплозащиты раструба сопла.

Площадь поверхности раструба сопла с приведённым углом полураствора β_с (β_с  16…17°) можно определить из условия

 = π·(F_a / F _кр - 1)·(d _кр)²/(4· sin β_с),                         (23)

где F_a – площадь выходного сечения сопла;

F _кр – площадь критического сечения сопла;

d _кр – диаметр критического сечения сопла.

Отношение площади выходного сечения сопла к площади критического сечения (уширение сопла) определяется по одному из основополагающих уравнений теории ракетных двигателей

где  – показатель процесса расширения. Этот показатель определяется из термодинамического расчёта и зависит в основном от марки топлива.

Диаметр критического сечения сопла удобно определять через расходный комплекс или комплекс параметров β (не надо путать с углом полураствора сопла β_с).

где  – термодинамический комплекс;  – площадь критического сечения сопла. Размерность комплекса параметров  [м/с].

Выражение для определения  имеет вид

 

где  – осредненный показатель проце/ссса истечения продуктов сгорания.

 

Величина  широко используется как при выборе параметров двигателя на ранних этапах проектирования, так и при анализе его эффективности. Особенность комплекса  заключается в том, что его величина в основном определяется характеристиками применяемого топлива.

Диаметр критического сечения сопла определяется из условия равенства прихода и расхода продуктов сгорания через (выражения 3 и 25):

Как уже было отмечено, осреднённая по времени площадь поверхности горения заряда по времени плёта может быть представлена в виде соотношения

S _г = k _ф· D ², где k _ф  2,05…3,4.

Удобство этого соотношения заключается в том, что при построении проектировочных расчётных формул у нас нет необходимости решать весьма трудоёмкую задачу определения площади воверхности горения заряда по времени полёта. При проведении массового анализа и выборе основных проектных параметров нам необходимо только, чтобы коэффициент формы заряда находился в заданных пределах. И желательно, чтобы ближе к некоторому середнему значению.

Согласно выражению (27), площадь критического сечения сопла равна

ρ_т · · u·D² /                        (28)

 

Теперь выражение для определения площади поверхности раструба запишется как

S _рс = ρ_т · · D ² / ·( – 1)· sin β_с]                 (29)

Возвращаясь к выражению, определяющему массу раструба сопла, запишем

 =

Выражение в круглых скобках можно представить как

 =

где  – средняя плотность материала раструба сопла.

На начальном этапе проектирванияв качестве конструкционного материала раструба использовались титановые сплавы. Для таких схем соотношение толщин стенки сопла и теплозащитного покрытия приблизительно составляет 1:2. Если раструб предполагается выполнять из углепластика, то сумарную толщину можно представить как  = α_с· D, где α_с = 0,003… 0,004. Нетрудно заметить, что масса раструба сопла также пропорциональна кубу диаметра заряда.

Для определения входной части сопла будем использоать следующее эмпирическое соотношение

 = 22·( _i)^2/3                                       (30)

В рассматриваемом диапаэоне изменения диаметра заряда D выражение ()² можно аппроксимировать линейной зависимостью:

( _i)^2/3  7,1 · D.

При такой аппроксимации масса входной части сопла может быть представлена как

 = 160·                                         (31)

где выражено в метрах, а  соответственно в килограммах.

Окончательно масса соплового блока может быть представлена как

 = C · D ³.                                              (32)