Линч Р. (РоЬеП У. Ьупск)

Пиропатронами первоначально называли группу устройств, содержащих заряд топлива, при горении которого образуется рабочее тело — газ, и выполняющих ряд функций в системах катапультирования кресла пилота из самолетов. В связи с раз­работкой крупных и сложных по конструкции ракет устройства указанного типа стали применяться для многих других целей. В связи с этим в 1960 г. термин «пиропатрон» был заменен терми­ном «пироэнергодатчик» (ПЭД).

В данной главе пироэнергодатчиком называется устройство, принцип действия которого основан на использовании источника энергии типа пиропатрона, причем продукты сгорания топлива не истекают через сопло с критическим перепадом давления. Это определяет различие между ПЭД и газогенератором. Скорости горения заряда топлива в ПЭД могут изменяться в широких пределах вплоть до скорости детонации.

Цель данной главы — познакомить читателя с типичными конструктивными схемами ПЭД и рассмотреть основы внутрибал — листического расчета подобных устройств.

ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПИРОЭНЕРГОДАТЧИКОВ

ТЯГОВЫЕ УСТРОЙСТВА

Почти во всех конструкциях пироэнергодатчиков использует­ся рабочее усилие, возникающее при воздействии на поршень газа высокого давления, образованного при горении топлива в замкнутом объеме. Определение газоприхода и выбор основных рабочих параметров системы осуществляются с номощыо внутри — баллистического расчета.

Наиболее простая и типичная схема ПЭД представлена на фиг. 4.1. При срабатывании пиропатрона давление в камере повышается и возникает сила, действующая на поршень.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВЕСА ЗАРЯДА

Вес заряда, необходимый для обеспечения заданного давления в камере, можно приближенно рассчитать с помощью уравнения

(4-І)1)

Р

Р =

(Vlw) — 1

Где Р — давление, amu; F — сила пороха, ат>см3!г w — вес заряда, г V — полный объем камеры, см3.

Площадь поршня А

— Сила Р

Фиг. 4.1. Схема хшроэнерго датчика. 1 — пиропатрон; 2 — корпус: 3 — поршень.

Давпение в камере Р ;

Полный объем камеры включает объем собственно камеры и объем свободного пространства в патроне. Если поршень в на­чальном положении вплотную примыкает к патрону, объем поло­сти внутри патрона рассматривается как полный объем камеры. Следует подчеркнуть, что формула (4.1) является приближенной. При высоких значениях плотности заряжания необходимо вводить поправку

Р Vjiv) — п ’

Где п имеет размерность см3/г. При больших отношениях У/ю указанная поправка обычно не требуется.

В табл. 4.1 приведены типичные значения силы пороха Р для топлив, обычно применяемых в пиропатронах. Следует отметить, что сила пороха Р изменяется даже в пределах группы порохов одно­го и того же типа. Требуемое для расчетов значение величины Р либо сообщается фирмой-изготовителем, либо определяется по фор­муле (4.2) с использованием экспериментального значения макси­мального давления в камере известного объема. При экспери­ментальном определении величины Р следует учитывать влияние

Х) Это же уравнение, но в другом виде приводится в гл. 1 на стр. 56.— Прим. перев.

Таблица 4.1 Топливо Ат • смЗ/г Бездымный порох 8900—9950 Черный порох 2100—2800 Пистолетный порох 8900 Пнроцеллюлоза 7170 Смесевое твердое топливо на основе 9350 Перхлората аммония

Многих факторов (скорости горения пороха, размера его частиц, материала и формы камеры, состояния ее поверхности, характе­ристик датчика давления). Для получения результатов с мини­мальным разбросом параметров рекомендуется использовать стан­дартные камеры и контрольно-измерительные приборы.

При проектировании ПЭД важным фактором является скорость нарастания давления. Об интервале скоростей нарастания давле­ния в существующих конструкциях ПЭД можно судить по дан­ным, представленным фирмой «Дюпон» (табл. 4.2). При испыта-

Таблица 4.2 Тип заряда С11>/(1Т, Ат/сек Смесь 50/25/25 фирмы «Дюпон» 1,33-106 Бездымный порох БВ-4990 0,196-106 Свинцовая соль 0,07-106 Черный порох А-5 0,021-106

Пиях прессованных зарядов на основе циркония и перхлората — аммония зафиксирован рост давления до 1260 ати за 300 мксеку т. е. скорость нарастания давления равна 0,42-107 ат/сек.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАЗМЕРОВ КОНСТРУКТИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

При проектировании простого ПЭД, обеспечивающего заданное рабочее усилие, необходимо определить его размеры и баллисти­ческие характеристики пиропатрона. Конструктор должен увя­зать размеры элементов конструкции и внутрибаллистические характеристики для обеспечения заданных веса, габаритов и стои­мости устройства. Нередко выбор ограничивается располагаемым

Объемом (т. е. заданы размеры системы) или использованием готовых пиропатронов, которые устанавливают уровень рабочего давления. В любом случае выбор проектных параметров огра­ничен. Вместе с тем при проектировании необходимо расчетным путем оценить оптимальные параметры пиропатрона (в данном случае под оптимальными понимаются минимальный вес, габа­риты или стоимость). Проблему выбора параметров усложняет то обстоятельство, что минимальные вес и габариты не всегда имеют место при одинаковом рабочем давлении.

Один из применяемых методов оптимизации заключается в использовании соотношения между размерами, весом и рабочим давлением. Изменяя давление, можно проанализировать его влияние на размеры и весовые характеристики устройства. Неред­ко подобный подход обеспечивает практически приемлемый мини­мум.

Для иллюстрации рассмотрим простой пример оптимизации. Хотя здесь приводится очень упрощенный метод, он может быть дополнен и приспособлен для более сложных пироэнергодатчиков, применяемых в действительных условиях.

Принимается, что усилие Р (фиг. 4.1) постоянно и создается рабочим давлением Р, действующим на поршень площадью А, т. е.

(4.3)

Р = лЩР,

Где #• — внутренний радиус камеры. В рассматриваемом упро­щенном случае принимается, что стенки цилиндра относительно тонкие (менее 0,1 радиуса) и поэтому окружные напряжения в стен­ке цилиндрического корпуса практически постоянны по ее тол­щине, а напряжениями изгиба можно пренебречь. Это допущение может привести к ошибке, однако в любом случае оно позволяет оценить оптимальные параметры. Для дальнейшего уточнения оптимальных параметров используются более точные уравнения. ‘Связь между толщиной стенки £ цилиндрического корпуса, рабо­чим давлением Р, окружным напряжением 5, внутренним и наруж­ным радиусами цилиндра /?* и Во выражается соотношением

Яо — ^

Из формулы (4.3) следует

А так как

Из уравнений (4.4) и (4.5) получим

1/2

Я

(4.6)

Вес устройства (и?) на единицу длины равен сумме объема стенок цилиндрического корпуса на единицу длины, умножен­ного на удельный вес материала цилиндра рь и объема поршня

Рабочее давление, ат Фиг. 4.2. Зависимость веса пироэнергодатщша, а также наружного и внутреннего радиусов камеры от рабочего давлепия.

На единицу длины, умноженного на удельный вес материала поршня р2. С использованием параметров Р, Б, /?0 и /?г получим следующее выражение:

Ш= 2пР^^+ (4Л)

Пос. тге установления основных соотношений между наружным диаметром корпуса, весом и рабочим давлением рассмотрим сле­дующий простой пример. Для пироэнергодатчика, изображенного на фиг. 4.1, определим минимальные весовые и габаритные харак­теристики при следующих условиях: 1) заданное рабочее усилие 4580 кг; 2) допустимое напряжение материала стенки цилиндра 3500 кг! см2′, удельный вес материала стенки 8,3 г! см3 3) удельный пес материала поршня 2,77 г! смъ 4) максимально допустимое рабочее давление 700 ати.

Прежде всего по формуле (4.3) вычислим внутренний радиус при нескольких значениях давления. После определения

В функции давления по формуле (4.4) вычислим R0 при тех же зна­чениях давления. Затем по формуле (4.7) можно найти зависи­мость между весом устройства и рабочим давлением. Результаты расчета представлены на фиг. 4.2. По графику видно, что мини­мальный вес будет получен при давлении около 365 ати. При этом наружный диаметр корпуса равен 44,7 мм, а толщина стенки 2,54 мм. С увеличением рабочего давления размеры устройства продолжают уменьшаться, причем оптимальному, т. е. мини­мальному, наружному диаметру корпуса соответствует давление, которое выше заданного предельного уровня 700 ати. Описан­ный здесь теоретический метод определения оптимальных харак­теристик пиропатронов разработан Хеддином. В соответствии с полученной им формулой, учитывающей напряженное состояние толстостенного цилиндра, для обеспечения минимальных разме­ров необходимо, чтобы рабочее давление было равно частному от деления допускаемого напряжения на 2,414 или в рассматри­ваемом здесь случае — 1450 ати.

УСКОРИТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА

В рассмотренных выше тяговых устройствах ход поршня мал и поэтому объем рабочей камеры и давление в ней относительно постоянны. Устройства, которые предназначены для сообщения

2 3 4 5 Фиг. 4.3. Схема пироэпергодатчика ускори­тельного типа. 1 — пиропатрон; 2 — рабочая камера; 3 —• кольце­вое уплотнение; 4 — ускоряемая масса; 5 — поршень.

Заданной скорости определенной массе, имеют большой ход пор­шня. Вследствие изменения давления появляется необходимость в генерировании газа во время хода поршня. Система ускоритель­ного типа схематически изображена на фиг. 4.3. В некоторых случаях, например в ПЭД для тормозных парашютов, можно

Считать, что скорость сообщается лишь массе поршня. В других случаях поршень может быть связан с элементами, масса которых значительно превышает массу поршня.

Существуют две основные схемы ПЭД ускорительного типа: с генерированием рабочего газа перед ходом и во время хода поршня.

ГЕНЕРИРОВНИН ГАЗА ПЕРЕД ХОДОМ ПОРШНЯ

Некоторые проблемы катапультирования трудно разрешить, если время хода поршня составляет 50 мсек или менее, а генери­рование газа должно происходить во время хода поршня. Огра­ничения. обусловленные максимально возможными скоростями горения гоштива и соответствующими им недопустимо топкими сводами заряда, значительно ухудшают надежность конструкции. Задача существенно упрощается, если применяется метод генери­рования газа перед ходом поршня. В этом случае ПЭД имеет большой начальный объем рабочей камеры; поршень неподвижно фиксируется в ней с помощью срезающихся штифтов, стопоров, защелок и т. д. до момента достижения минимального рабочего давления. При повышении давления в начальном свободном объеме до заданного уровня поршень освобождается и, переме­щаясь за счет расширения газов в замкнутом объеме, ускоряет рабочую массу до требуемой скорости.

Для систем этого типа обычно применяются топлива, имеющие большую силу пороха. Для расчета веса заряда используется уравнение (4.1). Расчет производится таким же образом, как и в рассмотренном выше случае тяговой системы с фиксирован­ным объемом.

Принимая, что размеры ПЭД определены при расчете опти­мальных характеристик или на основе других соображений, можно достаточно точно вычислить требуемое начальное давление. Для этого вычисляется кинетическая энергия массы, ускоряемой до за, данной скорости, и определяется потребная работа для выполнения этой функции. По известным начальному и конеч­ному свободным объемам цилиндра, а также производимой рабо­те можно вычислить начальное давление в камере в предположе­нии изэнтропического расширения газа:

Р = ю ^ ^ (Л

Где — начальное давление в рабочей камере, ата; ю — про­изводимая работа или кинетическая энергия массы, кг-см; к — отношение удельных теплоемкостей газа; — начальный объем рабочей камеры, см3; У2— конечный объем рабочей камеры, см3.

Если задано максимальное ускорение, то часто бывает необ­ходимо определить начальное давление

ШаМакс

(4.9)

Т) "*иМЕ

Где т — масса поршня, а — ускорение. В этом случае формула

(4.8) применяется для определения конечного объема камеры и, следовательно, полного хода поршня и длины пироэнерго­датчика.

В уравнении изэнтропического расширения газа пренебрегает- ся изменениями потенциальной энергии массы, кинетической энергией продуктов сгорания, потерями энергии на трение и теп­лообмен. Из указанных факторов существенную роль играют только трение и теплообмен.

ГЕНЕРИРОВАНИЕ ГАЗА ВО ВРЕМЯ ХОДА ПОРШНЯ

Для определения внутрибаллистических параметров пиро­энергодатчика с генерированием газа во время хода поршня необходимо решить сложную систему нелинейных дифферен­циальных уравнений. В связи с этим был разработан ряд упро­щенных методов решения, которые указаны в конце этой главы. Однако прежде всего следует оценить проблему в целом.

ПЭД с генерированием газа во время хода поршня должен содержать наряду с навеской из пороха для быстрого начального повышения давления в свободном объеме заряд или заряды для поддержания горения во время хода поршня. Программа генери­рования газов при горении «маршевого» заряда зависит от его геометрических характеристик. При расчете параметров горения топливного заряда допускается, что топливо горит параллельными слоями. Если в процессе горения заряда площадь его поверхности увеличивается, то это заряд прогрессивного горения, если умень­шается — дегрессивного горения. Если поверхность горения сохра­няется постоянной, то горение называется нейтральным. Участки поверхности заряда, которые не должны гореть, имеют бронирую­щее покрытие. На фиг. 4.4 представлено несколько типичных зарядов и законы изменения их поверхности горения в процессе работы. Характеристики зарядов с прогрессивной или дегрес — сивной поверхностью горения зависят от удлинения заряда, поскольку наклон кривой давление — время определяется отно­шением поверхности горения с торцов к поверхности горения на цилиндрическом участке заряда. Газоприход в единицу вре — •

Мени и) можно вычислить по формуле

(4.10)

Н! == 5гр
где 5 — поверхность горения заряда, см2; г — скорость горения топлива, см/сек; р — удельный вес топлива, г/см?.

Скорость горения топлива зависит от давления и начальной температуры. Экспериментальные данные для большинства топ­лив соответствуют следующему выражению:

Г = сРп, (4.11)

Где п — показатель в законе скорости горения (влияющий на наклон кривой скорости горения), ас — коэффициент. Параметр ор харак­теризует температурную чувствительность топлива и является тем­пературным коэффициентом скорости горения, устанавливающим

Количество сгоревшего топлива, %

Фиг. 4.4. Типы топливных зарядов и диаграммы их горения.

А — беспанальный заряд, дегрессишюо горение; б — одноканальпый заряд, слабо дегрессивнос горение; в — одноканальпый заряд с бронирующим покры­том по торцам, нейтральное горение; г — многоканальный заряд, прогрес­сивное горение.

Изменение скорости горения (в %) при отклонении начальной температуры на 1° и заданном уровне давления. При выбранном уронне давления

1 Аг (4.12)

<зр = 100

‘"ср

При разработке ПЭД нередко удобнее пользоваться эксперимен­тальной зависимостью скорости горения от давления для выбран­ного топлива. На фиг. 4.5 представлены типичные кривые ско­рости горения при различных начальных температурах. В дан­ном случае температурный коэффициент ор равен 0,07%/град, при изменении начальной температуры от —12 до 54° С и давле­нии 70 ата. Температурный коэффициент топлив изменяется
в широких пределах от значений, близких к нулю, до 0,26%/град и более. Кривые скорости горения некоторых топлив имеют плато, т. е. участок, на котором скорость горения, по существу, остается постоянной. Кривые скорости горения на фиг. 4.5 имеют плато при давлении около 180 ата.

Фиг. [4.5. Типичные зависимости скорости горения топлива от давления при различных начальных температурах.

Кроме соотношений для скорости горения топлива, при про­ектировании ПЭД используются еще три дополнительных урав­нения.

Расстояние X, которое проходит поршень за интервал вре­мени I, равно

X = р0£-|- у «£2, (4-13)

Где и0—скорость поршня в начальный момент и а — среднее уско­рение за период I.

Согласно закону Ньютона,

Р = РА— 1— шэтб—— а, (4.14)

Где ~р _ среднее давление; А — площадь поршня; Ff — средняя сила трения; и? — вес ускоряемого груза; 0 — угол направления

Перемещения груза по отношению к горизонтали; g — ускорение

Силы тяжести.

Для совершенного газа существует приближенное соотноше­ние между давлением, объемом и температурой, которое за­писывается в виде

P VM л ^

Wp ~ 84800Г ’ (4.15)

Где wp— вес сгоревшего топлива, кг; Р — среднее давление, ата;

V — объем, см3; М — средний молекулярный вес продуктов сго­рания топлива; Т — средняя температура газа, °К.

Следует помнить, что основным условием точного решения поставленной задачи при проектировании ПЭД является правиль­ная оценка средней температуры газа Т. Сложность задачи можно оценить из рассмотрения уравнения баланса энергии для ПЭД. Затраты энергии рабочим газом равны: 1) потерям на теплообмен газон со стенками ПЭД, 2) кинетической энергии ускоряемой массы (полезная работа), 3) потерям энергии па трение, 4) кине­тической энергии рабочего газа (продуктов сгорания топлива) и 5) потенциальной энергии ускоряемой массы

WpCv (Tv — Т) — Л масса + (?тенл + & fX -{- WX Sin 0,

Где Сг— средняя удельная теплоемкость рабочего газа при постоянном объеме; Tv—температура продуктов сгорания в зоне пламени; Т — действительная температура рабочего газа; Qrcил потери энергии на теплообмен и X — расстояние, пройденное поршнем.

При определении температуры газа возможна небольшая ошиб­ка, если принять кинетическую энергию газов равной нулю. При проектировании ПЭД обычно считается, что сила трения составляет 10°о от силы, действующей на поршень. Теплопотери можно рассчитать по уравнениям теплообмена. Однако на прак­тике тепловые потери обычно связывают с величиной полного тепловыделения при горении топлива. Типичное значение к. п. д. для тяговых ПЭД составляет 10%. Относительную величину силы трения и относительные теплопотери обычно определяют эмпи­рически по результатам измерения скорости и на основе диаграмм давление — время.

Специалисту, впервые приступившему к проектированию ПЭД, следует рекомендовать начать проведение расчета с разбивки полного времени работы ПЭД на небольшие интервалы и вычисле­ния для каждого интервала величин силы, давления, ускорения, скорости перемещения, скорости горения, массового расхода топлива, поверхности горения топлива. Нижеследующий пример иллюстрирует постановку задачи в простейшем виде и помогает выбрать основные соотношения. Выполним расчет телескопиче­ского пироэнергодатчика. Требуется определить размеры заряда и ход поршня для обеспечения рабочего усилия, линейно возра­стающего за 70 мсек от нуля до 2808 кг, с обеспечением после­дующего постоянного усилия, равного 2808 кг, в течение 60 мсек. Вес катапультируемого груза 174 кг, площадь поршня 58 см2.

1. Подготовка таблицы, аналогичной табл. 4.3. Полное время работы разбивается на небольшие интервалы. В каждом интерва­ле берется средняя точка, для которой затем вычисляются пере­менные.

2. По заданной зависимости рабочего усилия от времени вычисляется средняя сила Р для каждого интервала времени.

3. Вычисляется средняя сила трения Обычно предполагает­ся, что Рf — 0,1/

4. По известным средней силе и массе катапультируемо™ груза с помощью закона Ньютона определяется среднее ускорение для каждого интервала времени:

— ¥

А = — . т

5. Определяется путь, пройденный поршнем [по уравненшо (4.13)1.

6. Вычисляется средняя скорость катапультирования путем деления пройденного пути на интервал времени.

7. По известным пройденному расстоянию и площади поршня вычисляется приращение объема камеры путем умножения прой­денного пути на площадь поршня.

8. По формуле (4.14) определяется среднее давление для каждого интервала времени. ‘

9. По среднему давлению с помощью экспериментальных зави­симостей скорости горения от давления определяется средняя скорость горения топлива.

10. По формуле (4.15) вычисляется вес израсходованного топ­лива за данный интервал времени. При этом точность расчета рабочих характеристик зависит от правильности выбора основного определяющего фактора — средней температуры газа.

11. Расчетом средней площади поверхности горения по фор — ‘ муле (4.10) завершается определение средних значений парамет­ров для данного интервала времени.

Для большей наглядности ниже представлены расчеты для интервала времени от 0,01 до 0,02 сек.

2. Средняя сила Р равна

Р 400 + 800 1200 РЛЛ

Р =——- = 600 кг

Время T, Сек	Резуль­ Тирую­ Щая Сила, Кг	Сила F, К Ц	Сила Ff Кг	Ускоре­ Ние О. , U СЄК-	Переме­ Щение Поршня X, С U	Скорость V, М/сек	Прира­ Щение Объема V, С vt3	Давление Р, А т и	Скорость Горения Г, См/сек	Вес из­расходо­ванного топлива wp, чг	Поверх­ Ность Горения S, См%
0,000	0	200	20,0	11,1	0,056	0,056	3,25	6,7	1,30	0,9-10-5	0,44
0,010	400	600	60,0	33,8	0,225	0,225	13,0	14,4	1,32	0,72-10-^	3,47
0,020	800	1000	100,0	56,3	0,507	0,507	29,4	21,9	1,35	2,42-10-4	11,48
0,030	1200	1402	140,2	79	0,902	0,902	52,3	29,6	1,50	0,57-Ю-з	24,3
0,040	1603	1800	180,1	101,5	1,409	1,409	81,7	37, 6	1,65	1,12-Ю-з	43,2
0,050	2000	2202	220,2	124	2,029	2,029	117,7	44,7	1,80	1,92-Ю-з	67,8
0,060	2404	2606	260,6	146,8	2,76	2,76	160,1	52,4	1,96	3,04-Ю-з	99,0
0,070	2808	2808	280,8	158,2	3,55	3,55	205,9	56,2	2,01	4,23-Ю-з	134,0
0,080	2808	2808	280,8	158,2	4,34	4,34	251,7	56,2	2,01	0,515-10-2	163,0
0,090	2808	2808	280,8	158,2	5,13	5,13	296,5	56,2	2,01	0,6М0-2	193,0
0,100	2808	2808	280,8	158,2	5,92	5,92	343,3	56,2	2,01	0,70-10-2	222,0
0,110	2808 І	2808	280,8	158,2	6,7	6,7	388,6	56,2	2,01	0,79-10-2	252,0
0,120	2808
0,130	2808	2808	280,8	158,2	7,49	7,49	434,4	56,2	2,01	0,89-10-2	283,0

Ход поршня 41,018 см

To -1

3. В предположении, что Ff = 0,1jF (вместо проведения более строгого анализа), найдем среднюю силу трения

F/ = 0,1-600 = 60,0 кг.

4. По закону Ньютона

— 7 600-9,81 OQ О / 2

А — — = —~— — 33,8 м/сек2, w 174

5. Вычислим перемещение поршня

Х = M + yaf2^Q’056-0,01 + 33,8‘^001 = 0,00225 ж =0,225 еле.

6. Определим среднюю скорость катапультирования

О — — 22,5 см/сек = 0,225 м/сек.

7. Приращение объема камеры составляет

V — АХ = 58-0,225 = 13,0 см3.

8. По формуле (4.14) вычислим среднее давление в камере:

_ д-f-Ff-f-w sin 0 iZl^M + 60,0+174

Р —————— ———————- ———- =————————— = 14,4 amu.

Jrl Do

9. При давлении 14,4 ати и начальной температуре 20° С скорость горения равна 1,32 см/сек (по экспериментальной кри­вой, которая здесь не приводится).

10. По формуле (4.15) вычислим вес израсходованного топлива. В рассматриваемом примере средняя температура газа принята равной 830° К, а средний молекулярный вес продуктов сгорания равен 25,3

PVM

Wn =

(14,4 + 1,0) 13,0-25,3 ~0 ла-4

О/. О АЛ ООП 1U ПС*

Р 84800Г 84 800-830

11. По формуле (4.10) определим площадь поверхности горения (удельный вес топлива равен 1,58 г/см3):

О ^ 0,072 <> /го 2

О =— =7Ггл л а го =3,458 см1.

Ф 0,01-1,32-1,58 ’

Проведение аналогичных расчетов для каждого интервала времени позволяет определить ход поршня и поверхность горе­ния заряда в функции времени. По этим данным определяются размеры заряда. Этот метод применим и для обратной задачи,

Если заданы форма и размеры заряда и требуется вычислить рабочие характеристики. Когда проанализированы основные соот­ношения, определяющие процесс, то для дальнейших прикидок можно рекомендовать упрощенные методы.

КОНСТРУКЦИИ ПИРОЭНЕРГОДАТЧИКОВ

Пироэнергодатчики являются легкими, компактными и очень надежными источниками энергии. При обеспечении контроля ско­рости генерирования, общего количества рабочего газа и времени его генерирования пироэнергодатчики могут выполнять любую механическую работу. Области использования таких источников энергии не ограничены.

Ниже будут приведены типичные конструктивные схемы пиро­энергодатчиков, разработанных для самолетов и ракет. Эти конст­рукции представляют лишь некоторые области использования

Пэд.

ПИРОРЕЗАКИ

2 3 4

Пирорезаки выполняют разнообразные работы, связанные с резкой. Пирорезаки, служащие для рубки небольших рифо­вых строп, трубопроводов, электропроводки и стальных про­водов, применяются в системах сбрасывания грузов с самолетов, системах перерезания строп и системах разделения ступеней.

Ф и г. 4.6. Пирорезак для

Резки кабеля.

1 — пиропатрон; г — кольцевое уплотнение; 3 — кабель; 4 —■ кор­пус; 5 — наковальня; 6 — пор­шень-резак; 7 — начальный объем рабочей камеры.

На фиг. 4.6 схематически изображен типичный пирорезак для резки кабеля. При срабатывании пиропатрона повыщается давле­ние в камере, под действием которого поршень с резаком переме­щаются вправо, и резак разрубает кабель, опирающийся на нако­вальню. По конструкции пирорезак относится к простым устройст­вам. При его проектировании для обеспечения максимальных рабо­чих характеристик и надежности рекомендуется выполнять сле­дующие требования:

1. Выбирать быстро горящее топливо. Скорость повышения давления в камере порядка 0,7-105 ат/сек можно обеспечить,

9-1088
используя смеси циркония и перхлората аммония, гранулирован­ный гексоген, смеси марки 50/25/25 фирмы «Дюпон» и многие другие.

2. Обеспечить минимальный свободный объем за поршнем.

3. Фиксировать положение поршня таким образом, чтобы виб­рации и внешние ударные нагрузки не могли сместить поршень

Ф и г. 4.7. Пирорезак фирмы «Маккормик селф ассо- Шиэйтс». 7 — индикатор до срабатывания; 2 — индикатор после сра­батывания; 3 — нож резака; 4 — срезающийся штифт; 5 — наковальня; в — кабель; 7 — пиропатрон. Lock —ис­ходное (предохранительное) положение; unlock — рабочее (пусковое) положение.

Вдоль цилиндра или вызвать его вращение. Часто для обеспече­ния этого требования применяются срезающиеся штифты или буртики.

4. Выбирать оптимальную форму резака из закаленной стали.

5. Выбирать относительно мягкий материал для наковальни во избежание повреждения резака, при котором невозможно его повторное использование, если оно требуется. Кроме того, нако­вальня должна поглощать энергию движущегося поршня после разрезания кабеля. Резак, который после рабочего хода не погру­зился глубоко в наковальню, имеет недостаточную энергию при­вода.

Более сложную конструкцию имеет изображенный на фиг. 4,7 резак 3620 фирмы «Маккормик селф ассошиэйтс». С его помощьк можно разрезать многожильный кабель (7 X 19) из нержавеющей стали диаметром до 9,5 мм. Корпус пирорезака изготовлен из стали марки AISI-4130. Основные элементы пирорезака: нож, наковаль­ня, пламегасители, клапан-предохранитель и два пиропатрона, каждый из которых способен привести резак в действие. Клапан — предохранитель может поворачиваться на 90°, занимая рабочее или предохранительное положение. Когда клапан находится в предо-

Хранительном положении, то при случайном срабатывании пиро­патронов образующиеся газы выбрасываются через пламегасители в окружающую атмосферу. Если клапан находится в рабочем положении, то газы направляются к ножу, разрезающему кабель. Пламегасители позволяют применять пирорезак во взрывоопасной среде.

ПИРОКЛАПАНЫ

Для клапанов одноразового действия наиболее эффективен пироэнергопривод. Небольшой заряд топлива может обеспечить лучшие рабочие характеристики, чем системы с приводом от элект­родвигателя или соленоида. На фиг. 4.8 показан клапан подобного

Отверстии отверстие А 6 Фиг. 4.8. Схема пироклапана, закрытого в исходном положении (конструк­ция фирмы «Конекс»). а — до срабатывания; б — после срабатывания.

Типа, выпускаемый фирмой «Конекс». В исходном положении клапан закрыт. Его герметизация обеспечивается сплошной метал­лической диафрагмой Е, которая является частью корпуса клапа­на. При срабатывании пиропатрона, находящегося в полости А, головка D, на конце плунжера вырезает диафрагму. Вырезанный кусок металла зажимается между головкой D и заглушкой F. Конический элемент головки В плунжера прижимается к седлу С с силой, достаточной для того, чтобы деформировать металл и обеспечить эффективное уплотнение. Метод герметизации, исполь­зуемый в клапанах, закрытых в исходном положении, столь же эффективно применяется также и в клапанах, открытых в исходном положении (фиг. 4.9).

На фиг. 4.10 представлена другая конструктивная схема клапа­на, который в исходном положении закрыт. Этот клапан, разра­ботанный фирмой «Локхид эйркрафт», обеспечивает надежную гер­метизацию при хранении в течение многих месяцев при давлении азота в магистрали 400 ати. Пироклапан состоит из пяти элемен­тов: корпуса, поршня, впускного патрубка, заглушки и пиропат­рона. Впускной патрубок имеет металлическое уплотнение в виде

Выпускное Отверстие

А

Впускное отверстие

Выпускное Отверстие

Ф и г. 4.9. Схема пироклапана, открытого в исходном по­ложении. А — до срабатывания; б —■ после срабатывания.

Фиг. 4.11. Схема пироклапана, закрыто­го в исходном положении.

Фиг. 4.10. Схема пирокла­пана, закрытого в исходном положении (конструкция фир­мы «Локхид эйркрафт»). 1 — впускной патрубок; 2 — коль­цевое уплотнение; з — заглушка; 4 — поршень; 5 — выпускной патрубок; б — пиропатрон.

1 — впускной патрубок; 2 — выпускной патру­бок; з — корпус; 4 — кольцевое уплотнение; 5 — пиропатрон.

Тонкостенного элемента, исключающее какие бы то ни было утечки. При срабатывании пиропатрона поршень перемещается и срезает тонкостенный уплотняющий элемент во входном патрубке. В перед­ней части поршня имеется упорный выступ, который входит в канавку А в заглушке, благодаря чему клапан удерживается в открытом положении. Клапан срабатывает при рабочем давлении менее 14 ати. Иа фиг. 4.11 представлен вариант конструкции, в которой впускной патрубок имеет ослабленное сечение. Под действием напряжений, вызванных повышением давления продук­тов сгорания в кольцевом канале А, элемент Б отделяется и пере­мещается вдоль канала, в конце которого имеется канавка В, куда входит упорный выступ. Недостатком этой конструкции является возможность загрязнения, вызванного продуктами сгорания заря­да пиропатрона.

Время срабатывания клапанов такого типа составляет менее 5 мсек. Подобные характеристики было бы трудно обеспечить дру­гим приводом. Разработаны стандарты на размеры, время сраба­тывания, потребную энергию и допустимые утечки газов из пиро­клапанов. Вследствие простоты и прочности конструкции пиро­клапан/л имеют удовлетворительные технико-экономические харак­теристики и высокую надежность срабатывания. Принципы проек­тирования, рекомендуемые для пирорезаков кабелей, применимы и для пироклапанов.

ПИРОАККУМУЛЯТОРЫ ДАВЛЕНИЯ СИСТЕМ ПОДАЧИ

Разработан ряд эффективных систем подачи кратковременного одноразового действия, в которых используются пироаккумулято­ры давления. Наиболее широкое применение получил пироакку-

2 3 4 5 6

Фиг. 4.12. Схема пироакку­мулятора для передавлпванпя электролита. 1 — пиропатрон; 2 — крышка; 3 — кольцевое уплотнение; 4 — поршень; б — корпус; 6 — элек­тролит. / В

Мулятор для передавливания электролита из резервуара в аккуму­ляторную батарею в бортовых источниках питания ракет. На фиг. 4.12 схематически изображена конструкция такого акку-

Мулятора. Поршень перемещается вдоль камеры под давлением продуктов сгорания заряда пиропатрона и вытесняет электролит в аккумуляторную батарею.

Аналогичная система может также использоваться для подачи гидравлических жидкостей в разнообразных механических приво­дах. Преимущество этого источника энергии кратковременного действия в гидравлической системе подачи можно иллюстрировать на примере гидравлического аккумулятора с пироприводом, изоб­раженного на фиг. 4.13. Это устройство надежно срабатывало в качестве основного привода си­стемы выбрасывания тормозного парашюта при аварийном ката­пультировании кресла пилота из самолета. В те­чение нескольких мил­лисекунд оно способно подать 1150 см3 жид-

Ф и г. 4.13. Схема гидрав­лического аккумулятора с пироприводом.

1 — заряд топлива; 2 — вклю­чение с помощью пневматиче­ских, электрических или ме­ханических (вытяжного шну­ра) средств. Примечание. Все разме­ры даны в миллиметрах.

Кости при давлении 210 ати. В качестве источника энергии ис­пользуется заряд твердого топлива на основе нитрата аммония с низкой температурой продуктов сгорания.

Скорость горения топлива определяется давлением газа за поршнем. Давление газа зависит от давления в гидравлической системе. Регулирующее действие этого типа (в отличие от регули­рования с помощью отверстия со снерхкритическим перепадом давления) обеспечивает приспособление системы к соответствую­щим изменениям температуры и требуемой механической работы. При низких температурах, например, скорость горения топли­ва при данном давлении значительно меньше. При использовании регулирования с помощью отверстия со сверхкритическим пере­падом давления понижение начальной температуры сопровождает­

Ся уменьшением давления в газогенераторе. Если же работа систе­мы регулируется сопротивлением движению поршня, выполняю­щего механическую работу, то давление остается постоянным и уменьшается лишь скорость подачи. На фиг. 4.14 представлено изменение давления газа и жидкости в зависимости от времени перемещения поршня при предельных значениях начальной тем­пературы. При испытаниях в качестве нагрузки использовалось

Ф п г. 4.14. Изменение давления газа и жидкости во время работы Пироаккумулятора. А конец хода поршня;———————- начальная температура —53° С; — • — • — Начальная температура 20° С; —————— начальная температура 74° С; объем Масла ~1150 ми3, свободный объем, заполненный воздухом, ~25 см3 (с уста­новленным пиропатроном).

Противодавление 140 amu. Основное преимущество такой саморе — гулируемой системы заключается в ее приспособляемости к раз­личным условиям. Если, например, по какой-либо причине возра­стет механическое сопротивление в приводе, т. е. потребуется более высокое давление в гидравлической системе, то процесс горения топлива автоматически к этому приспосабливается и обес­печивает более высокое давление. Увеличенный расход энергии в этом случае достигается за счет предусмотренной гарантийной толщины свода топливного заряда, так что по достижении поршнем крайнего положения топливо продолжает гореть, если условия работы системы были номинальными. После завершения хода поршня при нормальной скорости горения топлива давление газа повышается вплоть до момента полного выгорания топлива. Пло­щадь между кривой давления и номинальным рабочим давлением соответствует гарантийному запасу энергии, которая не использу­ется. Для иллюстрации автоматического использования этой накопленной энергии обратимся к диаграмме давления газа, изображенной на фиг. 4.14. Время полного хода поршня при
начальных температурах 20 и 74° С составляет от 1,6 до 1,7 сек. При начальной температуре —53° С вследствие уменьшения скоро­сти горения топлива время полного хода поршня возрастает приблизительно до 2,5 сек. Увеличенные теплопотери и затраты энергии на трение при низких температурах автоматически ком­пенсируются из запаса рабочей энергии. Сравнение максимальных значений давления после завершения хода поршня при низких и высоких начальных температурах показывает, что около 40% гарантийного запаса топлива расходуется при работе систе­мы в условиях низких температур.

МИКРОТЯГОВЫЕ УСТРОЙСТВА

Привод с деформируемым элементом (фиг. 4.15,а) предстан- ляет собой микротяговое устройство, в котором продукты сгора­ния пиротехнической смеси действуют на вогнутую металличе­скую крышку, деформируя ее с образованием выпуклости. Форма

До срабатывания

А І—- 7?—- —— _ /Р Л Л 1 СИ?1_ —— 1?

До срабатывания

После срабатывания

До срабатывания

	1 И1. 0^
	— :——————
С и	— ——————————————————

После срабатывания :—

После срабатывания

Фиг. 4.15. Схелгы мпкротяговых устройств.

Привод с деформируемым элементом; 0 — поршневой привод; 8 —■ сильфонпый привод.

Деформированного элемента и его положение сохраняются после срабатывания устройства даже при снижении давления газа. ЛТпкротяговое устройство с деформируемым элементом использует­ся для привода микровтлключателей. освобождения защелок и для
выполнения других операций, при которых требуется создать линейное перемещение порядка 1,5 мм или меньше.

Поршневой привод (фиг. 4.15,6) представляет собой простое устройство, в котором продукты сгорания пиротехнической смеси перемещают поршень, связанный с нагрузкой. Обычно в подоб­ной системе ход поршня равен 0 мм при нагрузке 9 кг. Не пред­ставляет труда обеспечить большее усилие и перемещение поршня. Поршневой привод может быть тянущего или толкающего типа, что расширяет область его применения.

Третий тип микротяговы. ч устройств представляет собой уст­ройство с металлическим сильфопом, который при наддуве газами растягивается. К характерным особенностям этого устройства отно — сится способность сильфона совершать перемещение но криволи­нейной траектории. Микротяговое устройство этого тина рассчита­но на линейное перемещение порядка 25 мм при усилии до’ 9 кг.

УСТРОЙСТВА, ОБЕСПЕЧИВАЮЩИЕ БОЛЬШИЕ ТЯГОВЫЕ УСИЛИЯ

Разработаны тяговые устройства, создающие рабочее усилие при относительно коротком ходе поршня. Устройство такого типа состоит из цилиндра, поршня и пиропатрона. В отличие от тшро — устройств, используемых в системах катапультирования и сбрасы­вания, поршневое тяговое устройство не отделяется от цилиндра в конце хода поршня. Это важная особенность конструкции, которая испытывает ударную нагрузку в момент достижения поршнем крайнего положения. Поскольку тяговая система пред­ставляет замкнутое устройство, то она должна выдерживать повы­шенное давление в замкнутом объеме и повышенные скорости дви­жения без нагрузки. При работе тягового устройства в конструк­ции возникают критические напряжения: окружные, напряжения растяжения, продольного изгиба и напряжения в резьбовых соединениях. На практике элементы кострукции обычно рассчиты­ваются на внутреннее давление с использованием величины предела текучести материала и минимального запаса прочности, равного 1,15. Как правило, предел прочности конструкции тягового устрой — ройства в 2,5 раза превышает максимальное рабочее напряжение.

Кинетическая энергия, накопленная движущимся поршнем, достаточна для того, чтобы разрушить элементы конструкции, если произойдет удар поршня в конце его хода. С помощью гидрав­лических демпферов или механических тормозов можно «погасить» скорость на конечном отрезке хода поршня до допустимого уровня, при котором конструкция выдерживает удар поршня.

Тяговые устройства должны обеспечивать заданные характе­ристики в широком диапазоне нагрузок. Изменение этих нагрузок

275 ——————————————————— 75,4 ——— ^ Фиг. 4.16. Устройство, обеспечивающее тяговое усилие 1000 кг.

I ____ стопорное кольцо; 2 — обратный клапан; з — отверстие; 4 — свободный объем камеры; .5 — фильтр; 6 — заряд топлива;

7 — поршень из найлона; 8 — замедлителъиый элемент (2 штуки); 9 — цепь пиропатрона; 10 — переходный заряд;

II — воспламенитель; 12 — крышка; 13 — кольцо-фиксатор; 14—ручной механизм освобождения тягового устройства; 15 — рифление; 16 — поршень; 17 — гидравлический демпфер; 18 — отверстие; 19 — начальный запирающий механизм;

2о — поршень запирающего механизма.

Примечание. Размеры даны в миллиметрах.

Связано с колебаниями аэродинамических сил, ускорений летатель­ного аппарата и высоты его полета. Для регулирования скоростей н ускорений при различных нагрузках обычно применяется буфер­ное устройство, в котором рабочая жидкость перетекает через калиброванное отверстие.

На фиг. 4.16 представлена схема тягового устройства, обеспе­чивающего минимальное усилие 1000 кг при ходе поршня 75,4 мм. Б конструкциях этого типа обычно используется начальный запи­рающий механизм 19, который освобождается только при срабаты­вании пиропатрона или подаче газа высокого давления от внешнего источника через отверстие 3. Часто используется концевой запираю­щий механизм, служащий дня удержания поршня в отклоненном положении. Освобождение тягового устройства производится вруч­ную путем осевого перемещения рифленой ручки. Регулирование скоростей и ускорений в связи с требованиями прочности или изве­стными физиологическими факторами (если тяговое устройство используется для перемещения пилотов) обеспечивается гидроди­намическим буферным или демпфирующим механизмом.

СИСТЕМЫ КАТАПУЛЬТИРОВАНИЯ И СБРАСЫВАНИЯ

К системам катапультирования относятся телескопические устройства аварийного спасения экипажа скоростных самолетов. Катапульта обеспечивает необходимую для безопасного покидания

Ф п г. 4.17. Схема системы катапультирования. 1 — крышка; 2 —• шайба: 3 — внутренняя герметизация; 4 — внутренняя труба; 5 — ■іелесколическая труба; 6 — наружная труба; 7 — фланцевая втулка; 8 — срезаю­щийся штифт; 9 —• защелка; 10 — хвостовик; 11 — заглушка (только для транспор­тировки); 12 — боек; із — кольцевое уплотнение; 14 — втулка; 15 — наружная герметизация; 16 — пружина; 17 — пиропатрон.

Самолета скорость перемещения пилота вместе с креслом. Перед катапультированием кресла производится сбрасывание фонаря кабины самолета. Перегрузки, обеспечиваемые катапультирующим устройством, в отличие от механизма сбрасывания фонаря огра­ничиваются в соответствии с физиологическими факторами.

На фиг. 4.17 представлена схема типичной системы катапуль­тирования. Эта система может сообщить грузу весом до 270 кг скорость до 24,7 м/сек при максимальной перегрузке до 20. Ход поршня составляет 2235 мм. Механизм сбрасывания фонаря имеет меньшую длину хода поршня (до 710 мм) и сообщает скорость до 8,2 м/сек фонарю весом до 135 кг.

ПИРОБОЛТЫ

Существуют пироболты двух типов.

1. Болты, ослабленные глубоким надрезом, который распола­гается у дна полости с пирозарядом. Стяжная пиромуфта, пред­ставленная на фиг. 4.18, является типичным примером таких кон­струкций.

2. Болты со ступенчатой проточкой имеют ступенчатый надрез у дна полости с пирозарядом. На фиг. 4.19 и 4.20 представлены типичные примеры таких конструкций. Каждый из указанных вариантов конструкции применялся в различных системах разде­ления.

Считается, что механизм разрушения в зоне надреза обуслов­лен совместным влиянием волн разрежения, отражающихся от надреза, и растягивающего усилия, связанного с динамической нагрузкой на дно полости. Разрушение болта со ступенчатой проточкой почти полностью обусловлено динамическим растяги­вающим усилием. Вследствие динамического характера нагрузок при разрушении болтов в справочниках не всегда можно найти необходимые данные по прочностным характеристикам элементен с надрезом.

ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПИРОБОЛТОВ

На основании имеющегося опыта известно, что закаленные стали при разрушении образуют более ровный срез, чем незака­ленные. Чем более хрупкой является сталь, тем легче она разру­шается в условиях динамических нагрузок. Считается, что пиро­болты можно изготавливать из любой прочной стали, одна ка обычно предпочтение отдается стали марки 4340. Важным факто­ром является выбор метода термообработки. При проектировании пироболтов приходится делать выбор между необходимостью обес­печения оптимальных рабочих характеристик взрьтво-механиче — ских устройств, требующих твердости и хрупкости стали, и опти­мальных прочностных характеристик, требующих твердости, проч­ности на усталость и сопротивляемости распространению трещин от надрезов. Часто при выбранном методе термообработки дости­гается очень высокая прочность материала, что, однако, препят­ствует последующей обработке поверхности и точного доведения размеров надреза до заданных. Это обстоятельство, а также микротрещины, возникающие после грубой термообработки,

Ф и г. 4.19. Пироболт. Фиг. 4.20. Пироболт в разрезе. Примечание. Размеры даны в миллиметрах.

Являются основными факторами, вызывающими разрушение пиро­болтов при воздействии напряжений, меньших заданных техни­ческими требованиями.

Имеется мало данных о влиянии формы надрезов или проточек на механизм разрушения пироболтов. На практике обычно при­нято указывать радиус у основания надреза и делать надрез настолько глубоким, насколько это возможно в соответствии с тре­бованиями прочности на растяжение. Важную роль играют также глубина надреза или проточки и их расположение относительно дна полости, в которой находится пирозаряд. Обычно надрез дела­ют в плоскости дна этой полости, в противном случае, по-видимо­му, возрастет вероятность дробления болта на осколки.

ПРОЕКТИРОВАНИЕ ОСНОВНОГО ЗАРЯДА

При разработке пироболта основное внимание уделяется выбо­ру веса и формы основного заряда. Площадь поверхности воспла­менения основного заряда также играет важную роль, поскольку определяет форму детонационной волны, распространяющейся от заряда. Характеристики разрушения можно варьировать про­стым изменением диаметра передаточного заряда, а следовательно, площади поверхности воспламенения основного заряда.

Основной заряд изготавливается из ВВ, которое должно детони­ровать под действием передаточного заряда с образованием высоко­го давления за детонационной волной. Наиболее эффективное дей­ствие заряда достигается при соотношении высоты и диаметра 1/10.

МЕХАНИЗМ ОСВОБОЖДЕНИЯ БОЛТОВ (ПИРОГАЙКА)

Возможность дробления и конструктивная сложность пиро­болтов в некоторых случаях существенно сужают область их при­менения. В связи с требованием полной изоляции образующихся продуктов сгорания и отсутствия дробления был разработан механизм освобождения болтов. Имеются различные типы таких устройств, но не все они обеспечивают полную изоляцию продук­тов сгорания. Обычно устройство такого типа представляет собой гайку со щелями, которая навинчивается на болт. При срабатыва­нии пироболта образующиеся продукты сгорания снимают обойму с гайки. Это вызывает «лепесткообразное» раскрытие гайки и освобождение болта. На фиг. 4.21 показана конструкция пиро — болта с гайкой фирмы «Маккормик селф ассошиэйтс». Ее характе­рные особенности: полная изоляция образующихся газов и

Других продуктов инициирования и выброс болта при срабаты­вании системы.

Как и в случае пирорезака для кабелей, в данных конструкци­ях используется быстро горящее топливо для обеспечения резкого повышения давления. Для быстрого и надежного срабатывании
устройства необходимо, чтобы скорость нарастания давления составляла примерно 105 ат! сек, а свободный объем был минималь­ным. Подвижных частей должно быть как можно меньше. Простота конструкции является важным фактором, определяющим стои­мость и надежность системы.

Да срабатывания /44

После срабатывания

Фиг. 4.21. Пирогаика. Примечание. Раммсры дапы в миллиметрах.

Г”

Подача пускового сигнала Батареи подключены к блоку питания

Время задержки между подачей пуско­вого сигнала на триггер и разрядкой конденсаторной цепи 0,003 сек Цепь триггера разомкнута после подачи сигнала на разрядку конденсаторной цепи

Р

Проверка на Подача высокого напряжения

Функционирование

Отсутствие обрыва в проволоч­ном мостике (контроль ом­метром)

Дублирование

Аботоспособпость

Отрицательный потенциал постоянного тока 5 в при разомкнутой цепи и импе — дансном сопротивлении 30 ООО ом; на­пряжение постоянного тока на кон­денсаторе 2600 в Отрицательный потенциал постоянного тока 15 в при разомкнутой цепииимпе — дансном сопротивлении 10 000 ом через 2,5 мсек после появления выходного сигнала. Выходной сигнал также ре­гистрируется при подаче питания, при­чем форма волны выходного сигнала обратна форме волны заряда в кон­денсаторе; изменение напряжения от 15 в до нуля 100 000 ом при разомкнутом мосте, 10 000 ом при замкнутом мосте (оце­ночно)

Дублирование проволочных мостов пе практикуется; дублироваиие элементов электроники и других устройств воз­можно

Технические требов

Выходные характеристики (при одном электровзрывном устройстве) Подача энергии на входе

Время зарядки конденсатора (накоп­ления энергии в блоке питания) Время разрядки конденсатора после отключения источника питания (при выключении устройства) Диссипация энергии в устройстве

Подача пускового сигнала триггеру

Уплотнение

Импеданс линии передачи Импульсная характеристика линии передачи

Ния к блоку питания

0,5 мф при напряжении постоянного тока 2600 ±130 в Напряжение постоянного тока 28+2 в, ток на входе 500 ма, реактивный ток 500 ма

2—Ю сек X количество выходов 10—40 сек X количество выходов

От момента подачи питания до мо­мента подачи пускового сигнала 28 + 0,05 вт! сек X количество триг­геров

Напряжение постоянного тока 28±2 в Максимальный ток 100 ма Минимальное время 3 мсек Утечка не должна превышать 10-8 см3!сек 7—10 ом

Отрицательный потенциал 3000 в, ток 2500 а в течение 10 мкеек

Безопасность. Газобаллонная система содержит газ при высо­ком давлении в течение длительного времени хранения и использо — пания газа. Каждый из таких резервуаров представляет потен­циальную опасность. Газогенератор не находится под давлением, за исключением периода его работы. Высокое давление имеет место лишь в области камеры сгорания и не распространяется на всю систему. Рабочее давление в газогенераторах также обычно значи­тельно ниже, чем в газобаллонной системе. Это существенно упро­щает требования техники безопасности при использовании топлив­ной системы.

Контролируемость параметров. Газогенератор можно спроек­тировать таким образом, чтобы обеспечить требуемое количество газа в определенное время при заданном расходе. Расход газа из газобаллонной системы уменьшается по мере снижения давления в ней, и для получения требуемого количества газа обычно необхо­димо более длительное время, чем при использовании соответст­вующей топливной системы. Работа газогенератора может по суще­ству не зависеть от температуры хранения, в то время как расход газа из газобаллонной системы снижается при понижении темпе­ратуры окружающей среди.

ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ

Первые вспомогательные силовые установки были разработа­ны, когда оказалось, что применяемые в ЖРД жидкие топлива не могут поступать с заданным расходом в камеру сгорания толь­ко под действием силы тяжести. Для обеспечения заданного рас­хода топлива применялись турбонасосньте агрегаты, приводимые в действие продуктами разложения перекиси водорода. В настоя­щее время все еще используются аналогичные системы, приводи­мые в действие продуктами сгорания зарядов твердого топлива или выводимые на режим номинальной тяги путем отбора газов из основной камеры сгорания. Газогенераторы часто используют­ся в качестве привода турбин, связанных с электрогенераторами. Они также применяются для запуска реактивных двигателей при отсутствии достаточно мощных источников электрической энергии или энергии сжатого газа (фиг. 5.1 и 5.2).

Газогенераторы также служат источниками энергии для сервоприводов. В одних сервосистемах горячий газ подастся непосредственно через двухпозиционный регулирующий клапан в цилиндр с поршнем, связанным с управляющим элементом меха­нической связью. Управляющий элемент перемещается в соответ­ствии с подаваемым сигналом. В других сервосистемах газ может применяться для наддува гидравлического аккумулятора и подачи рабочей жидкости. Используются также насосы, приводимые

Фиг. 5.1. Газогенератор на твердом топливе для над­дува гидравлического аккумулятора ракеты «Сперроу-3». (Разработан фирмой «Маккормик селф ассошиэйтс».)

І

Ф п г. 5.2. Газогенератор на твердом топливе для вспомо­гательной силовой установки с гидросистемой, использу­емой при запуске ракеты «МВ-1».

(Разработан фирмой «Маккормик селф ассошиэйтс».)

В действие непосредственно вспомогательной силовой установкой или с помощью электрической энергии, вырабатываемой ею. Полу­чили широкое применение турбины с приводом от газогенератора. Энергия турбины может быть преобразована практически в любой вид энергии. Применение газогенераторов, естественно, не ограни­чивается перечнем указанных систем (фиг. 5.3).

Заслуживает внимания применение газогенераторов в качестве основного источника энергии для гиросистем с горячим газом,

Ф и г. 5.3. Дублированный газогенератор для системы катапультирования пилота самолета В-58. (Разработай фирмой «Маккормик селф ассошиэйтс».)

В которых массивное колесо турбины вращается как гироскоп и используется в системах управления положением в пространстве и угловой скоростью. Следует отметить, что для выполнения подоб­ных функций часто используется газ, отбираемый или поступаю­щий из других агрегатов, в которых он выполняет свои основные функции. В одном таком случае газы первоначально применялись для создания давления в гидравлическом сервоприводе системы управления. Затем они поступали в две турбины, одна из которых была связана с электрогенератором, являвшимся основным борто­вым источником энергии, другая выполняла роль эталонного гиро­скопа. Газогенератор запускался перед стартом ракеты, и поэтому весь образующийся газ мог использоваться для раскрутки турбин до момента включения сервосистемы. Расход газа был достаточен для поддержания скорости вращения обеих турбин*в процессе поле­та. После прохождения через турбины газы направлялись в соп­ло, обеспечивая дополнительную тягу.

При наддуве систем применяются разнообразые методы. Если допустимо загрязнение рабочей жидкости продуктами сгорания топ­лива, то они могут направляться непосредственно в объем с рабочей жидкостью. По этому принципу работают некоторые системы заряд­ки электробатарей. Электролит находится в трубчатом резервуаре,
имеющем форму пространственной кривой, что позволяет подавать жидкость в любом направлении. Резервуар герметично закрыт мембраной на входе к батареям. При включении газогенерато­ра мембрана разрывается и электролит передавливается в бата­реи, обеспечивая немедленное их включение в систему электропи­тания.

В тех случаях, когда недопустимо загрязнение рабочей жидко­сти продуктами сгорания топлива, либо неизвестна (или не может

;1

Ф и г. 5.4. Газогенератор на твердом топливе с ^медли­тельной системой и без нее, предназначенный для выброса спасательного парашюта космического корабля «Мерку­рий». (Разработан фирмой «Маккормик сслф ассошиэйтс».)

Быть определена) ориентация устройства при работе, либо система находится в состоянии невесомости, применяются другие методы. Во многих старых системах между сжатым газом и рабочей жид­костью помещался свободно плавающий поршень. При работе газогенератора поршень давил на жидкость, вытесняя ее из резер­вуара с требуемым расходом. Для эффективного разделения сред использовались также диафрагма или мешки из эластомерньтх материалов, которые размещались в резервуаре. Выбор материа­лов для таких элементов конструкций должен производиться с учетом совместимости с рабочей жидкостью и горячим газом, а также с учетом различных условий окружающей среды при хранении и работе системы. Достоинством всех рассмотренных выше конструкций является их способность работать в любом поло­жении (фиг. 5.4 и 5.5).

Важная область применения газогенераторов — наддув эласто- мерных или тканевых мешков. Примерами использования газоге­
нераторов в данной области могут служить понтоны, спасательные плотики, аварийные шасси скользящего типа, поплавковые шасси. Многие из этих систем наддуваются непосредственно продуктами сгорания топлива. Замкнутые системы подобного типа применяют­ся в тех случаях, когда окружающая среда непригодна для запол­нения емкости. Для подводньтх установок, например, используются замкнутые системы, обеспечивающие плавучесть, сигнализацию,

Ф и г. 5.Г). Газогенератор с надувным мешком для косми­ческого корабля «Меркурий». (Разработан фирмой «Маккормик сслф ассошилйтс»*)

Подъем и т. д. Аналогичным образом для работы в вакууме или в условиях, близких к вакууму, также требуются системы замкну­того типа. В тех же случаях, когда заполнение производится на воздухе, благодаря применению аспиратора или струйного насоса существенно уменьшаются размеры газогенератора и рас­ход топлива. Это устройство аналогично известному паровому инжектору с соплом для высоконапорного газа внутри трубки Вентури. При истечении вьтсоконапорпого газа образуется зона пониженного давления, в результате чего происходит засасывание окружающего воздуха в насос. Продукты сгорания топлива и воздух перемешиваются за счет турбулентности потока, после чего газо-воздушная смесь направляется в полость, которая должна быть заполнена газом. Если насосы данного типа работают при наиболее эффективном перепаде давления, то можно получить отношение расходов воздуха к газу 5 : 1 или 6 : 1 и выше. При заданном объеме, заполняемом газом, это приводит к соответст­вующему уменьшению размеров газогенератора. К. п. д. инжек­торного насоса данного типа падает по мере увеличения давления в заполняемой оболочке и становится равным нулю, когда внутрен­нее давление повышается до давления окружающей среды. По этой причине в большинстве систем данного типа имеется дополни­тельный клапан, который закрывается, когда внутреннее давление превышает уровень, при котором обеспечивается максимальный к. п. д. инжекторного насоса. Таким образом, перекачка больших объемов воздуха низкого давления производится наиболее эффек­тивным способом. После закрытия клапана газогенератор продол­жает работать и заполняет емкость до заданного конечного давления (фиг. 5.6).

Применение инжекторных систем дает дополнительные преиму­щества, так как поступающий воздух также охлаждает газовую

Фиг. 5.6. Газогенератор системы наддува радиогид- Роакустического буя. Используется вместо патрона с СОг — Гарантирует более дли­тельный период хранения и имеет меньшие габариты. (Раз­работан фирмой «Маккормик селф ассошиэйтс».)

Смесь. Конечная температура газа, таким образом, пропорциональ­на температуре воздуха в окружающей среде, температуре продук­тов сгорания топлива и соотношению их расходов. В некоторых случаях результирующая температура достаточно низка и поэтому дополнительного охлаждения вообще не требуется. В других системах может понадобиться дополнительное устройство для сни­жения температуры.

Эти устройства могут быть сравнительно простыми. Если газо- вод имеет достаточную длину и проходит через зону с относитель­но низкой температурой, то благодаря тепловым потерям через стенки газовода температура продуктов сгорания может понизить­ся до требуемого уровня. В системе спасения торпед, например, предусматривается короткая стальная трубка, которая омывается морской водой, что обеспечивает достаточно интенсивный отвод тепла, когда газы поступают по трубке. В результате требуемое охлаждение достигается без особого труда. В других конструк­

Циях могут потребоваться газо-воздушные или газо-жидкостные теплообменники или другие тепловые стоки различной степени сложности в зависимости от области применения и выдвигаемых требований. В данной главе не имеет смысла рассматривать вопро­сы теплопередачи и конструкции теплообменников.

ПРОЕКТИРОВАНИЕ ГАЗОГЕНЕРАТОРОВ

Газогенераторы обычно являются приводами агрегатов, преоб­разующих тепловую энергию в механическую. Они относятся к широкому классу тепловых машин и могут рассматриваться с точки зрения термодинамики системы и термохимии топлива.

Как уже указывалось ранее, практический интерес при проек­тировании газогенераторов представляют количество газов, их се-

Таблица 5.1 Обозна­ Чение Наименование параметра Размерность Весовой расход газообразных продук­тов сгорания топллва Кг/сек Р Тяга Кг 1 уд Удельная тяга Кг* сек/кг (■V Коэффициент тяги Безразмерный С Эффективная скорость истечения М/сек С * Характеристическая скорость исте­чения М/сек Гв Коэффициент расхода Кг/кг-сек П’з Удельный расход топлива Кг/кг ■ сек Л’ Поверхность горения заряда топлива С. и2 Ат Площадь критического сечения сопла См% Рс Давление в камере сгорания Кг/см1 Ра Атмосферное давление Кг/см2 Ре Давление на срезе сопла Кг/см2 £ Ускорение силы тяжести М/сек’2 Лв Скорость горения топлива См/сек V Удельный вес топлива Г/см3 Тс Температура газа в камере сгораиия °К Мё Средний молекулярный вес газов Кг/кг-моль У Отношение удельных теплоемкостей Безразмерное И Скорость газа на выходе нз сопла М/сек

	*8	F	Туд		С
IV е		¥Си	Р	СрЛ^Рс	АтРсСрё
		С р	^УД	-^уд	С
Р	1¥ёСрс* Ё		^#^уд	СрАтРс	С¥в §
Г	Р еЛтс	Р		СрАтРс	С
1 УД	IV ёс*	^8		^8	8
Ср	"УуД	Р	1уррО		С
АТРс	РсАт		С*
	РсЛтСрЕ	Р8	^уд£	С рс*
С		™8
	Рс^т8	Р С^т! уд?	^УД^	Рё	С
С*		Р	С р	Ср\’е	Ср
С0		СрСрАтРс	С р	СрУ8	СРё
ЛтРс	Р	-^уд	Р	С
	С0АтРс		1	*8	8
Н’в	Р	-^уд	СрРсЛт	С
Б	10*1Уе	103 сРУмРсАт	ЮЗ/’	103 СрРсАт	№ЛтРсС Fg
ЯвР	Р РпР	^уд-^вР	-^уд^вР	°Нцр

У~г 1 / 9 2 (V ~ 1) 1Мягт) С/£)= ————————— Т———— — /8Шс У мё

Т/2у2 ( 2 ^(у+Р/(у-1) р. (Ре<7-1)ЛП, (ре~Ра)(Ле

Ср-ьу [1 ]+ Рс [Ат)

Примечание. В приведенных формулах ЛЕ — площадь выходного сечения сопла,

	(Г*	Г в	Ws	5
	С*	СвРс^т	1У3СРАтРс	10-35Лвр
	РсЛТ1 уд?	С^ё		103 СрЦ’’§РсАт
	С*	Со		Л’/?вр
	С*Ср	С р	1	10 3Р
	Ё	Сп	¥8	Л’7?вр
	С	Со		10-зЛ7уд/?вр
	С*	Ж8	У/ ВАТРС	— 17’ ^ С
			Ё	103ЛтРсС pg
	С*С р	"Со	¥в	$РвР
		£	Рс^т8	11)3 ЛтРсВ
		Со		5ЙЛ р
	В			10-35Ллр
	С*		СрУ8	Рс/1г
	РсАг8	Со		10-35Дяр
	С*Р	Ср		6
	^АтРсВ	103 СцРсАт	Ю^И^С рАтРс
	С* Я в р	Рв9	ЯвР

(дт)

С ^ “■

~’~7 2 (У+1)/2(7-1)

Пт+т)

TOC o "1-5" h z 27ЛГс г ✓ Р (7-0/7-1 ж 1

С/2 =—- -—=^- 1— — Б“ Я = ■9′ (1 + сов а).

(V—1) I. рс 1 ] 2 ‘ >

а — угол между осью и образующей конуса сопла.

Кундный расход и давление. Все эти параметры обычно свя­заны между собой. Например, скорость горения как функция давления является характеристикой топлива. Давление в системе и количество газа являются функцией геометрии заряда. Проекти­рование газогенераторов, рабочие характеристики которых отве­чают заданным требованиям, производится с помощью внутрибал — листического расчета на основе анализа возможных форм зарядов, использования данных по химическому составу твердого топлива и свойствам газа. Формулы, по которым производятся проектные расчеты, как будет показано, за небольшими исключениями, прак­тически те же, что для ракетных двигателей твердого топлива. К последним относятся соотношения для вычисления мощности газогенератора и адиабатического напора газа. Опытный конструк­тор ракетных двигателей может найти более целесообразным использование коэффициента расхода Св, так как для газогенера­тора основной интерес представляет расход газа, а не сила тяги.

В табл. 5.1 и 5.2 *) представлены соотношения между различны­ми параметрами, используемыми при проектировании ракетных двигателей и газогенераторов.

Методы расчета и формулы, приведенные в данной главе, пред­назначены для начинающего инженера. В связи с этим приводятся некоторые основные сведения из области термодинамики и газо­динамики.

ТЕРМОДИНАМИКА ГАЗА

Пусть требуется заполнить вакуумированную камеру объемом

0, 339 ж3 воздухом при температуре 21° С и давлении 1,033 кг! см2 (давление на уровне моря). Когда клапан открыт, воздух поступает в камеру. Прирост веса можно определить с помощью уравнения идеального газа: РУ = пЯТ. После подстановки и преобразования получим

Уй =——— <5Л>

Где УУё — вес газа; М% — средний молекулярный вес газа; Рё — абсолютное давление газа; Уё — объем газа; Тё — абсолют­ная температура газа; В — универсальная газовая постоянная (848 кгм/кг-молъ’ град).

Х) В оригинале гл. 5 имеется ряд неточностей и опечаток. Сюда относятся, например, некоторые формулы в табл. 5.2, формулы (5.13) и (5.14), формулы (5.33), (5.34) и (5.44), некоторые цифры в табл. 5.3. Кроме исправления опе­чаток и неточностей, при переводе указаны (в соответствующих местах) внутрибаллистпческие параметры и соотношения, наиболее широко исполь­зуемые н аналогичных случаях в отечественной литературе.— Прим. перев.

Для воздуха (М8 = 29 кг/кг-моль, так что

Тг^ 104-29-1,033-0,339 п /по

^ =——— 848^294—- = °’408

Если заменить воздух в камере другим газом при температуре 21° С, так чтобы давление, измеряемое датчиком, увеличилось на 0,14 кг/см2, и если при этом окажется, что вес камеры с газом уменьшился на 0,041 кг, то можно установить, что молекулярный вес газовой смеси равен

TOC o "1-5" h z и _ ЦГёТёВ 0,367-294-848 9о „ / .

Ё 10*УЯР& ~ 104-0,339-1,17 /кг моль-

Удельный вес этого газа равен

Р§= юзу§ = юз.0,339 = 1,08’10 3 г^3* (5-2)

Если газ в камере нагреть до температуры 204° С, то его давле­ние станет равным

VgTgR 0,367*477*848 , , 2

Ра = -=——— 00 л — ооп— ^ 1,90 кг! см*.

Ё МёУё 23-0,339

Этот результат можно также получить с помощью закона Бойля — Мариотта:

Р 1^1___ Р^У2 /г п

Т1 " Тг ‘ ( ^

При постоянном объеме покоящегося газа имеем

-1’90 кг, смК <5-4)

Для заполнения камеры газом можно использовать также газоге­нератор на твердом топливе. В предположении, что все продукты сгорания топлива являются газообразными (в конечном состоя­нии), заряд сгорает полностью, а параметры системы имеют те же значения, что и в рассмотренной выше задаче, заряд твердо­го топлива должен весить 0,367 кг, т. е.

Предположим, что в продуктах сгорания данного топлива содержится 12,5% воды. При высоких температурах вода находит­ся в парообразном состоянии и давление в камере по-прежнему равно 1,17 кг/см2. При понижении температуры основная часть водяных паров будет конденсироваться с образованием жидкой фазы и соответствующим уменьшением давления. Для обеспече­ния указанного давления 1,17 кг! см2 нужно взять больше топлива в соответствии с отношением объема газовой фазы к объему жидкой фазы, причем в большинстве случаев объемом конденсирующихся газов можно пренебречь. Следовательно,

1.00-0X25 =°-42Кг — <5’5>

Ввиду того что тепловые потери и конечная температура газа не могут быть вычислены с одинаковой степенью точности, получа­ем несколько завышенный расчетный вес топлива; тем не менее сделанное приближение является достаточно точным для предва­рительных расчетов. Более точный расчет возможен, если известны конечные условия.

При внутрибаллистическом проектировании артиллерийских орудий приходится иметь дело со значительно более высокими давлениями. В этом случае обычно используется уравнение Нобеля — Абеля

(5.6)

Множитель а называется коволюмом и может рассматриваться как удельный объем, занимаемый полностью сжатым газом. Для большинства твердых топлив эмпирическое значение коволюма составляет около 1 см3/г. При типичных рабочих давлениях в газо­генераторе поправкой на коволюм можно пренебрегать, так как’ она составляет менее 1%.

В баллистике артиллерийских орудий также используется пара­метр сила пороха Руд как мера способности продуктов сгорания топлива совершать работу. Эта величина определяется по формуле

Р ^ V / г 7

Мё

И обычно имеет размерность кг-м/кг.

Во внутренней баллистике ракетных двигателей часто исполь­зуется характеристическая скорость истечения с[3] х) или удельный импульс IУд. Они будут рассмотрены в данной главе несколько позже.

ГОРЕНИЕ ТВЕРДЫХ ТОПЛИВ

Отдельный блок топлива заданных размеров называется заря­дом. Часть поверхности заряда, подверженная воздействию про­дуктов сгорания, называется поверхностью горения. Для ограни­чения поверхности горения заряда часть его покрывается него­

Рючим материалом — бронировкой. Минимальное расстояние, кото­рое проходит фронт пламени, пока заряд сохраняет свою целост­ность, называется толщиной горящего свода.

Ф и г. 5.7. Типичные формы зарядок. <а — цилиндрический многоканальный заряд (прогрессивного горения); 6 — ще­левой заряд (нейтрального горении); в — заряд с каналом звездообразного сечения (нейтрального горения); г — телескопический заряд (нейтрального горения). — отношение текущей поверхности горения к начальной

■поверхности горения; 1/10 —относительная толщина сгоревшего свода;

Положение поверхности горения к моменту, когда сгорает 1/2тол­щины свода.

Если при горении заряда поверхность горения сохраняется фа к тически постоянной, то его называют зарядом нейтрального горения. У заряда прогрессивного горения поверхность горения увеличивается, а у заряда дегрессивного горения — уменьшается. Куски заряда, которые остаются после выгорания свода, назы­ваются неэффективно используемыми остатками, а время, в тече­ние которого эти остатки выгорают, называется периодом догора­ния (фиг. 5.7)х).

Определим теперь размеры заряда топлива, который должен генерировать 0,9 кг газа в течение 8 сек. Заряд имеет цилиндри­ческую форму и горит с одного торца (постоянная поверхность горения). При условиях в газогенераторе выбранное топливо имеет скорость горения 1,02 см! сек. Удельный вес топлива 1,52 г! см3. Продукты сгорания топлива не содержат твердых или конденси­рующихся компонентов.

Расход газов равен расходу топлива при горении и выражается следующим образом:

(5.8)

Где £ — поверхность горения; Я в — скорость горения; рр —уде­льный вес топлива.

Поскольку в данном случае продукты сгорания не содержат конденсированной фазы, то ]¥ё = Wp и

IV п о 9

— —— = —н— = 0,1125 кг/сек,

*В °

Где Ьв—время горения.

После подстановки ¥ё в уравнение (5.8) получим

П 1125-103

Р В и, 11^ ш _ 72^7 см2′

ДвРр 1,02-1,52

Таким образом, поверхность горения представляет круг диаметром 9,6 см.

Длину заряда легко найти по формуле

L = RBtB = 1,02-8 = 8,16 см. (5.10)

Определим размер сужающегося сопла газогенератора, через которое будут истекать продукты сгорания, при давлении в каме­ре сгорания Рс = 70 ат. Для этого расчета принимается, что тече­ние является адиабатическим. В этом случае при сверхкритиче — ском перепаде давления справедливо следующее соотношение:

P2/v у 2 p(V+l)/Y у 2 ’ ( ‘

С о

Из которого следует

I>1 = i>r = p._-,pe(_!T)1’/<T-‘), (5.12а)

Гг=Тт = Г = Тс(^т), (5.126)

UZ~UT~U[4] — ^ )12 » (5.12с)

Где индексы Т и С относятся соответственно к условиям в горле сопла и камере сгорания, а параметры со звездоч­кой соответствуют критическим значениям. Это означает, что при сверхкритическом перепаде давления между камерой сгорания и средой, куда истекает газ, давление в критическом сечении сопла прямо пропорционально давлению в камере сгорания, а температу­ра и скорость газа в этом сечении не зависят от давления в камере сгорания1). Нетрудно убедиться, что уравнение (5.12в) представляет собой формулу для скорости звука. Сопло, в выходном сечении которого устанавливается число Маха, равное единице, часто называют звуковым соплом. В сопле с критическим истечением газа условия вниз по потоку не оказывают никакого влияния на про­цесс в камере сгорания до тех пор, пока поддерживается крити­ческий перепад давления. Расход газа через сопло прямо пропор­ционален давлению в камере сгорания.

Критическое отношение давлений имеет место только в том случае, когда давление в среде, куда истекает газ, меньше Р[5]. Для продуктов сгорания топлива, имеющих у — 1,2 и Рс = 70 ат,

Рж^70(т^т)1,2а 2_1)~~70’°’533==37 аШ’

Таким образом, если газы истекают в среду с давлением РА <С 37 ат, реализуется критическое отношение давлений. По — Дру­гому это отношение можно записать следующим образом:

£>(1+1р">. (5.12а)

Величина критического отношения давлений слабо зависит от у. Если давление в камере сгорания приблизительно в 2 раза превышает давление окружающей среды на срезе сопла, то течение является критическим, или звуковым, и можно пользоваться урав­нениями (5.12а, б и в).

Если в общее выражение для расхода газа через сопло при изэнтропическом расширении

УШ(*Г-№Г”]Г

Подставить значение критического отношения давлений, Л2 = ЛТ (площадь критического сечения сопла) и Рх = Рс, то получим

У+1

ЛЬ Л п Г 8уМё ( 2 Y-nV2 …

¥ё — АТРС _~щ — (^гт) ] • ( •! )‘

Х) Здесь не рассматривается влияние изменения Рс на состав продуктов сгорания и показатель у.— Прим. перев.

Выражение в квадратных скобках известно как коэффициент расхода Св. Эту величину можно рассчитать с помощью термоди­намических параметров газа или определить эмпирически путем измерения действительного расхода через сопло.

Коэффициент расхода не следует смешивать с коэффициентом сопла т]^. Поскольку течение в реальных соплах является до неко­торой степени турбулентным и не может считаться полностью изэнтропическим, то неизбежны потери. Коэффициент сопла представляет собой эмпирический параметр, учитывающий эти потери, и определяется соотношением

Действительный расход = т]^ (идеальный расход). (5.15)

Теперь можно определить размеры идеального сопла, восполь­зовавшись уравнением

(5.14а)

Wg = ATPcCD.

Если принять коэффициент расхода равным 7,2-10 3 кг! кг-сек, то

—

Wg 0,1125-103

Л —____ «_ — Т Pccd " 70-7,2

0,22 см2 DT — 0,53 см.

Очень важным параметром при проектировании и анализе является отношение площадей S/AT, или К. По достижении рав­новесия в камере сгорания расход газообразных продуктов сгора­ния топлива должен быть равен расходу через сопло, т. е.

(5.16)

SRbPp — CdAtP с.

Решая уравнение относительно давления в камере сгорания лри условии равновесия, получаем

(5.17)

Рр^В

И

(5.18)

В связи с этим параметром следует отметить, что все величины Св, рр и Ив являются функциями только состава топлива. Размер и конструктивные параметры газогенератора (а также вес заряда) представлены в уравнении только отношением 8/Ат, или парамет­ром К. Для заданного топлива величина лишь одного параметра К позволяет оценить уровень давления, который можно ожидать при работе газогенератора.

До сих пор принимали, что газ в камере сгорания занимает постоянный объем. В действительности же по мере выгорания

Наряда топлива, расположенного в камере сгорания, ее объем уве­личивается. Массовая скорость горения должна поэтому быть равна сумме массовой скорости истечения газа через сопло

1Г массовой скорости накопления газа в камере сгорания. Если принять, что V —объем свободного пространства в камере сгора­ния в любой момент времени £, а — удельный вес газа в тот же самый момент времени, то скорость увеличения массы газа в камере сгорания можно описать следующим уравнением:

= + (5.19)

А приток* массы при горении заряда —

5ДлР„ —С„АТРс + + Р — <5-20)

Поскольку объем камеры сгорания изменяется только в связи с горением заряда твердого топлива, то

(5.21)

И уравнение (5.20) принимает вид

^ (Рр — Р^) ^в ~ СвАтРс — г У. (5.22)

Равновесие в камере сгорания имеет место только в том слу­чае, если (с1рё/сИ) — 0, так что решение уравнения (5.22) для стационарных условий должно удовлетворять уравнению

^ (Р, —Р*) Кв —СвЛгРс. (5.23)

Следует отметить, что это уравнение соответствует уравнению (5.16), в котором рр заменено разностью (р7, — р^). Поскольку Рц, имеет порядок 0,03 г! смг по сравнению с рр = 1,52 г/слг3, то влияние изменения объема на равновесное давление сравнитель­но мало, хотя не следует забывать, что небольшие изменения параметра р, так же как и параметра К, могут вызвать значитель­ные изменения давления Рс. В тех случаях, когда необходима поправка па объем, обычно принимается постоянное соотношение р’ _ (р^ — Ря), которое используется вместо р7>. *

13 приведенных выше расчетах линейная скорость горения топ­лива принималась постоянной величиной. Эта величина зависит от теплового потока к поверхности топлива от окружающих про­дуктов сгорания. Поскольку теплоприток ко всем незабронирован — ным поверхностям топлива одинаков, то поверхность горения должна перемещаться параллельными слоями. Этот вывод был проверен эмпирически.

11-1088

Скорость горения зависит от нескольких факторов: давления при котором происходит горение, начальной температуры топлива скорости газа у горящей поверхности и состава топлива1).

ВЛИЯНИЕ ДАВЛЕНИЯ

С увеличением давления, при котором происходит горение топ лива, увеличивается скорость теплопритока из зоны пламен к топливу вследствие увеличения плотности газовой фазы и умень шения толщины зоны, через которую тепло подводится к поверх

Ности горения. В результате скорость горения увеличивается

Чаще всего используется соотношение вида

ДВ=ЬРП, (5.24

Которое известно как степенной закон скорости горения. Приме няются также другие эмпирические уравнения: линейный зако? скорости горения

Яв=а + ЬР (5.24а

И уравнение Саммерфильда

Большинство получаемых экспериментальных данных достаточш хорошо согласуются с любым из указанных выше законов. В иеко торых интервалах давления практическая разница между значе ниями скорости, определяемыми по различным уравнениям, сратш тельно невелика. Отсюда и малая разница в качественных резу. и> татах при использовании уравнений внутренней баллистики дл* газогенератора. Выбор того или иного уравнения часто производи!’ ся на основе соображений относительной простоты проведение расчетов.

Если для различных топлив построить графики зависимосп Д в от Р в логарифмических координатах, то получится семейств« кривых, аналогичных кривым на фиг. 5.8, а, с помощью которьп можно оценить значения Ь и п (или а и Ъ). Некоторые топлив;, не следуют линейному закону в логарифмических координатах Существуют области, в которых параметр п изменяется по величи­не, уменьшается или даже имеет отрицательное значение. Если и заметно уменьшается, как на фиг. 5.8,6, то такое топливо отно­сится к классу топлив, имею(цих плато в законе скорости горзиия. Если коэффициент п становится отрицательным в некотором интер-

Г) Эти вопросы рассматриваются также в гл. 4, стр. 123, 124.— Прим перев.

Нале давлений, как это видно на фиг. 5.8, в, то топливо относится к классу меза-топлив.

I дР 6

Ясно, что при малом значении п уменьшается чувствительность скорости горения к изменениям давления, а в результате умень­шается чувствительность давления в камере сгорания к малым изменениям коэффициента Ь (который является функцией начальной температуры топлива) и К — отношения площадей.

Lg Р

В

А

Ф и г. 5.8. Зависимость скорости горения от давления (в логариф­мических координатах).

А — для обычных тошшв; б — для топлив, имеющих плато в законе скорости горения; в — для меза-топ­лив; 1 — при повышенной лачальной температуре; 2 — при нормальной начальной температуре; 3 — при по­ниженной начал!.пой температуре.

Это позволяет проектировать более легкие корпуса, так как благо­даря уменьшению случайного разброса параметров относительно проектных значений можно назначать меньший запас но отклоне­ниям характеристик.

В ряде случаев предпочтительно отрицательное значение п. В области отрицательного наклона кривой рост давления (в результате, например, внезапного увеличения поверхности

И*

СвАтРс — БррЪРс, (5.25 / КЬра 1 (1-?0 Рс =(-<£) • (5-26, Оба параметра К и Ъ возведены в степень 1/(1 — п). Прр п = 0,75 получим 1/(1 — п) — 4. Поэтому увеличение параметрог К или Ъ на 10% приводит к увеличению давления Рс на (1,1)4 — 1,464, т. е. на 46%. Если показатель степени п можнс уменьшить до 0,25, то 1/(1 — п) = 1,33. В этом случае увеличе­ние К или Ъ на 10% сопровождается увеличением давления в каме­ре сгорания лишь на 14%. Если п принимает отрицательное зна­чение, то 1/(1 — п) <С 1 и Рс изменяется на меньшую величину, чем параметры К или Ъ. При использовании линейного закона скорости горения получаются аналогичные выводы.

Или

ВЛИЯНИЕ НАЧЧЛЬИОЙ ТЕМПЕРАТУРЫ Если бы все тепло, поступающее от продуктов сгорания к поверх­ности горения топлива, использовалось для повышения темпера­туры поверхности до Т’, при которой начинается быстрое протека­ние химической реакции, то соотношение между температурой и скоростью имело бы следующий вид х): (5.27) Где Ъ’ — константа и Т() — начальная температура. Измеряя ско­рости горения при двух начальных значениях температуры одно­го и того же топлива и одинаковом давлении в камере сгорания, можно вычислить температуру Т’.

Ь’Р1

Я

В

(Т’-Т л)

Я + То норм-V Где В — термохимическая константа для топлива, Т0 НОрм — нормальная начальная температура заряда (условная величина, которая иногда прини­мается равной +20° С).— Прим. перев.

Х) В отечественной литературе принято представлять степенной закон скорости горения топлива с учетом влияния начальной температуры в виде И=Ь’Р’’ П

Горения вследствие нарушений целостности бронирующих покрьт тий) сопровождается падением скорости горения и равновесное состояние восстанавливается. Этот вывод можно проверить путе подстановки выражения для степенного закона скорости горение в уравнение для равновесного давления. 13 результате получил

Обычно используются четыре температурных коэффициента топлив. Их можно вычислить по характеристикам топлива или определить экспериментально при огневых стендовых испытаниях. К этим коэффициентам относятся:

1. Температурный коэффициент скорости горения при постоян­ном давлении

Ар —

(^)р. (5-28)

2. Температурный коэффициент скорости горения при постоян­ном К

— (т)*- (5-29)

3. Температурный коэффициент давления при постоянном отношении РШВ

ДпР’

Яр/я

„ (^гЧ • (5-3°)

В дТ0 /р/дл 4 ‘

4. Температурный коэффициент давления при постоянном значении К

(т — <*•**>

. д 1п Р

Л к —

При проектировании газогенераторов чаще всего используются температурные коэффициенты при постоянном значении К, поскольку ни поверхность горения, ни критическое сечение сопла не претерпевают заметных изменений с изменением температуры. Параметр Ор представляет лишь академический интерес, поскольку в реальных газогенераторах при различных начальных температу­рах заряда давление в камере сгорания не одинаково. Все четыре коэффициента выражаются в процентах на 1°. Желательно, чтобы коэффициенты имели возможно более низкие значения.

ВЛИЯНИЕ СКОРОСТИ ПОТОКА. ЭРОЗИОННОЕ ГОРЕНИЕ

Если горение происходит по внутренней поверхности заряда, как, например, у заряда нейтрального горения с каналом звездо­образного сечения, то линейная скорость горения в конце канала оказывается выше нормального значения. Анализ формы той части канала заряда, которая подвергалась эрозии, подтверждает влия­ние скорости потока. Закон эрозионного горения можно предста­вить в виде

+ , (5.32)

Где U — местная скорость газа в канале и С—скорость звука в продуктах сгорания. Уравнение (5.32) можно записать в более удобной форме:

Яв = ЬРп(1 + К^), (5.33)

Где J = АТ1АР — отношение площади критического сечения соп­ла к площади поперечного сечения канала заряда; константа Кх, коэффициент эрозии, учитывает влияние эрозионного эффекта на скорость горения данного топлива. Этот коэффициент имеет порядок от 0,5 до 1.

Скорость течения газов по каналу заряда и на выходе из него также влияет на расход газа через сопло. В приведенных выпге уравнениях принималось, что газы имеют на входе в сопло нуле­вую скорость, что возможно лишь при бесконечно большом попе­речном сечении камеры сгорания. Однако это условие является хорошим приближением при достаточно малом отношении J. В реальных условиях при течении газа по каналу имеет место мас — соприток, вследствие чего существенно изменяются как давление, так и скорость газа на длине от переднего торца камеры сгорания до соплового блока.

В большинстве расчетов газогенераторов принимается квази- стационарное условие постоянного давления и скорости в пло­скости поперечного сечения камеры сгорания на входе в сопло. Затем можно использовать приближенные значения параметро» для реальных условий по одну или обе стороны плоскости входа в сопло и соответствующим образом скорректировать уравнение равновесия. Одной из таких поправок является линейная аппрок­симация скорости эрозионного горения (5.33). Кроме того, часто используют уточненное значение коэффициента расхода:

СЬ-=Сл(1-ср/2), (5.34)

Где

V / 2 v’vMHv-l)

Это соотношение приближенно учитывает изменение скорости и падение давления вдоль канала заряда и не приводит к сущест­венной ошибке при Ар/Ат > 1,2. Применяются также и другие приближения в зависимости от требуемой точности расчета. Сле­дует отметить, что большинство газогенераторов характеризуются относительно длительным временем горения заряда и низкими расходами газа по сравнению с ракетными двигателями твердого топлива. Поэтому в газогенераторах часто применяются заряды, горящие с одного торца. В этом случае нет нужды в описанных выпю поправках.

ВЛИЯНИЕ СОСТАВА ТОПЛИВА

Твердые топлива обычно содержат различные добавки, которые влияют на их рабочие характеристики. Баллиститные пороха могут содержать, кроме нитроцеллюлозы, которая составляет основную часть горючего и существенно повышает механическую прочность заряда, и нитроглицерина, являющегося пластификато­ром нитроцеллюлозы и источником кислорода для горения, сле­дующие компоненты:

1. Дополнительные пластификаторы, такие, как диэтилфталат, обычно инертные, которые могут быть необходимы как технологиче­ские добавки или для изменения характеристик горения.

2. Химические стабилизаторы, препятствующие старению топ­лива путем поглощения и удерживания групп N02, выделяющих­ся из основных компонентов. Примерами таких соединений являют­ся. тгилцентралит или 2-нитродифениламин.

Н. Пламегасящие добавки, такие, как сульфат калия, для уменьшения догорания продуктов реакции при контакте с возду­хом.

4. Вещества для придания заряду твердого топлива теплопо­глощающих свойств на поверхности и уменьшения переноса энер­гии излучения в глубь заряда от поверхности горения. Для этой цели чаще всего используется сажа.

Г). Смазка, как, например, канделильский или карнаубский нос к, для улучшения технологических свойств при проходном прессовании зарядов.

0. Катализаторы скорости горения или добавки, модифицирую­щие инутрибаллистические характеристики и позволяющие изме­нять скорость горения в некотором интервале давлений. Для этой цели применяются комплексные свинцовые или медные соли аро­матического ряда.

В смессвые топлива добавляются аналогичные компоненты для те же целей, включая катализаторы полимеризации, ингибирую­щие добавки, модифицирующие компоненты и другие. Сложное взаимодействие всех этих компонентов обеспечивает требуемую скорость горения, эрозионные характеристики топлива и темпера­турные коэффициенты в пределах заданных допусков на энергети­ческие характеристики и габариты системы.

ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

Чтобы определить энергетические характеристики твердых топ­лив в разных условиях, применялись различные параметры в зависимости от принятых методик. Все эти параметры основаны на одних и тех же первоначальных термохимических свойствах продуктов сгорания топлива.

Первый из этих параметров — характеристическая скорость с[6] 1)— связана с параметрами в камере сгорания, имеющей сопло, соотношением

С*=РсАт£_’ (5.35)

Этот параметр можно непосредственно вычислить на основании термодинамических характеристик газообразных продуктов сгора­ния (так же как и критическое отношение давлений) с помощью соотношения

С*=(^)‘/2(^)<7+,ХЗД“>- (5-36)

Поскольку эта величина зависит только от термодинамических свойств топлива и не зависит от таких физических параметров, как форма газогенератора или давление окружающей среды, то она является очень удобной мерой энергетических возможно­стей топлива. Параметр с* определяется экспериментально при огневых стендовых испытаниях заряда топлива известного веса в камере с соплом, имеющим критическое сечение Ат, в процессе которых измеряется давление Рс в функции времени и затем интег­рируется по формуле

*2

" |_

С*:

Кр

И

ГДе ^2 — ^1 — интервал времени, в течение которого производи­лись измерения. Часто в эту основную формулу вводятся различ­ные изменения в виде поправок к величине Ат вследствие влияния эрозии или зашлаковки сопла, нестационарных переходных про­цессов при повышении давления или его падении, влияния неэф­фективно используемых остатков заряда и т. д. Сравнение расчет­ного значения параметра с* с экспериментальным его значением позволяет оценить полноту сгорания топлива в двигателе.

Если топливо горит в замкнутой камере, можно выполнить аналогичное измерение. Этот параметр, известный как сила пороха, уже рассматривался:

(5.7)

>д М8

Подставляя это соотношение в уравнение состояния (5.6), получаем

Руя-=^{У—а¥р). (5.38)

С помощью соотношения (5.38) выполняется непосредственная экспериментальная оценка параметра /’’уд. Для этого навеску топлива известного веса сжигают в бомбе объемом V и измеряют давление в ней (бомба должна иметь совершенную термоизоляцию). Поскольку на практике не удается обеспечить идеальной термо­изоляции, то наряду с данными по силе пороха должны быть ука­заны размеры и тепловые характеристики бомбы. Данные, полученные при проведении огневых испытаний в одной или оди­наковых бомбах при одинаковой начальной температуре различ­ных зарядов, сравнивают между собой. В этом случае параметры Шр и (V — а^) остаются постоянными и поэтому относительная сила пороха равна

Относительная сила пороха используется при качественном контроле топлив или зарядов, позволяющем проверить, изменяет­ся ли состав топлива от партии к партии.

Во внутренней баллистике ракет часто применяется удельный импульс IуД, который определяется как полный импульс (сила X X время), развиваемый при сгорании единицы веса топлива в камере, имеющей сопло. Этот параметр, определяемый отноше­нием

(5.40)

Можно вычислить по формуле

Если в выходном сечении сопла вектор скорости параллелен оси сопла. Следует отметить, что этот параметр является непосредст­венной термодинамической функцией характеристик топлива толь­ко в том случае, если задано отношение РЛ/РС. В качестве стан­дартных условий в США принимается давление РА равным 1 ата, а давление Рс равным 70 ата, если только специально не оговорены другие условия. Экспериментальное значение удельного импуль­са определяется по формуле

(5.42)

Величина IуД определяется по результатам огневых стендовых испытаний так же, как и параметр с*. Для нахождения /уд необхо­димо измерить силу тяги, а для определения с* — давление в камг-
ре сгорания. Если давления, при которых измерялся удельный импульс, не равны использованным в расчетах, то для сравнения экспериментального и расчетного удельных импульсов требуется внесение соответствующих поправок.

Для внесения поправок в величину Гуд используется коэф­фициент тяги СР, который определяется соотношением

(5-43)

И характеризует влияние сопла на силу тяги ракетного двигателя. Поскольку параметр с* не зависит от условий за критическим сече­нием сопла, то для любого данного испытания РДТТ отношение Гуп/Ср является константой, которая не зависит от характеристик сопла и условий в окружающей среде. Коэффициент СР имеет максимальное значение, когда расширение в сопле происходит до полного вакуума и давление окружающей среды также равно нулю. При давлении на срезе сопла, отличном от нуля, вводится поправка, зависящая от отношения давлений Р^Рс• Если давле­ние окружающей среды отличается от давления на срезе сопла, ■ то необходима вторая поправка на отношение РА1Рс• Необходимо также внести поправку на фактический угол раствора расширяю-

Щейся части сопла X = ^ (1 ~Ь 008 °0- При этом величина измерен­ной удельной тяги уменьшается с увеличением угла раствора сопла. Если стенки расширяющейся части сопла не являются прямыми, вводится еще одна поправка. Для сопел с коническим расширяю­щимся участком параметр Ср можно вычислить с помощью соот­ношения

Поскольку подобные расчеты весьма длительны и трудоемки, то обычно заранее проводятся графические или табличные вычис­ления с введением различных подпараметров и соответствующих поправок к максимальным значениям в пустоте. Произведение коэффициента тяги на характеристическую скорость продуктов сгорания с* называется эффективной скоростью истечения с. Дру­гими словами,

(5.45)

Следует отметить, что величина с равна удельному импульсу /уд, умноженному на ускорение силы тяжести g.

При проектировании газогенераторов используется понятие мощности, определяемой по общему уравнению

(5.46)

Член £/2/2^ представляет скоростной напор. Если в качестве рабочей среды используются газы, то обычно применяется адиабатический напор, и уравнение (5.46) принимает вид

(5.47)

Величина НАо является функцией отношения давлений между камерой сгорания и плоскостью среза сопла. Так как формула для скорости газа в любом сечении канала в функции давления имеет вид

То, подставив ее в отношение II2/2#, иолу чим

Т)тот параметр также является термодинамической функцией харак­теристик топлива только при заданном отношении РЕ/РС — В США отсутствуют стандартные значения Рр и Рс для газогенераторов, аналогичные значениям давлений РА и Рс при определении удельного импульса ракетных двигателей. Это обусловлено разнообразием требований к рабочим давлениям газогенератора в отличие от ракетных двигателей, продукты сгорания которых вьгбрасї, іваются в окружающую атмосферу.

Следует отметить, что Рк представляет давление в плоскости выходного среза сопла, а не давление в окружающей среде. Вели­чина РЕ поэтому зависит от степени расширения сопла. Поскольку эффективная скорость истечения из сопла с = gIyn, а /уд = Ср/С0, то, подставляя эти величины в общее уравнение (5.46), получим

(5.50)

А>=0,0654И^ л. с.

Комбинируя уравнения (5.47) и (5.49) и выполняя преобразо­вания членов, получаем следующее выражение для мощности:

Значения параметра ф ————————— — Кг-моль’грао РЕ/РС У 1 ,20 1 ,21 1 ,22 1 ,23 1,24 1 ,25 1,26 1,27 1 ,28 1,29 1,30

0,00000	67,532
0,00010	52,860
0,00025	50,464
0,00050	48,392
0,00075	46,708
0,0020	43,460
0,0050	39,512
0,0075	37,564
0,0100	36,100
0,0147	34,028
0,0250	30,940
0,0500	26,480
0,0750	23,620
0,1000	21,472

64,700	62,272
51,620	50,440
49,364	48,316
47,404	46,456
46,144	45,260
42,696	41,968
38,904	38,316
37,024	36,500
35,604	35,128
33,592	33,176
30,592	30,252
26,232	25,988
23,424	23,236
21,312	21,160

60,052	58,016
49,324	48,260
47,316	46,364
45,556	44,692
44,412	43,604
41,264	40,592
37,752	37,208
35,996	35,512
34,668	34,224
32,772	32,500
29,924	29,604
25,752	25,524
23,052	22,872
21,U08	20,860

56,148	54,420
47,248	46,284
45,456	44,592
43,868	43,080
42,832	42,088
39,944	39,324
36,684	36,180
35,040	34,588
33,792	33,376
32,000	31,636
29,296	28,996
25,304	25,088
22,700	22,528
20,720	20,580

52,820	51,332
45,364	44,488
43,760	42,968
42,324	41,600
41,380	40,696
38,724	38,148
35,692	35,224
34,152	33,728
32,976	32,584
31,280	30,928
28,708	28,424
24,880	24,676
22,364	22,204
20,444	20,312

49,952	48,660
43,652	42,852
42,208	41,484
42,904	40,240
40,040	39,412
37,596	37,060
34,768	34,332
33,320	32,924
32,208	31,844
30,604	30,284
28,152	27,888
24,476	24,284
22,044	21,892
20,180	20,056

-г

Где

Ф-и.31 (^)[1-(^)»-‘>/-].,_Ггра, .

Применение параметра ср позволяет получить более простое табличное решение функции, которое зависит только от у и отно­шения РЕ1РС• Эти данные представлены в табл. 5.3.

Следует отметить, что все приведенные выше соотношения дают теоретические значения параметра Ng. Действительная мощность установки зависит от потерь в системе и может составлять 50% и более от теоретического значения.

РЕЖИМЫ ГАЗОГЕНЕРАЦИИ

Основная задача проектирования газогенераторов состоит в обеспечении подачи газа с заданными расходом и давлением в соот­ветствии с требованиями системы. Разработано много методов для выполнения этих условий, а использование этих методов по отдел ьности или в комбинации с другими в значительной степе­ни зависит от конструкции системы.

Наиболее простое требование связано с применением газогене­раторов без ограничений по времени. Подобные случаи могут иметь место при заполнении некоторого объема до заданного дав­ления при температуре окружающей среды, например, в устройст­вах систем спасения или стабилизации. Требования к парамет­рам Р, V п Т могут быть преобразованы в требования по весу, в результате чего подбирается заряд топлива с таким весом и соот­ветствующие вспомогательные устройства — крепежные детали и средства воспламенения. Специального сопла в этом случае не требуется. После воспламенения топливо горит со скоростью, являющейся функцией местного давления. По окончании горения топлива завершается заполнение объема газом.

Если к указанному пьгше основному требованию добавить тре­бование обеспечения наддува в заданное время, то проблема проек­тирования несколько усложняется. Заряд топлива теперь, по-види­мому, должен иметь форму круглого прямого цилиндра, забро­нированного по наружной поверхности и по одному торцу и горя­щего с другого торца. Заряд помещается в камеру сгорания <• соплом. Благодаря соплу удается поддерживать давление в каме­ре сгорания, а следовательно, и скорость горения на заданном уровне. Бремя горения заряда пропорционально его длине, а диа­метр заряда при заданном весе является функцией плотности топлива. Чтобы получить заряд с приемлемым отношением ЬЮ, необходимо выбрать подходящее топливо.

Подача газа с непрерывно меняющимся расходом может быть реализована различными методами, включая использование профи­лированных зарядов с требуемой прогрессивностью или дегрес- сивностью горения, многошашечных зарядов с требуемыми харак­теристиками или зарядов из нескольких топлив. В качестве при­мера подобного требования рассмотрим газогенератор для ката­пульты, который должен обеспечивать ускорение груза, связан­ного с поршнем, до конечной скорости, не превышая заданного максимального ускорения. В идеальном случае катапульта должна функционировать при постоянном давлении в течение всего хода поршня, чтобы обеспечить постоянную перегрузку. Исследование диаграмм перемещения поршня катапульты в функции времени показывает, что необходим заряд прогрессивного горения, причем прогрессивность должна быть нелинейной. Величина тангенса угла наклона восходящей ветви кривой давление — время ограничи­вается требованием, чтобы максимальная скорость изменения ускорения (производная (1а1(И) не превышала заданного значения. Для обеспечения требуемой прогрессивности горения в катапуль­тах часто используются многоканальные заряды.

Аналогичный случай имеет место, когда требуется обеспечить заданное изменение скорости подачи газа в некоторый момент времени при горении заряда. Например, при работе газогенерато­ров разгонно-маршевого типа требуется высокий расход подачи газа в начальный период работы для преодоления инерционных нагрузок и уменьшение расхода газа на стационарном режиме. Такие требования часто удовлетворяются путем использования" профилированных или многошашечных зарядов, которые перво­начально имеют большую поверхность горения; по мере выгорания свода поверхность горения уменьшается. Для увеличения скорости горения заряда в начальный период времени иногда используется эрозионный эффект; позднее по мере возрастания отношения попе­речного сечения канала к критическому сечению сопла скорость горения падает. Для обеспечения начального высокого расхода газов и последующего пониженного расхода при заданном сопле можно поместить в одну камеру заряды двух или нескольких марок топлива с различными скоростями горения. В такой системе необходимо предусмотреть соответствующие меры предосторож­ности с тем, чтобы применяемые топлива не соприкасались или были химически совместимы друг с другом. В процессе хранения компоненты топлива могут диффундировать из одного заряда в другой, в результате чего в конструкции, обеспечивающей необ­ходимые рабочие параметры непосредственно после изготовления, произойдут существенные изменения, приводящие к значительно­му ухудшению рабочих характеристик. Определенными преиму­ществами обладают заряды из двух составов. На наружную поверхность заряда из топлива определенного состава наносится покрытие из пластификатора, который проникает в глубь заряда

На некоторую толщину свода. Наконец, можно предусмотреть изменение размеров критического сечения сопла в процессе работы газогенератора, что обычно считается рискованным реше­нием. Благодаря применению вкладышей в критическое сечение сопла, изготовленных из материалов с малой стойкостью к эрозии, обеспечивается высокое значение параметра К и большая скорость горения топлива в начале работы газогенератора, а затем после эрозии вкладыша скорость горения уменьшается.

Таким образом, из сказанного выше следует, что программиро­ванное изменение прогрессивной или дегрессивной расходных характеристик заряда можно обеспечить геометрическими средст­вами (за счет формы заряда), химическими (путем изменения соста­ва топлива) и механическими (используя эрозионное горение заряда или эрозию соплового вкладыша). Кроме того, эти изменения могут усиливать или ослаблять друг друга. Так, например, влия­ние дегрессивной поверхности горения может быть дополнено влиянием эрозии соплового вкладыша. Начальная скорость эро­зионного горения может обеспечить существенно постоянные рас­ходные характеристики, несмотря на прогрессивный характер горения заряда. Заряд из двух составов топлива, в котором первое топливо горит медленнее второго, может иметь прогрессивный расход газа, несмотря на дегрессивную геометрию заряда. Все эти эффекты следует учитывать при проектировании газогенератотора.

Следует также отметить, что все указанные выше изменения в массовой скорости газогенерации должны происходить в опреде­ленный момент времени и сопровождаться соответствующим изме­нением давления в камере сгорания. Во многих случаях это не создает осложнений и даже может представлять определенные преимущества. 13 других случаях, когда момент ожидаемого изме­нения требуемого расхода неизвестен или когда изменение расхода не должно сопровождаться одновременным изменением давления, требуются дополнительные методы регулирования.

В тех случаях, когда максимальные отклонения от расчетного уровня невелики, в качестве саморегулирующего устройства мож­но использовать меза-топливо, если рабочее давление соответству­ет режиму горения топлива, при котором показатель степени в законе скорости горения имеет отрицательную величину. Увели­чение расхода газа вызывает падение давления в камере сгорания с одновременным ростом скорости горения, что способствует воз­вращению системы к равновесному состоянию.

В тех случаях, когда величина и продолжительность требуемых изменений превышают возможности саморегулирования топлива, часто используется вспомогательное сопло. В подобной конструк­ции применяется заряд увеличенных размеров, который способен генерировать достаточное количество газа, чтобы привести в дейст —

Ъие основное устройство, и некоторое дополнительное количество газа, которое будет истекать через вспомогательное сопло в окру­жающую среду. Это сопло применяется для поддержания задан­ного давления в системе, в то время как основная масса газа подает­ся в устройство, которое следует привести в действие. Вся система может рассматриваться как один резервуар под давлением, причем его свободный объем включает устройство, в которое подается газ. В процессе работы свободный объем увеличивается, но, как уже было показано раньше, это мало влияет на течение в сопле. Изме­нение расхода газа, направляемого в основное устройство, давле­ния газа и т. д. во время работы установки отражается на соотноше­нии расходов через вспомогательное сопло и основное устройство. Поэтому изменение расхода рабочего газа в основное устройство (привод) будет сопровождаться меньшим отклонением давления в камере сгорания газогенератора из-за одновременного изме­нения расхода газа через вспомогательное сопло.

Когда требуется максимальная глубина регулирования давления и расхода газа, можно использовать систему с клапаном. Эта си­стема аналогична системе с вспомогательным соплом, за исключени­ем того, что вместо сопла используется пружинный клапан. Разме­ры заряда твердого топлива выбираются исходя из максимального расхода газа, который требуется для системы при наиболее тяже­лых рабочих условиях. Клапан должен пропускать весь этот рас­ход. При номинальных рабочих условиях клапан частично открыт и весь расход газа распределен между основным устройством и клапаном. При работе на режиме максимальной подачи газа в основное устройство клапан полностью закрыт. И наоборот, когда не требуется подачи газа в основное устройство, клапан полностью открыт и весь расход газа проходит через него. Таким образом можно обеспечить любой относительный расход газа в любой момент времени без изменения давления. Это необходимо, например, в случае приведения в действие системы сервоуправло — ния ракет. В подобных случаях размеры топливного заряда газо­генератора выбираются из условия обеспечения постоянного расхо­да газа при максимальной скорости срабатывания сорвоустройст — ва. Жесткость пружины для клапана горячего газа должна обеспе­чивать поддержание давления в системе на проектном уровне, а размеры клапана должны гарантировать пропускание всего расхода газов при полностью открытом клапане. Если после запуска ракета движется по заданной траектории, коррекция курса требует непродолжительных включений сервосистемы. В результате основная масса газа выбрасывается через клапан. Мощность газогенераторной системы, однако, должна быть доста­точной для осуществления большой коррекции или изменения курса без снижения рабочих параметров сервосистемы.

ВОСПЛАМЕНЕНИЕ

Система воспламенения газогенератора должна передавать дос­таточное количество энергии поверхности заряда топлива, чтобы вызвать плавное и воспроизводимое воспламенение топлива. Вопросы проектирования систем воспламенения двигательных уста­новок на твердом топливе рассмотрены в гл. 3. Следует, однако, отметить, что топливо, применяемое для газогенераторов, как правило, труднее воспламеняется, чем топливо ракетных двигате­лей. Это связано с использованием низкоэнергетических окислите­лей в одних топливах и модификаторов для уменьшения скорости горения, понижения температуры пламени, изменения состава газа и т. д.— в других. Все эти методы, хотя и позволяют обеспе­чить требуемые характеристики топлива, в то же время, как прави — л0, значительно осложняют воспламенение.

Нельзя преуменьшать значение проблемы воспламенения топ — лива. Для обеспечения нормальной работы газогенератора необхо­димо уделить достаточно внимания всем аспектам проектирования системы воспламенения.

ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ КОНСТРУКЦИИ

Конструкция оптимального газогенератора для конкретных целей должна удовлетворять механическим и баллистическим тре­бованиям. Оптимальная конструкция часто характеризуется минимальным весом или габаритами, при которых газогенератор удовлетворяет предъявляемым к нему требованиям. Приэтом также должны учитываться простота конструкции и надежность работы.

Анализ различных соотношений, определяющих баллистиче­ские характеристики, показывает, что целесообразно использовать топливо, обладающее свойствами, которые повышают эффективную скорость истечения газа, т. е. обеспечивающее высокие значения отношения удельных теплоемкостей 7, температуры в камере сгора­ния Тс, и низкое значение молекулярного веса М. Баллистиче­ские характеристики также должны отвечать требованиям на­дежности и воспроизводимости параметров функционирования.

Поскольку энергетические характеристики газогенераторов улучшаются с увеличением эффективной скорости истечения газа и ухудшаются с ростом веса конструкции, то имеются предельные конструктивные параметры системы. Проблема оптимизации часто сводится к разработке минимальной по размерам и весу конкретной конструкции, содержащей заряд топлива, продукты сгорания кото­рого совместимы с материалами устройства, куда подается рабочий газ, при работе системы на максимально возможном уровне давле­ния. Возможность разработки удовлетворительной конструкци! зависит от способности конструктора правильно оценить требова ния, продиктованные конкретным назначением газогенератора и достаточно точно определить нагрузки, уровни температурь и т. д., которые будут иметь место в действительных условия^ работы установки.

Первый этап проектирования газогенераторов — определена требований к энергетическим характеристикам и габаритам. Эи требования связаны с условиями работы и должны быть преобразо ваны в оптимальные характеристики конструкции путем анализ? конструктивных и баллистических факторов проекта для достиже ния наиболее приемлемого компромисса между ограничениям! по объему, форме и весу, а также возможностями топлива. Широко« обобщение основных показателей удачных конструкций обычш трудно выполнимо, и поэтому большинство конструкторов считакг необходимым рассматривать разработку каждой конструкции кат отдельную проблему. В большинстве случаев считаются важнъш1 следующие вопросы.

Длина, диаметр и вес обычно определяются тактическим! соображениями и ограничениями устройства, с которым предпола гается использовать газогенератор. Форма камеры сгорания долж на выбираться с учетом характеристик располагаемых топлш и желательного типа конструкции заряда. Неудачный выбо] формы камеры сгорания может значительно усложнить проблемь проектирования заряда. Обычно подбирается минимальная толщи на стенки камеры сгорания, обеспечивающая надежную работу при соответствующих запасах прочности. Основные материаль подбираются исходя из их весовых, объемных и прочностные характеристик. Требуют специального рассмотрения методы креп ления крышек, сопловых блоков, клапанов, предохранительны: устройств, воспламенителя, монтажных элементов, а также способ* фиксации заряда, герметизации, бронирующего покрытия, тер моизоляции и т. д.

При выборе твердого топлива следует иметь в виду, ЧТО ОН( должно отвечать требованиям по температуре и составу продукто] сгорания, которые должны быть химически совместимы с материа лами устройства, куда подается рабочий газ. Температура про дуктов сгорания должна быть максимально допустимой, чтобь обеспечить наибольший к. п. д. установки, но в то же врем) достаточно низкой, чтобы предотвратить повреждение приводимоп в действие устройства. Необходимо также учесть эффекты эрози] и коррозии конструкции истекающими продуктами сгорания.

Рабочее давление большинства газогенераторов должно быт] максимальным для обеспечения лучшего коэффициента истеченш при одновременном удовлетворении конструктивных ограничений

Там, где это возможно, рабочее давление должно быть почти посто­янным на протяжении всего времени горения заряда с тем, чтобы свести к минимуму лишний вес конструкции с учетом выбранных запасов прочности.

74 13 12 Фиг. 5.9. Схема типичного твердотопливного газогенератора. 1 — корпус; 2 — бронирующее покрытие; з — баллиститный порох; 4 — обжимной поясок (уплотнелие); 5 — штуцер для быстросъемной муфты, соединяющей газогенератор с аккумулятором; 6 — основной заряд; 7 — головка с переходником; 8 — керамическая втулка; 9 — пе­реходник; ю — штыри; 11 — термоизоляция; 12 — электрозапал; 13 — передаточный заряд; 14 — мембрана.

Целесообразно выбирать заряды твердого топлива, обеспечи­вающие минимальную зависимость рабочих параметров газогене­ратора от отклонений площади поверхности горения заряда и тем­пературы, обусловленных составом продуктов сгорания и геомет­рическими характеристиками заряда. Часто рекомендуется приме­нять меза-топлива или топлива, имеющие плато в законе скорости горения, которые ослабляют возмущения, возникающие при изме­нении поверхности горения, и характеризуются очень малыми изменениями скорости горения в широком интервале температур. При использовании этих топлив характеристики газогенератора значительно улучшаются в связи с тем, что запас прочности конст­рукции можно ограничить до минимума. На фиг. 5.9 приведена схема типичного твердотопливного газогенератора.

ТРЕБОВАНИЯ, ОБУСЛОВЛЕННЫЕ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ

По мере того как постепенно выявляются характеристики системы в результате анализа рассмотренных выше конструктив­ных параметров, определяющее влияние начинают оказывать усло­вия работы и хранения. Нередко многие перспективные конструк­ции, разработанные на основе номинальных условий по температу­ре, вибрационным нагрузкам, результатам огневых стендовых испытаний и т. д., подвергаются серьезным изменениям или вообще могут быть отвергнуты как не удовлетворяющие требовани­ям, связанным с работой в широком интервале условий окружаю­щей среды. Поэтому при разработке конструкции газогенератора необходимо учитывать все основные воздействия окружающей среды.

Температура. В дополнение к интервалу температур окружаю­щей среды в процессе хранения и запуска летательного аппарата (обычно от —54 до 74° С) приходится также учитывать условия, имеющие место внутри летательного аппарата. Газогенераторы могут работать в непосредственной близости от емкостей, в кото­рых находятся криогенные компоненты, такие, как жидкий водо­род, либо в условиях аэродинамического нагрева гиперзвуковых атмосферных и космических летательных аппаратов. Однако одна и та же конструкция обычно не подвергается воздействию обоих предельных значений температуры. Температура оказывает основ­ное влияние на физические свойства топлива, скорость горения и определяет степень опасности самовоспламенения топлива, а так­же конструкционную прочность всех компонентов. Температура окружающей среды часто накладывает жесткие ограничения на топлива и материалы, которые могли бы быть использованы в газогенераторах.

Вибрация. Газогенератор подвергается значительным вибра­ционным нагрузкам в процессе производства, транспортировки и работы. Если не предусмотрены соответствующие меры при проектировании системы, то эти вибрации могут привести к ката­строфическим последствиям, так как они вызывают ослабление соединений, усталостные повреждения элементов конструкции, ослабление крепления зарядов твердого топлива или же измене­ние расстояния между ними и чаще всего — повреждение самого заряда. По существу каждое топливо представляет собой пластический материал, физические свойства которого оставляют желать много лучшего с прочностной точки зрения, и этот материал особенно подвержен повреждениям при воздействии вибрации.

Влажность. Большинство топлив, элементов конструкции и систем воспламенения газогенераторов на твердом топливе в той или иной степени подвержены воздействию влажности и рас­пыленной соли. Влияние влажности необходимо учитывать не только в течение периода хранения газогенераторов, но также во время производственного цикла, когда характеристики хими­ческих материалов, применяемых в воспламенителях и зарядах топлива, могут значительно измениться. Пагубное влияние влаж­ности известно давно и нашло отражение в поговорке «держи порох сухим».

Ударные нагрузки и перегрузки. Твердые топлива являются пластическими материалами, не обладающими идеальными физи­ко-механическими характеристиками, и весьма подвержены тре — щинообразованию при воздействии ударных нагрузок во время транспортировки или перегрузок в полете. Физические свойства топлива становятся особенно важными в связи с тем, что размер и форма заряда изменяются в процессе воспламенения и горения. Почти всегда приходится предусматривать конструктивные меры компенсации пониженных физико-механических свойств топли­ва, например специальные узлы крепления заряда топлива, регулирование положения заряда в процессе работы двигателя и другие средства, цель которых — свести к минимуму возника­ющие в заряде напряжения.

Пример.

1. Заряд твердого топлива должен генерировать 0,708 м3 газа при давлении 28,03 ати и температуре 538° С в течение 17 сек. Газогенератор работает при давлении в камере сгорания Iіс — 70 ата. Заряд цилиндрической формы бронирован по наружной поверхности и одному торцу и горит по другому горцу. Предложены два топлива, основные параметры кото­рых приведены ниже в таблице. Остальные характеристики считаются удовлетворительными.

Параметр	Топливо Лв 1	Топливо № 2
RB при lic — 70 am, мм/сен	17,8	5,84
Р, г/см3	1,60	1,44
Св, 1/сен	6,62-Ю"3	Съ RfN. О 1 Со
М8	27	21

А. Определить вес, длину п диаметр зарядов из двух указан­ных топлив.

Б. Выяснить, какое топливо наиболее подходит для газогене­ратора.

10

RT(

Топливо № 1.

W — ^4’0^^8-29,03 __ n Ar р~ 848-811 — кг,

Длина заряда L — RBtB~ 17,8-17 = 303 мм, объем заряда Vp = Wp/p — 8,05 • 103/1,60 = 5020 см3,

Площадь поверхности горения

С Vp 5020 .рп 2 L ЗОТЗ СМ ’

Диаметр заряда D = 1,125 У166 = 14,5 см. Топливо № 2.

L —5,84-17 = 99 мм, 6,3-103 1,44 4380

ГЯг 104.21-0,708-29,03 W> = 848Т8ІЇ ^6’3

V р ~ ^гтт— — 4380 сж3,

Слг

441

9,9

Z> = 1,125/Ж = 23,6 см.

Б. Топливо № 1 обеспечивает в данном случае значительно лучшее отношение L/D, позволяет упростить процесс производства и улучшить воспламенение заряда.

2. Время горения заряда газогенератора в задаче 1 увеличено

До 2 мин.

А. Какая должна быть форма зарядов издвух указанных топлив?

Б. Какому топливу следует отдать предпочтение?

А. Топливо № 1.

L ~RBtB —17,8-120 =2140 мм,

С Vv 5020 OQ с 2

5=-&- = й4=23’5 “ ’

D = 1,125 ]^23,5 = 5,45 см.

Топливо № 2.

L = 5,84-120 = 700 мм, s=4380 = 62i5 смі>

D = 1,125/62^5 = 8,9 см.

Б. Топливо № 2 обеспечивает в данном случае более приемлемое отношение L/D, и этому топливу следует отдать предпочтение.

3. Определить площадь критического сечения сопла для рас­смотренных конструкций зарядов.

Основные уравнения для расчета следующие:

Ат = 7г4~ и тув=-г±.

СпРс ь ъв

Объединяя эти уравнения, получим

Ап

СпРс^в Для топлива № 1

При времени горения 17 сек

10,2 см2,

А*- 8’05

Т "" 6,62-Ю-з. 70-17 ‘ при времени горения 120 сек

Ат 6,62-10-3.70.120 0Д45 СМ2.

Для топлива № 2

При времени горения 17 сек

= 7,64-10-3.70-17 =6,95 СМ*, при времени горения 120 сек

А’Г = 7,64-Ю-з.70-120 = см%’

4. Предлагается использовать топливо № 1 для газогенератора с выходной мощностью 25 л. с. при времени работы 12 сек. Кроме представленных выше данных, температура продуктов сгорания этого топлива Тс = 2600° К и отношение удельных теплоемкостей у = 1,22. Давление в камере сгорания по-преж­нему равно 70 атпа, и газы истекают в большой объем, где давление равно б атпи.

А. Определить вес заряда.

Б. Определить размеры заряда цилиндрической формы, а. Воспользуемся уравнениями (5.47) и (5.49):

75

1,22 / 848-2600 Г. /7 (0,22/1,22)-

/ 848-2600 Г, /7 (0,22/1,22)“і

0,22 ^8 = ’ШШ== °’0122 кг^сек-

С—27—) Ь1 —(то) ] = 154000 м,

Используя табл. 5.3, получаем

N оМ 25 • 27 Wg ^ ^ 2600 — 21,16 = 0,0123 кг! сек,

Wp = WgtB = 0,0123-12 = 0,148 кг.

L = RBtB ~ 17,8-12 = 214 мм,

I 0Д48-103 ■ оо,

L pL 1,60-21,4 ’ ’

D= 1,125/4,33 = 2,34 еле.

5. Определить площадь критического сечения сопла для рас­смотренного газогенератора.

. wg 0,0123-103

С£,Рс ~ 6,62-70 0,0265 см.

Диаметр критического сечения равен 1,83 мм. По-видимому,

Для сверления сопла можно использовать сверло диаметром 1,8 мм.