СИСТЕМЫ ВОСПЛАМЕНЕНИЯ РАКЕТНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА

Крамер Ф. (Frank В. Cramer)

Первоначально методы воспламенения ракетных двигателей твердого топлива были заимствованы из артиллерии. Появление к концу второй мировой войны ракетных двигателей с высокими энергетическими характеристиками привело к заметному измене­нию геометрических параметров зарядов, большему разнообразию типов топлив, условий их использования и меньшему отклонению от номинала рабочих характеристик.

Воспламенение в РДТТ представляет собой совокупность последовательных процессов, протекающих за очень короткий период времени. Эти процессы обычно начинаются с подачи электрического импульса на воспламенитель. Энергия этого импульса воспринимается инициирующим зарядом. Затем воспла­меняется передаточный заряд, который в свою очередь воспламе­няет основной заряд воспламенителя. Энергия, выделяемая при горении основного заряда воспламенителя, является источником воспламенения заряда твердого топлива двигателя, обеспечивает быстрое распространение пламени по поверхности заряда и влияет на рост давления в камере сгорания при запуске двигателя. После распространения пламени по всей поверхности заряда и достиже­ния номинального расчетного давления в камере сгорания про­цесс воспламенения считается завершенным.

Выход на режим большого двигателя может происходить в течение нескольких сотен миллисекунд. Во многих ракетных системах допустимый период выхода на рабочий режим составляет лишь несколько миллисекунд, что определяется назначением двигателя. Кроме требований, предъявляемых к периоду выхода двигателя на режим и величине энергии воспламенения, часто задается максимальный уровень перегрузок, которые не вызы­вают разрушения или заметной деформации заряда и корпуса ракетного двигателя. Кроме того, как и для других бортовых систем, задаются ограничения по весу системы воспламенения.

В этой главе будут рассмотрены требования к системам вос­пламенения различных РДТТ и описаны разные типы воспламе­нителей с анализом их преимуществ и недостатков.

ВОСПЛАМЕНЕНИЕ ТВЕРДЫХ ТОПЛИВ

Воспламенением можно назвать такой процесс, при котором происходит локальное выделение тепла за счет экзотермической реакции в количестве, достаточном, чтобы тепловыделение превы­шало потери энергии в окружающую среду. В настоящее время принято считан., что при стационарном горении твердого топлива ос но иное количество тепла выделяется Т) результате реакций, происходящих ь газошні фазе. Воспламенение частично связано с геми начальными экзотермическими реакциями, которые ком­пенсируют потери тепла в окружающую среду и, таким образом, приводят к увеличению локальной температурі, і, а следовательно, к ускорению этих реакций до состояния установившегося горения. Условия, при которых происходит это явление и случае смесевых твердых топлив, пока еще не установлены. Если принять, что процессы, протекающие в конденсированной фазе, определяют реакции воспламенения, то следует считать, что в этой фазе про­исходят экзотермические реакции с большими скоростями тепло­выделения, чем теплопотерь. Хикс разработал наиболее полную математическую модель процесса воспламенения, обусловленного экзотермическими реакциями в конденсированной фазе. Его метод основан на работах Д. А. Франк-Каменецкого и других исследова­телей проблемы теплового взрыва.

Пока еще не выяснен вопрос, могут ли протекать такие реакции со скоростью, необходимой для воспламенения заряда РДТТ, или артиллерийских зарядов, тем не менее обычно принимается, что в случае топлив на основе нитратов подобные экзотер­мические реакции происходят в конденсированной фазе и могут играть определяющую роль в процессе воспламенения. Это было обнаружено во время исследований процесса медленного само­воспламенения при изучении стабильности горения топлив такого тина.

Предположение о том, что подобные реакции могут играть определяющую роль при воспламенении обычных смесевых топлив па основе перхлората аммония, отвергается большинством иссле­дователей. Обычно принимается, что экзотермическим реакциям разложения должна предшествовать эндотермическая сублимация перхлората аммония.

Мнение большинства исследователей процесса воспламенения твердых топлив сводится к тому, что критические экзотермические реакции, приводящие к развитию процесса воспламенения, про­исходят либо в газовой фазе непосредственно у поверхности твердого топлива, либо на границе раздела газовой и конденси­рованной фаз. Согласно имеющимся экспериментальным дан­ным, период задержки воспламенения зависит от плотности

7—1088

Теплового потока, состава газов у поверхности топлива, давления газа над поверхностью топлива и скорости газового потока у поверхности топлива. Действительный период задержки вос­пламенения в значительной степени зависит от времени, необхо­димого для повышения температуры поверхности топлива. Тепло­вой поток, поступающий к поверхности топлива, не только обеспе­чивает прогрев поверхностного слоя топлива, но и компенси­рует теплопередачу внутрь топлива, а также эндотермические реакции разложения его компонентов в газовой фазе, протекаю­щие с большим поглощением тепла. Согласно газофазной теории воспламенения, поверхность топлива должна прогреться до такой температуры, при которой скорость газификации допу­скает возникновение самоподдерживающейся экзотермической реакции, обеспечивающей стационарное горение топлива. Соглас­но теории воспламенения, основанной на предположении об определяющей роли реакций на поверхности топлива, температу­ра поверхности элементов горючего должна достичь такого уровня, при котором реакции с газообразным окислителем происходят со скоростью, обеспечивающей преобладающую роль тепловыде­ления над теплопотерями.

При экспериментальном определении энергии воспламенения используются два метода: метод нагрева образцов топлива излу­чением и метод нагрева горячим газом. Для исследования воспла­менения образцов топлива при сравнительно невысоких тепло пых потоках их помещали в трубчатую печь; для получения более высоких тепловых потоков использовали дуговые отражательные печи. Метод нагрева горячим газом применялся для случаев непод­вижной атмосферы и обдува потоком со скоростью до М —- 0,5. Исследования второго типа выполнялись в ударных трубах и модельных двигателях с прозрачной камерой на инертных газах, газообразных окислителях и реальных продуктах сгорания топлии.

Для большинства твердых топлив минимальная энергия вос­пламенения составляет от 2 до 10 кал! см2. Если требуется суще­ственно сократить период задержки воспламенения, то необходи­мы тепловые потоки порядка 50—200 кал/см2- сек. Например, для воспламенения топлива с минимальной энергией воспламе­нения, равной 5 кал/см2, при данных условиях в течение 10 мсек может потребоваться тепловой поток 200 кал! см2 ■ сек. Обычно если давление превышает атмосферное, то оно оказывает относи­тельно небольшое влияние на минимальную энергию воспламе­нения топлива, но при давлении ниже атмосферного минимальная энергия воспламенения существенно повышается. Если конвек­ция нагретого газа является основным способом переноса тепла к поверхности топлива, давление окружающей среды оказывает значительное влияние на период задержки воспламенения.

ВОСПЛАМЕНЕНИЕ В РАКЕТНОМ ДВИГАТЕЛЕ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА

В ракетном двигателе твердого топлива под периодом воспла­менения понимается не просто отрезок времени, необходимый для нагревания топливного заряда до температуры воспламенения топлива, а полный период времени между моментом подачи сиг­нала на воспламенитель и моментом, когда внутрибаллистические параметры двигателя достигают заданного уровня. В качестве таких параметров часто произвольно задают давление в камере сгорания или уровень тяги, соответствующий 75% номинального значения. Полное время воспламенения суммируется из затрат времени на срабатывание воспламенителя, передачу энергии от продуктов сгорания к поверхности заряда в количестве, доста­точном для воспламенения топлива, распространения пламени но поверхности заряда и повышения давления в камере сгорания РДТТ до расчетного рабочего уровня.

Очень трудно на основе измеряемых обычными методами пара­метров выделить отдельные стадии процесса воспламенения. Относительная продолжительность каждой из этих стадий должна быть установлена с помощью высокочастотных измерений давле­ния в камере двигателя. Период времени от подачи сигнала на электрозапал до первого пика давления обычно определяется как время срабатывания воспламенителя; некоторое время спустя начинается воспламенение поверхности топлива. Анализ изме­нения наклона кривой давления в функции времени необходимо проводить с учетом образования и расхода продуктов сгорания воспламенителя, а также относительной скорости распростра­нения пламени по поверхности заряда. Распространение пламени по поверхности заряда определяется главным образом массовой скоростью потока газов, генерированных воспламенителем, и про­дуктов сгорания уже воспламенившейся части заряда.

ХАРАКТЕРИСТИКИ ВОСПЛАМЕНИТЕЛЯ

В этом разделе рассматриваются типичные конструктивные элементы и пиротехнические смеси, которые используются в вос­пламенителях. Приведено описание применявшихся ранее кон­струкций и современных воспламенителей.

ОСНОВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ВОСПЛАМЕНИТЕЛЯ

Во всех воспламенителях используется запал, который пре­образует начальный сигнал (электрический, механический или тепловой) в первичный импульс горения или детонации, после

7*

Чего процесс распространяется по всем элементам воспламенителя, а затем начинается воспламенение топливного заряда. В подав­ляющем большинстве воспламенителей РДТТ используется элек­трический сигнал, который создает начальный тепловой импульс, инициирующий реакцию горения некоторых типов чувствитель­ных пиротехнических смесей.

Электрические запалы для воспламенителей могут быть двух основных типов: пироэлектрозапалы и пиропатроны. Оба типа запалов состоят из одинаковых основных элементов, однако отличаются по конструкции и областям применения.

Электрическая схсма

СИСТЕМЫ ВОСПЛАМЕНЕНИЯ РАКЕТНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА

Ф и г. 3.1. Электрозапал МК-2.

1 — позолоченный металлический корпус; 2 — уста­новочная втулка; 3 — инициирующая смесь; 4 — пере­даточный заряд; о — основной наряд; 6 — мостик нака­ливания; 7 — выводные концы.’

Примечание. Все размеры даны в миллиметрах.

Пироэлектрозапалы широко используются вследствие их доступности и дешевизны. Типичный пироэлектрозапал состоит из каучуковой или пластмассовой втулки с проводниками (изго­товленной заливкой массы в форму с находящимися в ней про­водниками) и тонкой металлической или пластмассовой оболочки, содержащей химически активные компоненты (фиг. 3.1). Эго устройство обычно помещается в массе передаточного заряда из порошкообразной или таблетированной смеси, обеспечивающего усиление форса пламени воспламенителя. Такие электрозапалы использовались в первых тинах конструкций воспламенителей (в виде мешочков, коробок, пластмассовых оболочек или руло­нов) (фиг. 3.2).

Пиропатрон непосредственно ввертывается в корпус воспла­менителя, обеспечивая надежную герметизацию. Обычно он состоит из оболочки (нержавеющая сталь) с электродом, проходя­щим через уплотнение из материала с хорошими диэлектрическими свойствами (плавленое стекло или керамика). Запал такого типа обеспечивает надежную герметизацию при высоких давлениях; его часто размещают в воспламенителе или ракетном двигателе
таким образом, чтобы его можно было легко удалить при демон­таже или замене. Конструкция типичного пиропатрона показана на фиг. 3.3.

К выпускаемым фирмами электрозапалам обычно прилагается паспорт с указанием времени действия, допустимых диапазонов

СИСТЕМЫ ВОСПЛАМЕНЕНИЯ РАКЕТНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА

Фиг. 3.2. Коробочный воспламенитель.

1 — заряд воспчамепитчутн; 2 — корпус; 3 — электрозапал; 4 — гай­ка; 5 — закатка; б — короткая втулка; 7 — крышка; 8 — отГюр — топка; 9 — заглушка; 10 — Ьоиа воздействия давления.

СИСТЕМЫ ВОСПЛАМЕНЕНИЯ РАКЕТНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ТВЕРДОГО ТОПЛИВАТемператур и давлений, в которых они нормально функционируют, давлении, создаваемом в замкнутом пространстве, надежности и указываются два уровня энергии, обеспечивающие 100°/о-ное

Ф и г. 3.3. Пиропатрон с двумя мостиками накаливания п одним электродом.

Рабатывание запалов и 100%-ный отказ. Электрический сигнал обычно преобразуется в тепловой импульс с помощью одной из пяти систем: мостика накаливания (проволочного), графитового мостика, токопроводящей смеси, взрывающегося мостика и раз­рядного промежутка. Благодаря простоте конструкции мостик
накаливания используется чаще всего. При выборе мостика накаливания необходимо принимать во внимание совместимость материала проволоки с компонентами пиротехнической смеси, величину подводимой энергии и температуру инициирования. Диаметры мостика накаливания могут быть равными от 0,025 до 0,1 мм. Проволочки изготавливаются обычно из нихрома, нихрома V, сплавов платины с иридием, платины с родием, а также различных хромоникелевых сплавов. При прохождении тока температура проволочки повышается и тепло передается окружающей смеси, повышая ее температуру до температуры воспламенения. Если теплопотери мостика накаливания в окружа- жающую среду становятся равными притоку энергии к нему до достижения температуры воспламенения, то запал не срабаты­вает. Поскольку теплоотдача в окружающую среду является функцией времени, то при более быстром выделении энергии в мостике накаливания требуется меньшее количество энергии для обеспечения 100%-ного срабатывания воспламенителя при данных параметрах его конструкции.

При умейьшении скорости поступления энергии в запал воз­растают теплопотери мостика накаливания, и если не использо­вать кратковременных! импульс с большой амплитудой, то очень трудно обеспечить необходимое соотношение между массой и под­водимым теплом в соответствии с основным уравнением энергии. Даже в тех случаях, когда энергия подается на мостик в течение 5 мсек, ее потери составляют более 2/3. Если не применяется пиковая подача энергии, например, с помощью разрядного кон­денсатора, то обычно при проектировании пользуются величиной подводимой энергии на единицу поверхности мостика накалива­ния. Необходимо обеспечить такую удельную энергию, при кото­рой мостик накаливания сможет функционировать. Если задана сила тока на входе, то удельную энергию можно увеличить путем уменьшения размера проволочки или повышения ее удельного

Сопротивления. Если задано напряжение на входе, то удельную

Энергию можно увеличить либо путем увеличения диаметра про­волочки, либо путем уменьшения ее длины или удельного сопро­тивления. Используется следующее уравнение для удельной энергии:

IV ПК Е*лБ..

А 2,47£>з — 4^2 » (^-1;

Где И’7’ — мощность, вт; А — площадь, см2 I — сила тока, а; К — удельное сопротивление, ом-см; О — диаметр, см; Е —

Э. д. с., в; I — длина, см.

Если энергия поступает на запал с очень высокой скоростью, например осуществляется пиковая подача энергии с большой амплитудои и течение короткого периода времени, то можно воспользоваться основным уравнением энергии для получения соотношения между подводимой мощностью и размерами системы:

Д5П ‘^=Дг = ^7′ <3-2)1)

Где АТ — прирост температуры, °С; Ь — падение температуры, °С; (2 — тепловой эффект, кал", М — вес, г; Ср — удельная теплоем­кость материала проволоки, кал/г — град’, С — емкость, ф; о — удельный вес материала проволоки, г/см3; t — время, сек.

При проектировании системы с мостиком накаливания и обес­печении ее надежности следует иметь в виду, что даже незначи­тельные дефекты могут привести к серьезным последствиям. Разрыв мостика легко обнаруживается по разрыву цепи. Однако перекручивание проводника или мельчайшие дефекты, не заме­ченные при контроле, могут вызвать изменение рабочих харак­теристик.

Мостик из углерода или графита образуется путем нанесения полоски суспензии коллоидного графита в летучем растворителе на изолированную поверхность между двумя электрическими проводниками. Такой элемент может работать при очень низком уровне энергии. Так, например, для инициирования свинцовой соли стифниновой кислоты достаточно энергии 10 эрг. Чрезвы­чайно высокая чувствительность требует строжайшего соблюде­ния правил техники безопасности, которые надо учитывать при проектировании системы. Высокая чувствительность является результатом обратной зависимости удельного сопротивления углерода от температуры. Благодаря использованию подобного мостика накаливания нагреваемая масса уменьшается до мини­мума, сопротивление мостика в процессе его нагрева снижается а сила тока возрастает. Вследствие этого температура воспламе­нения достигается при очень малых уровнях подводимой энер­гии. Вместе с тем проектирование такой системы с обеспечением эффективного контроля условий, при которых запалы не сраба­тывают, представляет значительную трудность.

Можно сделать электропроводным инициирующий заряд путем использования смеси коллоидного углерода с взрывчатым веществом. В таком случае заряд одновременно выполняет функ­ции подогревателя, а путь прохождения тока определяется фор­мой заряда. Для надежного инициирования таких систем обычно требуется сила тока, равная по крайней мере 2 а. При использова­нии углеродного мостика и электропроводной горючей смеси

Х) Формула справедлива при (НО)2 = . — Прим. перев.

4

Отпадает потребность в операций сварки или пайки мостика нака­ливания, что является преимуществом этих систем.

В связи с разработкой в последние годы устройств с взрываю­щимися мостиками были созданы высоковольтные электроза­палы, относительно нечувствительные к блуждающим низковольт­ным токам, которые могут возникнуть в зоне крупных ракет или снарядов. Типичные характеристики таких систем:

100% — ное срабатывание 100%-ный отказ

Напряжение 36 в постоянного тока

Напряжение 114 в постоянного тока Напряжение 250 в постоянного тока Напряжение 500 в постоянного тока Напряжение 9000 в постоянного тока

Напряжение постоянного тока 2000 в мф Короткое замыкание электродов или заземление одного электрода Источник с полным сопротивле­нием ОД О. Ч Источник с силой тока 20 а Источник с силой тока 30 а Источник 1 мф>

Источник 500 мкф

Система с взрывающимся мостиком работает по принципу испарения мостика с образованием плазмы для инициирования относительно малочувствительного вещества запального устрой­ства. Такие системы, очевидно, гораздо безопаснее, чем системы, срабатывающие при подводе энергии в несколько эргов.

ИНИЦИИРУЮЩИЕ ЗАРЯДЫ

Размещенные в непосредственном контакте с мостиком накали­вания высокоэнергетические и чувствительные к тепловым воз­действиям смеси быстро и надежно воспламеняются при воздей­ствии инициирующего импульса. Для инициирующего заряда обычно используются свинцовая соль стифниновой кислоты. азид свинца, моионмтрорезорцннат свинца, тетразен, гремучая ртуть диазодшштрофенол, черный порох и пиротехнические смеси, содер­жащие цирконий и окислитель (табл. 3.1).

Разработан ряд методов изготовления зарядов из этих смесей с заключенным в них мостиком накаливания.

Бисерный метод. Короткими мазками кисточки на мостик нанизывается бисерообразная капелька из приготовленной ил нитроцеллюлозном лаке пастообразной пиротехнической смеси. Таким методом трудно обеспечить постоянные размеры капель и высокую плотность пиротехнического инициирующего заряда.

Метод заливки. Полость, где находится мостик накаливания, заполняется жидкой пастой аналогичного состава, что и в пре­дыдущем случае. Важно, чтобы смесь полностью высохла перед

Таблица 3.1

Компонент № 1

Компонент № 2

Компонент № ,4

Со-

Со-

Со-

Дер-

Дер-

Дер-

Вещество

Жа — ние,

%

Вещество

Жа-

Ние,

О/

/0

Вещество

Жа-

Ние,

О/

Черный порох

100

1

33 4

33-1

Тетраннтрат пен-

331

Цирконий

Ва(гю3)2

Таоритрита

О

О

О

(ТЭИ)

Гранулированный

50

Свинцовая соль

25

КСЛОз

25

Бездымный по­

Рох

Диазодинитрофе-

20

Древесный уголь

15

КСЮз

(10

Нол

РЬ^С^’Ь

32

Древесный уголь

18

КСЮ3

40

Бор

25

КЖ)3

75

Черный порох ‘)

Цирконий *)

М1*СЮ41)

Бор

25

КСЮ3

75

Цирконий

10

Алюмнннй

40

Ва(М03)2

50

Бор

10

ВаСг04

90

КЖ)3

36

РИ-^ОК}

31

Цирконий

30

РЬ(8С|)о

32

К С] 0;1

40

Древесный

Уголь

18

‘) IГ|)(|цеитм1,|й состлп по укагыи.

Герметизацией. Следует соблюдать меры предосторожности но избежание повреждения мостика.

Метод засыпки порошка. Порошкообразная пиротехническая смесь просто засыпается в полость, где находится нагреватель — ный элемент. Этот метод не обеспечивает тесного контакта между нагревательным элементом и веществом заряда.

Прессование. Прессование зарядов из порошка под давлением ЗГ)0—1400 ат обеспечивает тесный контакт пиротехнической смеси с нагревательным элементом. Мостик накаливания должен иметь плоскую поверхность, опирающуюся на изолированное основание, чтобы выдержать высокие нагрузки при изготовлении. Метод прессования зарядов обеспечивает точный их контроль и высокую плотность зарялчпиия. Поскольку мостик накаливания находится в контакте с изолятором, теплопотери этой системы выше, чем в тех случаях, когда проволока со всех сторон окружена инициирующей смесыо.

ВОСПЛАМЕНИТЕЛЬНЫЕ СМЕСИ

Пиротехнические смеси, из которых изготавливается основной заряд воспламенителя, являются главным источником энергии воспламенения заряда ракетного топлива, начального повышения давления в камере сгорания и потока газов, от которого зависит скорость распространения пламени по поверхности заряда ракетного топлива.

Инициирующий импульс воспламенителя создается непосред­ственно одним зарядом или набором пиротехнических зарядов. Такие заряды могут быть самых разных размеров и весить от нескольких миллиграммов (вес бусинки на мостике накаливания) до нескольких килограммов (основной заряд воспламенителя в экспериментальных крупных РДТТ).

Воспламенительные смеси можно классифицировать в соот­ветствии с их назначением в блоке воспламенителя, геометриче­ской формой элементов или частиц и химическим составом.

Химические и физические свойства многих смесей создают определенные ограничения на форму и размеры изготовляемых из них зарядов. В общем случае любой состав можно использо — вать в виде порошка, гранул, таблеток или прессованных зарядов. Благодаря этому для каждого конкретного состава имеется воз­можность выбора в широком диапазоне характеристик: энергии, скорости горения, скорости тепловыделения и других параметров.

Порошки или гранулы используются в тех случаях, когда требуется быстрое выделение энергии и распространение пламени. В виде порошков и гранул изготавливаются основные заряды системы воспламенения небольших тактических ракет или пере­даточные заряды более крупных систем воспламенения, пред­назначенные для передачи теплового импульса от запала к основ­ному заряду из таблеток или прессованных шашек. В целом можно наблюдать тенденцию к отказу от основных зарядов воспламени­теля в виде порошков или гранул вследствие слишком быстрого

Таблица 3.2

Металл

Окислитель

Металл

Окислитель

Алюминий

Хромат бария

Магний

Нитрат калия

Алюминий

Перхлорат калия

Магиий

Перхлорат калия

Бор

Хромат бария

Магний

Тефлон

Бор

Нитрат калия

Титан

Перхлорат калия

Бор

Перхлорат калия

Цирконий

Перхлорат калия

Магний

Нитрат бария

Повышения давления и бризантного действия. Чаще всего исполь­зуется черный порох и смеси металла с окислителями. В табл. 3.2 представлены типичные компоненты смесей, содержащих металл и окислитель.

Основные заряды воспламенителей среднего и крупного раз­меров часто изготавливаются в виде прессованных таблеток. Небольшие таблетки включаются в передаточные заряды круп-

СИСТЕМЫ ВОСПЛАМЕНЕНИЯ РАКЕТНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА

Н

Ф и г. 3.4. Типичные размеры двояковыпуклых таблеток пиротехнической смеси.

Тип

0 А, мм

В, мм

С, мм

1{, .К. Н

I

9,5

3,05

1,17

11,7

11

0,5

3,80

2,80

22,0

III

9,5

1,78

0,76

22,0

IV

9,5

2,90

1,02

11,7

V

0,35

2,54

0,51

5,45

VI

9,5

2,54

0,51

11,7

1шх воспламенителей, благодаря чему обеспечивается удоб­ный контроль геометрических характеристик, а следовательно, и характеристик горения. Диаметр таблеток составляет обычно

В,35 и 9,5 мм (фиг. 3.4). Для воспламенителей очень крупных РДТТ применялись таблетки диаметром до 76,2 мм.

Варьируя размеры и форму заряда при проектировании вос­пламенителя, можно обеспечить требуемые величины потоков энергии и массы, а также времени работы. В табл. 3.3 приведены типичные комбинации компонентов смесей металлов и окислите­лей, из которых изготавливают таблетки, и теплоты их сго­рания.

Таблица 3.3

Металл

Окислитель

Теплота

Сгорания,

Кал/г

Бор

ВаСг04

200—300

Бор

РЬСг04

400—500

Бор — алюминий

РЪСг04

500—600

Сплав циркония и никеля

КСЮ4, Ba(N03)2

1000—1100

Бор

Ba(N03)2

1300—1400

Бор

KN03

1450—1550

Сплав циркония, никеля, бора

КС104

1500—1600

И алюминия

Алюминий

КСЮ4

2300—2500

Скорость тепловыделения и массоприхода зависит в основном от состава, размера таблеток, их формы и плотности. Другие влияющие факторы связаны с процессами производства пирогех нических смесей. К ним относятся смазки, связующие компо­ненты, растворители, размер частиц и химическая активность компонентов.

В последнее время в связи с разработкой очень больших воспла­менителей для современных крупных РДТТ наметилась тенден­ция к изготовлению воспламенителя в виде топливных зарядов, применяемых в ракетных двигателях. При использовании обычных пиротехнических смесей в состав вводится минимальное количе­ство связующего для обеспечения необходимых механических характеристик. Нередко обычные пиротехнические смеси заме­няются смесевыми твердыми топливами. Такие крупногабарит­ные воспламенители представляют, по сути дела, небольшие РДТТ.

Обычные смесевые твердые топлива, разработанные для РДТТ, по своим виутрибаллистическим характеристикам превосходят большинство даже лучших пиротехнических смесей. По птой причине многие специалисты по проектированию воспламените­лей считают, что расчетные баллистические характеристики легче обеспечить путем изготовления основного заряда разрабатывае­мого воспламенителя из смесевого твердого топлива. Тем не менее следует иметь в виду, что характеристики теплоотдачи про­дуктов сгорания многих пиротехнических смесей значительно лучше, чем у большинства ракетных топлив. Таким образом, для обеспечения повышенной надежности, по-видимому, следует тщательно исследовать баллистические свойства пиротехнических смесей, разработанных для воспламенителей.

ТИПЫ ВОСПЛАМЕНИТЕЛЕЙ

Самым простым и элементарным воспламенителем является небольшой мешочек или легкая картонная коробка с навеской черного пороха. В середину порохового наряда помещен электро­запал. Таким образом, при минимальных затратах времени и средств можно создать систему, которая считается эффективной для небольших ракетных двигателей без жестких требований к пусковым характеристикам. Вместе с тем имеются строгие ограничения по обращению с подобными системами в полевых’ условиях и но их стабильности при храпении. Вследствие край­ней простоты изготовления и дешевизны подобные воспламени­тели продолжают использоваться п условиях: лабораторных

Экспериментов.

Гораздо совершеннее воспламенители коробочного типа с более постоянными характеристиками, фиксированным положе­нием при установке и стабильностью при хранении (по сравне­нию с воспламенителем меточного типа); в то же время они почти столь же просты и дешевы. Коробки обычно заполняются черным порохом или смесыо черного пороха и магния. В качество иниции­рующего элемента используются электрозапалы, которые нередко дублируются для обеспечения надежности при воспламенении. Торцовая крышка воспламенителя обычно герметизируется путем соединения закаткой, однако нередко применяются раз­рывные или срываемые ободки в центральной части стенки короб­ки. Заглушка обычно выбрасывается или разрывается при доста­точно низком постоянном давлении, обеспечивая равномерную но дачу тепловой энергии к заряду топлива. Типичный коробоч­ный воспламенитель представлен на фиг. 3.2.

В 1940—1952 гг. было разработано несколько небольших ракет для стрельбы с самолета и для стрельбы с земли по самолету. Для обеспечения управления пуском таких ракет требовалось очень быстрое воспламенение заряда. Эта проблема была разрешена благодаря разработке воспламенителя, который может разме­щаться непосредственно в канале заряда ракетного двигателя и закладывается туда через сопло непосредственно перед уста­новкой сопловой герметизирующей заглушки. Воспламенители изготовляются путем напыления равномерного покрытия из пиро­технической смеси, содержащей металл и окислитель, на легкий прямоугольный пластиковый лист, который затем свертывается в рулон. В центре рулона устанавливается один или несколько запалов, после чего рулон плотно обертывается в нескольких местах лентой. Это устройство получило название рулонного вос­пламенителя. Такая конструкция воспламенителя позволяет ■заполнить переднее днище РДТТ топливом и обеспечить макси­
мальный коэффициент заполнения камеры сгорания топливом, что является несомненным преимуществом такой системы. Вос­пламенитель закладывается в канал заряда через сопловый блок и может удерживаться на месте сопловой заглушкой. Кроме того, как уже указывалось выше, такая конструкция обычно

СИСТЕМЫ ВОСПЛАМЕНЕНИЯ РАКЕТНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ТВЕРДОГО ТОПЛИВАОбеспечивает очень быст — ./ рое воспламенение заряда

РДТТ. Основные недостат­ки системы воспламенения этого типа — ее бризант­ные свойства и ограни­ченные возможности кон­троля.

Разработка более круп­ных РДТТ и разнообразие составов твердого топлива потребовала ужесточения контроля уровня началь­ной энергии, расхода газов и нередко увеличения про­должительности работы воспламенителя. Первым основным шагом в этом

Фиг. 3.5. Типичные воспла­менители корзиночного тина.

1 — запал; 2 — проволочная кор­зинка; 3 — таблетки воспламени­тельной смеси диаметром 0,35 лии; 4 — трубка запала; 5 — гранули­рованная смесь; б — корпус; 7 — переходник; 8 — запал;

9 — таблетки воспламенительной смесп; 10 —корзинка.

Направлении явилась разработка таблеток пиротехнической смеси. В связи с этим потребовались корпуса воспламенителей другой формы, обеспечивающие более эффективное использование таблетированной воспламенительной смеси по сравнению с короб­ками для порошкообразных смесей или гранул. Новые воспла­менители имеют корпус в форме корзинки. Этот тип воспла­менителя за прошедшие несколько лет стал одним из широко распространенных в РДТТ (фиг. 3.5).

Такой воспламенитель состоит из запала, передаточного заряда и основного заряда, который размещается в проволочной корзин-

Т

Ке, выступающей в передний торец канала топливного заряда. Обычно на корзинку надета герметизирующая пластиковая пленка, которая служит для предохранения заряда от влаги при хранении и монтажных работах, а также для обеспечения начального повы­шения давления и, следовательно, ускорения воспламенения основного заряда в корзинке. Воспламенители корзиночного типа имеют различные размеры в зависимости от размеров основного заряда, вес которого колеблется от 0,03 до 0,50 кг и более.

Более активное регулирование расходных характеристик вос­пламенителя, особенно на ранней стадии его работы, можно обеспечить путем его размещения в полузамкнутом объеме с задан­ной ограниченной площадью проходных сечений у выпускных отверстий, варьируя которую можно изменить условия горения заряда воспламенителя. Для этой цели использовались вначале перфорированные трубки, а дальнейшее развитие этого принципа привело к разработке проектов больших воспламенителей для крупных РДТТ, которые представляют собой небольшие ракетные двигатели, а их внутрибаллистические характеристики по суще­ству не зависят от окружающих условий в камере РДТТ. Такие системы начали широко использоваться в крупных РДТТ, а так­же и условиях затрудненного воспламенения на больших высотах. В тех случаях, когда начальный диаметр канала заряда мал, применение воспламенителя с трубчатым перфорированным кор­пусом позволяет ограничить проходное сечение отверстий для продуктов сгорания и обеспечить сравнительно большой вес заряда воспламенителя. Такие системы имеют отношение длины к диаметру до 30 в зависимости от диаметра канала заряда и потреб­ного массового расхода основного заряда воспламенителя. Эти вос­пламенители часто содержат передаточный заряд в виде порошка или мелких гранул и центральную пламераспределительную трубку для обеспечения быстрого распространения пламени по всей длине воспламенителя. Основной заряд обычно состоит из таблеток состава «Алкло» или бора в смеси с нитратом калия (фиг. 3.6).

Дальнейшее совершенствование конструкции воспламенителя связано с созданием критического отношения давлений между камерой сгорания воспламенителя и каналом заряда на протяже­нии всего периода работы воспламенителя. В результате горение пиротехнической смеси происходит в среде, параметры которой совершенно не зависят от параметров в камере сгорания ракет­ного двигателя. Так, например, если расчетное давление в ракет­ном двигателе составляет около 70 ат, то расчетное давление в камере сгорания воспламенителя должно несколько превышать 140 ат. Независимость давления в камере сгорания воспламени­теля от давления в камере крупного РДТТ в процессе воспла­менения иллюстрируется графиком на фиг. 3.7. Использование

СИСТЕМЫ ВОСПЛАМЕНЕНИЯ РАКЕТНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА

СИСТЕМЫ ВОСПЛАМЕНЕНИЯ РАКЕТНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА

Ф и г. 3.6. Воспламенители с трубчатым перфорированным корпусом.

1 — запал; 2 — таблетки воспламенительной смеси ЛІ 2А; з — таблетки;

4 — перфорированная стальная трубка с герметизирующим пластиковым покрытием; .5 — пламерасиределительная трубка; б — корпус; 7 — кольце­вое уплотнение; 8 — уплотнение; 9 — таблетки диаметром 6,35 мм, толщи­ной 2,54 мм ю — перфорированная трубка с герметизирующим пластиковым покрытием; 11 — втулка; 12 — вкладыш; 13 — корпус.

О

§

Ж

55 Й § 5 § § ? £ СЗ О * £ со £3

/25

— 100

75

С:

О

О

50

25

Со

Ч;

53

3

Г

Та а о к

£ Ч

Та §

На 0; £ С С

СО

150

 

СИСТЕМЫ ВОСПЛАМЕНЕНИЯ РАКЕТНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА
СИСТЕМЫ ВОСПЛАМЕНЕНИЯ РАКЕТНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА

СИСТЕМЫ ВОСПЛАМЕНЕНИЯ РАКЕТНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА

Время, сек

Ф и г. 3.7. Давление в камере сгорания крупного РДТТ и в камере воспла­менителя пнрогенного типа.

1 — давление у переднего днища двигателя; 2 — давление в камере пирогеииого

Воспламенителя.

Этого принципа дает большие преимущества при проектировании систем воспламенения, поскольку отработка их внутренней бал­листики и оценка характеристик могут производиться независимо от работы ракетного двигателя. Воспламенители этого типа иног­да имеют вид перфорированной трубки, в которой суммарная

СИСТЕМЫ ВОСПЛАМЕНЕНИЯ РАКЕТНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА

Ф п г. 3.8. Воспламенитель иирогенного типа.

1 ►— таблетки передаточного заряда; 2 — заряд топлива; 3 — разрывная диафрагма; 4 — электрозапал.

Площадь отверстий достаточно мала по сравнению с площадью поверхности горения таблеток воспламенителя, так что обеспечи­вается критический перепад давления на всех стадиях работы. В общем случае воспламенители данного типа по внешнему виду

1

СИСТЕМЫ ВОСПЛАМЕНЕНИЯ РАКЕТНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА

Ф и г. 3.9. Воспламенитель «Алклоджет».

1 — пррочодпш;; 2 — — инициирующий заряд; з — электрозапал; 4 — передаточный заряд; 5 — камера сгорания; 6 — изоляция; 7 — таблетки.

Больше напоминают небольшие ракетные двигатели с одним или нескольким’сопловыми отверстиями, которые направлены обычно к поверхности горения заряда.

Разработка воспламенителей в виде ракетных двигателей обычно осуществляется по двум направлениям. В одних случаях в качестве основного заряда используются модифицированные ракетные топлива (фиг. 3.8), в других — таблетки пиротехниче­ской смеси разных размеров (фиг. 3.9). Воспламенители с заря­дом твердого топлива рассмотренного типа часто относят к классу пирогенных воспламенителей. При разработке крупных РДТТ

8-1088 фирма «Тиокол» использует различные системы данного типа. Фирма «Аэроджет дженерал» чаще применяет таблетированный воспламенитель типа ракетного двигателя. Такая система гос — пламенения названа «Алклоджет». При установке воспламените­лей у переднего днища ракетного двигателя необходимо принять соответствующие меры, чтобы струя продуктов сгорания из вос­пламенителя была направлена непосредственно к поверхности заряда твердого топлива. Поскольку в продуктах сгорания боль­шинства эффективных пиротехнических смесей, как правило, содержится большое количество конденсированных веществ, то струя, истекающая из сопел воспламенителя, имеет относитель­но небольшую степень расширения по сравнению со струей газов, истекающих из основного двигателя. В связи с этим при нерацио­нальном проектировании могут возникнуть такие условия, когда струя, истекающая из сопла воспламенителя, отдает поверхности заряда лишь малую долю тепловой энергии, вынося ее почти целиком через сопло ракетного двигателя. Предложены два варианта решения этой проблемы: многосопловые воспламенители с наклоном сопел в сторону поверхности заряда или струйные дефлекторы, находящиеся непосредственно за выходным отвер­стием сопла воспламенителя. Если требуется высокая скорость воспламенения, то следует отдать предпочтение струйному деф­лектору, который в первую очередь обеспечивает воспламенение передней части поверхности заряда, а это особенно важно в свя­зи с тем, что распространение фронта пламени в сторону перед­него днища камеры сгорания, где расположена застойная газовая зона, происходит крайне медленно.

Расположенная вне камеры сгорания система воспламенения пирогенного типа имеет значительные преимущества при запуске крупных ускорителей. В этом случае вес системы воспламенения уже не является лимитирующим фактором при проектировании заряда РДТТ. Однако воспламенители, остающиеся на стартовой позиции после запуска, почти всегда расположены со стороны соплового блока, что связано со сложными гидродинамическими проблемами, если требуется быстрое воспламенение заряда основ­ного двигателя, так как распространение пламени в переднюю часть камеры сгорания затруднено из-за наличия там застойной зоны холодных газов.

Комментирование на данный момент запрещено, но Вы можете оставить ссылку на Ваш сайт.

Комментарии закрыты.


gazogenerator.com