1.3.1 Корпус и сопло

Корпус и сопло представляет собой полую многоблочную (см. рис. 1.1) или сборную односекционную (многосекционную) оболочку цилиндрической формы, закрытую с торцев передним и задним днищами. Корпуса могут иметь и другую форму, например, шаровую, эллипсообразную. Днища выполняются монолитно с цилиндрической частью и отдельно. Внутреннее строение корпуса определяется конструкцией заряда твердого топлива.

Таблица 1.16

Характеристики различных схем РДТТ

Силовые оболочки типа «кокон» изготавливаются из композиционного материала методом спиральной намотки на оправку с выполнением днищ вместе с цилиндрической частью оболочки.

Толщина оболочки корпуса в местах перехода днища в цилиндрическую часть определяется по формуле

=,

где р- максимальное давление в двигателе;D – внутренний диаметр цилиндрической части обечайки; d - диаметр полюсного отверстия; - предел прочности на растяжение стеклоленты.

Равнопрочная цилиндрическая оболочка получается при = 2…3(d, где - толщина кольцевых слоев;- толщина спиральных слоев.

Толщина днища в заднем месте

=,

где - угол намотки.

Стыковочные юбки (см. рис. 1.1) изготавливаются намоткой заодно с корпусом, и в них вмотаны закладные детали фланцев. Стыковочные юбки являются частью конструкции ракеты и должны выдерживать комбинированные нагрузки: по оси (сжатие и изгиб), сдвиг и кручение.

Цилиндрическая часть силовой оболочки может быть изготовлена методом продольно-поперечной намотки на оправку.

Толщина стенки оболочки корпуса определяется по формуле

= pD/(2[]),где []= - предел прочности стеклопластика (0,1…1,1 ГПа); n – запас прочности (1,35…1,5). Эта формула справедлива, когда на два слоя окружных лент наносят один слой продольных лент.

Силовые оболочки выполняются без единиц с утолщением по обоим торцам с последующей их механической обработкой для подготовки мест соединения с металлическими днищами.

Металлические обечайки корпуса

Подразделяются по форме на цилиндрические, конические и сферические, а по технологии изготовления – на сварные (с кольцевыми, спиральными и продольными швами) и бесшовные (раскатные и цельнотянутые).

Комбинированные обечайки корпуса представляют собой металлические обечайки, усиленные наружной оплеткой из стеклонитей или других высокопрочных армирующих материалов, которые выполнены с определенным натяжением, создающим в слое оплетки до нагружения оболочки напряжения. Если оплетки принимает на себя половину окружной нагрузки, действующей на всю цилиндрическую обечайку, тогда отношение толщин металлической оболочки и оплеткиявляется оптимальным. При этом толщина металлической обечайки определяется из условия обеспечения прочности в осевом направлении=pD/4[], а недостаточная прочность в окружном направлении компенсируется оплеткой с толщиной, равной=pD/4[]. В этих формулах [] и []- допустимые напряжения в металлической обечайке и армирующей оплетке соответственно.

Соединения элементов конструкции обеспечиваются с помощью специальных узлов, основные требования к которым сводится к обеспечению прочности и герметичности соединений при минимальных массе и габаритных размерах применительно к каждому конкретному случаю с учетом материалов соединяемых элементов и видов нагружения.

При одном и том же типе разъемного соединения возможно огромное число модификаций кольцевых уплотнений на стыке. Основным элементом уплотнений является резиновое кольцо. Размеры резиновых колец и канавок под них, а также рекомендации по применению резиновых уплотнительных колец даются в соответствующих общесоюзных и отраслевых стандартах (ГОСТ 9833-73).

В сопловом блоке РДТТ может содержаться различное число сопел: одно (соосное с двигателем или повернутое относительно оси двигателя на угол 90), два (поворотных) или четыре, а также 10…20, наклоненных к плоскости сопловой крышки, например, у турбореактивных снарядов (см. рис. 1.2).

Сопло может быть круглым и кольцевым (последние пока не нашли применения в РДТТ).

Схема РДТТ с одним центральным соплом характеризуется наилучшими энергомассовыми характеристиками. Для сокращения длины двигателя сопло может быть уплотнено в корпус (см. рис. 1.1). В двигателях ракет, в которых РДТТ располагают в близи центра ракеты, вход в сопло выполняют в виде удлиненной трубы. Габаритные размеры сопла изменяемой геометрии в рабочем положении превышают исходные, таким является раздвижное сопло (рис. 1.3).

Рис. 1.3 Поворотное раздвижное сопло:

1 – заделка привода; 2 – привод; 3 – раздвижные части.

Многосопловая схема позволяет организовать управление ракетой и в двух плоскостях, и по крену. Однако в этом случае ухудшаются условия входа продуктов сгорания в сопло, увеличивается унос теплозащитных покрытий на входе в сопло и в раструбе.

Рассмотрены также конструктивные схемы РДТТ с кольцевым соплом, подвижное центральное тело которого позволяет регулировать тягу, и с тарельчатым соплом (топливо безметалльное), Внешний участок расширяющейся части которого образован задним днищем двигателя (это же сопло с заглушенным минимальным сечением служит также передним днищем нижней ступени).

Особенности сопел отсечки тяги РДТТ см. в п. 1.3.5.

Материалы тепловой защиты РДТТ представляют собой искусственные изотропные и анизотропные композиции , обеспечивающие тепловую изоляцию несущей конструкции и прогнозируемый унос поверхностного слоя.

С некоторой степенью условности материалы тепловой защиты можно разделить на облицовки, теплоизоляционные слои и насадки (рис.1.4). Облицовки обеспечивают заданную стойкость первого слоя тепловой защиты тракта от разрушения при взаимодействии с двухфазным рабочим телом; при этом может происходить унос материала с прогнозируемой скоростью.

Теплоизоляционные слои обладают низкой проводимостью тепла, но подвержены существенному уносу уже при незначительном уровне конвекции рабочего тела.

Материалы тепловой защиты

Облицовки

УСП

Не напол ненные

Слоистые структуры

Рис. 1.4 Тепловая защита:

УУКМ – углерод-углеродные композиционные материалы; УСП – угле- и стеклопластики; ТЗМ – теплозащитные материалы; НО – неориентированные материалы; О – ориентированные материалы.

Насадки концевых частей сопел одновременно выполняют функции и тепловой защиты, и несущей конструкции. В зависимости от уровня воздействия обтекающего потока один и тот же материал может выполнять как функции облицовки, так и изолятора. Например, геометрия заряда современного РДТТ с центральным утопленным соплом исключает возникновение больших скоростей обтекания элементов корпуса, материалы тепловой защиты подвержены в основном нагреву излучением. Тогда тепловую защиту корпуса выполняют из легких эластичных низкотеплопроводных материалов на основе каучуков и резин без армировки наполнителями. А для четырехсопловой конструкции РДТТ в качестве тепловой защиты сопловой крышки, подверженной воздействию высокоскоростной многофазной струи из канала заряда, служит материал, выполненный из армированных асбестом или кремнеземной тканью материалов на фенолформальдегидных связующих, обладающих достаточной эрозионной стойкостью и большим значением плотности (до 1800 кг/м).

В многослойных конструкциях теплоизоляционные слои располагают между эрозионно стойким слоем и защищаемым элементом в целях минимизации общей массы данного узла (рис. 1.5). В зависимости от уровня напряженно-деформированного состояния и температуры элементов изолятором может быть теплозащитный материал на основе каучуков, а так же низкотеплопроводный угле- и стеклопластик. Материалы герметизирующего и диффузионного слоев корпуса двигателя одновременно являются изоляторами при прогреве конструкции.

Рис. 1.5 Элементы тракта сопла:

1 – углепластик, применяемый в качестве облицовки; 2 – стеклопластик, используемый как изолятор; 3 – теплоизолятор, выполненный из ТМЗ.

Неметаллические материалы облицовок представляют собой изотропные и анизотропные композиции, состоящие из связующего (матрицы) и наполнителя. Угле- и стеклопластике имеют органическое связующее и наполнители из угольной или кремнеземной ткани. Детали тепловой защиты тракта сопла получают прессованием и намоткой. Прессованием можно получить слоистые (анизотропные) композиты.

Крупногабаритные элементы тракта (раструбы сопел) получают наметкой пропитанных связующим лент наполнителя на оправки с последующим отверждением под давлением и механической обработкой.

Графиты получают прессованием смеси каменноугольного пека (связующего) с нефтяным песком (наполнителем) с последующей графитизацией при Т>2400К.

Пирографиты получают осаждением углерода при разложении метана на поверхность графита интервале температур 2373…2673 К, и пирографит по своим свойствам приближается к свойствам монокристалла; ему присущи резкая анизотропия и экстремальные значения теплопроводности и других характеристик.

Углерод-углеродные композиционные материалы (УУКМ) имеют наполнители из углеродных и графитовых тканей и волокон (в том числе объемного плетения) и матрицу из пироуглерода. Ряд деталей получают пропиткой углеграфитового наполнителя связующим из органических смол при карбонизации заготовки, а инертной среде при температуре 1273…1373 К и уплотнении карбонизованной заготовки пироуглеродом – осаждением пленок органических веществ при температуре 1373…1473 К.

Другие детали получают наметкой или выкладкой непропитанных связующим углеграфитовых лент или волокон на оправку с последующим уплотнением пироуглеродом в печи.

Насадки - концевые части сопел с радиационным охлаждением – выполняют из сплавов на основе молибдена или ниобия, имеющих высокую температуру плавления и достаточные прочные свойства при равновесной температуре насадка, а так же они могут быть выполнены из УУКМ.

Условием работоспособности можно принять условие не разрушения элементов конструкции, и эту крайне сложную задачу разделяют на две более простые и в ряде случаев независимые друг от друга:

определение температурных полей в силовых элементах;

определение напряжений и деформаций в элементах при их силовом нагружении и сравнение с допустимыми значениями при известных температурных полях.

Для вкладыша, элементов устройств управления вектором тяги РДТТ, подверженных воздействию рабочего тела, ограничениями служат условия допустимого значения уноса. В некоторых случаях ограничение накладывается на допустимый разброс толщин унесенного слоя материалов.