Заряд твердого ракетного топлива

Предлагаемая полезная модель относится к конструкции зарядов ракетных двигателей твердого топлива и может найти широкое применение при их проектировании. Заряд твердого топлива, содержащий корпус, внутренняя поверхность которого повторяет наружную поверхность заряда, выполнена ступенчатой, и состоит из двух цилиндрических частей и сопрягающей их конической части с увеличением радиуса в направлении наружной его поверхности, отличающийся тем, что заряд прочно скреплен с корпусом, а разница в радиусах цилиндрических частей составляет (0,3÷0,5)е, длина цилиндрического участка с меньшим радиусом равна длине конической части и составляет (0,8÷1,1)е, где е - толщина основного свода заряда. Предлагаемые соотношения позволяют снизить напряжения у торцов и обеспечить равнопрочность заряда по всей контактной поверхности.

Предлагаемая полезная модель относится к конструкции зарядов для ракетного двигателя твердого топлива (РДТТ) и может найти широкое применение при проектировании и изготовлении зарядов РДТТ тактических и крылатых ракет.

Известна конструкция заряда (Фиг.1), скрепленного с корпусом, с открытым торцом и цилиндрической наружной поверхностью. Прочность данной конструкции определяется прочностью наиболее опасного места, т.е. участком заряда с наибольшими отрывными напряжениями. Таким в рассматриваемом случае является контактная с корпусом поверхность заряда у открытого торца (диаграмма эпюры напряжений Фиг.1). Общий уровень напряженно-деформированного состояния (НДС) заряда характеризуется геометрическим параметром M²=b²/a² (отношение квадрата наружного радиуса заряда к квадрату радиуса канала) при прочих равных условиях (температурный перепад, модуль упругости и коэффициент Пуассона). Чем больше M², тем выше уровень НДС. Увеличение M² в конструкции заряда при уменьшении диаметра канала, необходимое для улучшения внутри-баллистических характеристик, приводит к значительному увеличению напряжения на торце заряда, что требует применения дополнительных специальных устройств, снижающих торцевые напряжения.

Известно применение специальных эластичных вставок, например, из буна-каучука по патенту US 36166416 F02k 9/04. Указанное техническое решение неприемлемо для открытых торцов. Известно применение эластичных вставок резин, модуль упругости которых равен модулю упругости топлива заряда. Эластичный наполнитель помещен в проточку, образованную у торца заряда на расстоянии 0,02÷0,03 его внешнего радиуса от стенки корпуса и от плоскости торца. Однако при больших размерах эластичных вставок (определяется также величиной M²), роль их может быть сведена на нет из-за значительных остаточных напряжений, возникающих в процессе формования и полимеризации заряда, а установка (изготовление) эластичных вставок после формования твердого топлива не технологична и трудно контролируема по качеству исполнения. Кроме того, следует особо отметить, эластичная вставка на корпусах с поднутрением у торца практически исключается из работы как компенсатор напряжений из-за отслоений топлива в клеевом шве металл корпуса - эластичная вставка.

Известна конструкция РДТТ, включающего прочноскрепленный с корпусом пороховой заряд канального горения, в нем со стороны передней горловины имеется уширение канала. Недостатком указанной конструкции является то, что уширение канала не обеспечивает снижение отрывных напряжений на контактной поверхности у торца заряда. Известна конструкция ракетного двигателя твердого топлива, содержащего корпус и заряд, внешняя поверхность которого повторяет внутреннюю поверхность корпуса и выполнена ступенчатой, состоящей из двух цилиндрических частей и сопрягающей их конической части при увеличении диаметра заряда к заднему торцу - патент US 3931709, класс 60-255 от 13 января 1976 г. Данный патент принят за прототип. Недостатком принятого прототипа является вкладная конструкция заряда, в которой сопрягаемые участки цилиндрической и конической поверхностей выполнены с целью исключения перемещения заряда. Заряд перед помещением его в корпус охлаждается. После помещения в корпус при нагревании происходит увеличение радиальных размеров заряда, чем исключается осевое перемещение заряда за счет идентичных поверхностей корпуса ракетного двигателя.

Задачей полезной модели является понижение напряжений (Фиг.1) на торце и обеспечение равнопрочности заряда по всей контактной поверхности путем конструктивного оформления торца прочноскрепленного с корпусом заряда ступенчатым.

Сущность предлагаемого полезной модели заключается в том, что цилиндрическая часть заряда непосредственно у торца на длине (0,8÷1,1)е выполнена на (0,3÷0,5)е меньше радиусом чем радиус основной цилиндрической части заряда с последующим увеличением радиуса на конической части длиной (0,8÷1,1)е до величины радиуса основной цилиндрической поверхности, где е - толщина основного свода заряда.

Установлено, что только в этом случае эпюра напряжений на контактной поверхности заряда практически выравнивается, чем и обеспечивается его равнопрочность. Указанное хорошо иллюстрируется графиками, представляющими собой распределение напряжений по длине контактной с корпусом поверхности заряда для предлагаемой конструкции (Фиг.4), где n=m=(0,8÷1,1)e, а разность радиусов цилиндрических частей, (b-b₁), составляет (0,3÷0,5)е.

Данные эпюры напряжений получены расчетом методом конечных элементов, реализованных по программе на ЭВМ. Следует подчеркнуть, что в предлагаемом конструктивном решении величина напряжений на цилиндрическом участке наружной поверхности у торца заряда практически не зависит от величины свода заряда твердого топлива на данном участке.

На Фиг.1 представлена эпюра отрывных напряжений по длине контактной поверхности цилиндрического прочноскрепленного заряда с открытым торцом. Напряжение на торце в два раза превышает напряжение на средине контактной поверхности заряда.

На Фиг.2 представлена эпюра напряжений заряда с цилиндрической частью у торца и сопрягающей ее конической частью, когда соотношение между ними нарушено: m>1,1е и n=(0,8÷1,1)е. В этом случае торцевое напряжение более чем в двое превышает напряжение на средине контактной поверхности.

На Фиг.3 представлена эпюра напряжений при следующих соотношениях размеров цилиндрической и конической частей: m=(0,8÷1,1)е и n>1,1е. В этом случае напряжение у торца не снижается, и становится равным напряжению цилиндрического заряда с открытым торцом (Фиг.1)

На Фиг.4 представлена эпюра напряжений по предлагаемому техническому решению, т.е. когда n=m=(0.8÷1,1)e, а разность между радиусом основной цилиндрической частью и радиусом цилиндрической части у торца (b-b₁)=(0,3÷0,5)e. Это приводит к снижению отрывного напряжения у торца до величины 0,7₁.

Заряд твердого ракетного топлива, содержащий корпус, внутренняя поверхность которого повторяет наружную поверхность заряда, выполнена ступенчатой и состоит из двух цилиндрических частей и сопрягающей их конической части при увеличении радиуса заряда в направлении наружной его поверхности, отличающийся тем, что заряд прочно скреплен с корпусом, а разница в радиусах цилиндрических частей составляет (0,3÷0,5)е, длина цилиндрической части с меньшим радиусом равна конической части и составляет (0,8÷1,1)е, где е - толщина основного свода заряда.