Конструктивные схемы зарядов топлива

Выбор конструктивно-компоновочной схемы РДТТ неразрывно связан с выбором типа и формы топливного заряда и способом крепления заряда в камере. Основные требования, предъявляемые к заряду твердого топлива (ЗТТ), заключаются в следующем:

• форма (геометрия) заряда должна обеспечивать надежное воспламенение и заданный закон изменения поверхности горения в процессе работы, а следовательно, характер газообразования, изменение давления в камере и тяги двигателя во времени в соответствии с требованиями, предъявляемыми ракетой;
• свод горения должен обеспечивать требуемое время работы РДТТ, исходя из располагаемых значений скорости горения топлива и диаметра камеры (с минимизацией остатков топлива, догорающих на спаде тяги);
• заполнение камеры топливом должно быть максимально полным; при этом следует предусматривать защиту стенок камеры от теплоэрозионного воздействия продуктов сгорания в полете (в условиях наличия высоких боковых перегрузок) и выполнение требований газодинамики течения продуктов сгорания по тракту двигателя;
• изготовление топливного заряда должно быть безопасным и высокотехнологичным, а его стоимость - минимальной.

В зависимости от типа и назначения двигателя в отечественных РДТТ УР на различных этапах разработки использовались как вкладывающиеся в камеру заряды (многошашечные и моноблочные), так и скрепленные с корпусом. Опыт отработки современных РДТТ УР, а также двигателей ракет других классов свидетельствует о том, что последние обеспечивают более высокую степень заполнения камеры топливом и, соответственно, более высокий уровень энергомассового совершенства РДТТ в целом, что связано с отсутствием потерь объема на организацию застойной зоны в зазоре между зарядом и корпусом, а также с отсутствием пассивной массы бронепокрытий заряда, теплозащиты камеры и узлов крепления заряда. Так, замена вкладного заряда из двухосновного твердого топлива скрепленным с корпусом зарядом из смесевого топлива при модификации одного из боковых ускорителей УР позволила увеличить массу топлива, размещаемого в камере постоянного объема, примерно в 1,4 раза, а суммарный импульс тяги двигателя - в 1,6 раза.

В качестве форм зарядов в двигателях ЗУР наиболее часто употребляются следующие конфигурации (рис. 4.14):

Рис. 4.14. Распространенные схемы топливных зарядов

а) трубчатая, с открытыми торцами и кольцевыми проточками-компенсаторами на них;

б) трубчатая с каналом цилиндроконической формы;

в) трубчато-щелевая (с щелями-компенсаторами, обращенными к переднему или заднему торцу двигателя);

г) трубчатая с каналом звездообразной формы.

Основным общим свойством указанных форм зарядов является сложность обеспечения закона изменения тяги двигателя по времени, близкого к нейтральному, который для УР при отсутствии специальных требований является наиболее эффективным. Требуемое постоянство закона тяги двигателя, а следовательно, и давления достигается за счет примерно постоянной площади поверхности горения заряда (что обеспечивает получение максимального суммарного импульса двигателя при минимальной массе РДТТ).

Каждая из перечисленных выше конфигураций заряда обладает характерными свойствами, которые и определяют область ее возможного применения в составе РДТТ УР. Например, схемы «а» и «б» довольно просто обеспечивают получение заданных характеристик поверхности горения, времени работы и степени заполнения камеры топливом при удлинении зарядов l_зар = l _зар / d _зар в диапазоне 2 – 2,5. Схема «г» характеризуется относительно меньшей величиной свода горения заряда, а также довольно значительным временем спада тяги, что объясняется догоранием остатков топлива. Наиболее широкое применение в разгонно-маршевых РДТТ УР нашла трубчато-щелевая форма заряда, которая позволяет довольно легко получить и скорректировать в процессе отработки требуемый закон изменения поверхности горения без дегрессивно догорающих остатков, обеспечить высокую степень заполнения камеры топливом, требуемое время горения, защиту стенок камеры от теплоэрозионного воздействия продуктов сгорания и оптимальные газодинамические характеристики потока при его движении по тракту двигателя. Поскольку время работы РДТТ УР относительно непродолжительно, дополнительная масса ТЗП, наносимая в районе щелевого компенсатора заряда, обычно невелика. В ряде случаев, например для разгонных двигателей с очень малым временем работы, более предпочтительной может оказаться «звездообразная» форма заряда, учитывая ее развитую поверхность примерно на 40% меньший, чем для заряда трубчатой формы, требуемый уровень собственной скорости горения топлива при практически той же степени объемного заполнения камеры.

На начальном этапе проектирования РДТТ в составе ракеты закон изменения поверхности горения заряда может быть принят приблизительно нейтральным. На более поздних этапах, для расчета текущих значений поверхности горения заряда, могут быть использованы как графоаналитические методы, так и специальные программы, которые позволяют рассчитывать по методу элементарных объемов поверхность горения зарядов практически любой конфигурации. С помощью подобных программ производится также расчет центра масс и моментов инерции заряда.

Одной из характерных особенностей УР малой или средней дальности является наличие в их составе однокамерных двухрежимных двигателей, последовательно обеспечивающих (с помощью соответствующего закона изменения поверхности горения заряда) два различных режима работы - стартовый и маршевый. Опыт отработки современных отечественных двухрежимных РДТТ УР свидетельствует о том, что характеристики таких двигателей наиболее эффективно реализуются с помощью скрепленного с корпусом моноблочного заряда трубчато-щелевой формы. Причем длина щелевого компенсатора выбирается в этом случае в функции предельного соотношения тяги двигателя на стартовом и маршевом режимах

.

Для приближенных оценок длины щелевого компенсатора можно использовать следующую зависимость:

.