Конструкция со скрепленным зарядом

Появление двигателей со скрепленным зарядом связано с разработкой и внедрением смесевых топлив. Техно-
логия изготовления такого заряда отличается от ранее рассмот-
ренных тем, что жидковязкая топливная масса заливается в под-
готовленный корпус двигателя. После полимеризации заряд скреп-
ляется со стенками камеры сгорания. Горение заряда происходит
по внутреннему каналу. В этом случае топливо защищает стенки
двигателя от нагревания. В тех же местах, где стенки не защищены
или открываются в результате выгорания топлива, наносится слой
ТЗП. Это позволило значительно уменьшить толщину стенок и
массу двигателя.

Улучшение коэффициента массового совершенства двигателя*
в этой конструкции достигается также лучшим использованием
объема камеры сгорания при заполнении топливом, применением
топлива с более высокой массовой плотностью, отсутствием ряда
деталей, присущих двигателям с вкладным зарядо. Корпус двигателя со скрепленным зарядом может выполняться
по нескольким схемам и из различных материалов: металлический,
комбинированный, типа полукокона или кокона.

Металлический корпус изготавливается сваркой цилиндриче-
ской обечайки из листового проката методом ротационной раскатки
из заготовки или точением из стандартной трубы с последующей
приваркой штампованных днищ. В зависимости от технологии
снаряжения одно из днищ может присоединяться с помощью шпон-
ки или другого вида соединения. В некоторых случаях корпус
может быть изготовлен более технологичным способом — штам-
повкой с глубокой вытяжкой.

Комбинированный корпус выполняется металлическим или из
разнородных материалов. В первом случае тонкостенная обечайка,
сваренная с днищами, усиливается в окружном направлении на-
моткой проволоки или тонкой металлической ленты. Во втором
случае усиление металлической обечайки производится намоткой
стеклянных прядей или ленты из стекловолокна, пропитанных
фенольно-формальдегидной смолой.

Комбинированные корпуса имеют меньшую массу благодаря
применению армирующих элементов, обладают высокой герметич-
ностью.

Корпуса типа кокона и полукокона изготавливаются методом
намотки стекло- или органоволокна, пропитанных связующим,
на оправку. После полимеризации смолы оправка удаляется. Полу-
ченная таким способом оболочка обладает высокой прочностью
благодаря ориентированному расположению волокон в направ-
лении действующих сил и небольшой массой. Корпус полукокон
изготавливается путем отрезания одного из днищ кокона и замены
его металлИческим для образования разъема по максимальному
диаметру в цилиндрической части.

Недостаток этих конструкций — их газовая проницаемость,
что при работе двигателя недопустимо. Для устранения этого
недостатка на внутреннюю поверхность камеры сгорания наклеи-
вается антидиффузионный слой и (или) наносится резиноподоб-
ной материал — защитно-крепящий слой (ЗКС), который одно-
временно выполняет функцию скрепления заряда со стенками кор-
пуса.

Двигатели со скрепленным зарядом применяются для марше-
вых ступеней ракет, продолжительность их работы от десятков
до сотен секунд.

В общем случае двигатель со скрепленным зарядом состоит из
корпуса, соплового блока, воспламенительного устройства, сопл
противотяги, узлов соединения с соседними отсеками, герметизи-
рующих элементов, заряда.

В случае применения корпуса типа кокона в оболочке предусматриваются металлические фланцы, вмонтированные при изготов-
лении кокона. Фланцы необходимы для крепления сопла, установ-
ки воспламенительного устройства и сопл противотяги. Сопло
с профилированной расширяющейся частью может быть частично
утоплено в камеру сгорания, имеет металлический силовой каркас,
защищенный набором деталей из термоэрозионностойких мате-
риалов (подробнее см. разд. 6.2).

Воспламенительное устройство не отличается от ранее рас-
смотренного, может снабжаться предохранительными элементами
для исключения случайного запуска двигателя, например, от по-
явления токов наведения в цепи пиропатронов.

Сопла противотяги вскрываются после подачи электрического
сигнала на срабатывание. Сигнал подается от программного ме-
ханизма после достижения ракетой заданных параметров. Сопла
противотяги могут располагаться на переднем и заднем днищах,
газоводе или обечайке. Общее требование к этим устройствам-
обеспечение одновременного вскрытия всех имеющихся на двига-
теле сопл. Суммарная площадь критического сечения сопл про-
тивотяги должна быть равна или больше площади критического
сечения основного сопла. При вскрытии сопл противотяги проис-
ходит резкое падение давления в камере сгорания, что приводит
к затуханию заряда. Если площадь основного сопла и сопл про-
тивотяги равны, то происходит уравновешивание тяги и противо-
сли же площадь сопл противотяги несколько больше пло-
щади основного сопла, происходит реверс тяги и отработавший
двигатель отбрасывается от ракеты.

В двигателе применяются высококалорийные смесевые топлива
(максимальное достигнутое в настоящее время значение 1
= 2925 м/с [171). 3м. с [171). Заряд из смесевых топлив обладает достаточной
эластичностью, поэтому при изменении температуры компенсация
линейных размеров заряда относительно корпуса происходит за
счет эластичности ЗКС и самого заряда. Кроме того, для снятия
напряжений в краевой зоне применяются устройства в виде ман-
жет, уса и кольцевых выточек.

3. Основные параметры и особенности
конструкций РДТТ

При проведении анализа технического задания на проектирование необходимо иметь данные о существующих ракетах с РДТТ и их основные
параметры. Это поможет конструктору более правильно оценить уровень совершен-
ные па-
ства вновь разрабатываемого двигателя. С этой целью приведем сведения о не-
которых двигателях ракет различных классов и их характеристиках.

Более подробно рассмотрим конструкцию твердотопливного двигателя
к воздушно-космической системе (ВКС) «Спейс Шаттл».

Двигатель с вкладным зарядом, горящим по внутренним поверх-
ностям (рис. 1.4), имеет следующую особенность: горение заряда
происходит по каналу заряда и горячие газы не имеют непосред-
ственного контакта со стенками камеры сгорания. Это дает возможность уменьшить толщину стенки, а следовательно, сократить
массу двигателя и увеличить время его работы. Увеличение вре-
мени происходит вследствие горения заряда только в радиальном
направлении изнутри к периферии. Корпус двигателя изготавливается металлическим с разъемом по максимальному внутреннему
размеру. На внутреннюю поверхность камеры сгорания наносится
теплозащитное покрытие (ТЗП). Оформление соплового блока и
воспламенительного устройства аналогично предыдущей конструк-
ции. Заряд — моноблочный с забронированной наружной поверх-
ностью, устанавливается в камере сгорания на кольцевые упоры
с гарантированным зазором в цилиндрической части. На задний
упор наклеено кольцо из плотной резины, которое предотвращает
течение газов вдоль наружной поверхности заряда. Передний упор
является одновременно и компенсатором термических расширений
заряда. Поэтому на упоре наклеивается кольцо из губчатой ре-
зины. Для возможности проникновения газов в зазор между кор-
пусом и зарядом делаются прорези в резиновом кольце компенса-
тора. Таким образом, в кольцевом зазоре образуется застойная
зона газов, выравнивающая давление внутри и снаружи заряда.

Упорные поверхности могут располагаться не только по торцам
заряда. Упор можно располагать в средней части заряда, для этого
в заряде делается специальное углубление. В этом случае достаточ-
но одного упора, однако конструкция заряда и двигателя значи-
тельно усложняется.

Если применяется заряд с торцевым горением, то крепление за-
ряда производится за тарель, соединенную с торцем заряда «Минитмен-3», 16М-30G — трехступенчатая межконтинентальная балли-
стическая ракета (МБР), запускается из шахты. Корпус двигателя первой сту-
пени выполнен из стали и имеет четыре поворотных сопла. Корпус второй сту-
пени изготовлен из титанового сплава и имеет одно фиксированное сопло. Упра-
вление вектором тяги производится впрыском фреона в закритическую часть
сопла. Корпус третьей ступени изготовлен из стеклопластика, имеет одно ча-
стично утопленное закрепленное сопло. Управление осуществляется впрыском
жидкости в закритическую часть.

N-Х — четырехступенчатая МБР с твердотопливными двигателями на
первых трех ступенях, четвертая ступень (жидкостная) предназначена для раз-
ведения разделяющейся боевой части.

«Поларис» А-3 — двухступенчатая ракета, предназначена для запуска
с подводной лодки в погруженном состоянии. Эта особенность эксплуатации
наложила ограничения на габаритные размеры ракеты. Корпуса обоих двигателей изготовлены из стеклопластика «Спираллой». Первая ступень имеет четыре поворотных сопла, газодинамическое управление второй ступени осуществляется впрыском фреона в сверхзвуковую часть сопла.

«Першинг-II» NGN-31 — двухступенчатая тактическая баллистическая ра-
кета с двигателями на твердом топливе. Корпуса двигателей на обеих ступенях выполнены из композиционного
материала КЕВЛАР. Из этого же материала изготовлены задние юбки двига-
телей. Заряд изготовлен из смесевого топлива с основой из полибутадиена с гидроксильной концевой группой. Управление на обеих ступенях комбинированное: аэродинамическое и га-
зодинамическое. На первой ступени установлено отклоняемое сопло с гибким
кремнийорганическим уплотнением, графитовой вставкой в критическом сече-
нии и расширяющимся раструбом из углеродистого фенопласта.

Сопло позволяет управлять тангажом и курсом. Аэродинамические поверх-
ности (две из четырех) служат для управления креном. Первая ступень имеет
длину 3,4 м, массу 3450 кг и массу топлива 3217 кг.

Вторая ступень управляется по тангажу и курсу отклоняемым соплом,
а по крену — аэродинамическими рулями, расположенными на головной части.
Длина второй ступени равна 2,4 м, масса — 2388 кг, масса топлива — 2181 кг.
Ступени после выгорания топлива отделяются взрывным устройством.

Приложение 2 содержит сведения о некоторых противокорабельных и противолодочных ракетах.

«Экзосет» М.38 (AN.39) SN.39/NN.40 — семейство французских противокорабельных ракет. Ракета М.38 — класса поверхность — поверхность, ракета
AN.39 — класса воздух — поверхность. Эти варианты имеют стартовый дви-
гатель на смесевом топливе, маршевый — на двухосновном топливе.

«Экзосет» ММ.40 — модификация ракеты класса поверхность — поверхность,
отличается усовершенствованным маршевым РДТТ, благодаря этому дальность
действия увеличена с 45 до 65... 70 км. На конечном участке траектории (=300 м)
полет ракеты происходит на малой высоте.

«Отомат» — ракета большой дальности действия, имеет ТРД и обладает
аэродинамическим качеством. Два стартовых РДТТ устанавливаются с двух
сторон корпуса между обтекателями. Длина РДТТ 1,6 м. Носовые части и сопла
отклонены относительно продольной оси ракеты.

«Саброк» UUN-44A выбрасывается из торпедного аппарата, примерно че-
рез 1 с включается РДТТ. Затем, после совершения маневра, ракета выходит
из-под воды и продолжает движение по воздушной траектории. После дости-
жения определенной скорости и высоты РДТТ отделяется от боевой части, ко-
торая входит в воду и подрывается на заданной глубине.

Современные ракеты для поражения бронетанковой техники запускаются
как со стационарных и подвижных пусковых установок, так и с переносных
индивидуального пользования. В' последние годы запуск противотанковых
управляемых ракет (ПТУР) стал осуществляться и с вертолетов, что значительно
расширило возможности этой техники (радиус действия и т. п.). Большую роль
в этом играет и способ наведения. Система наведения по лазерному лучу значительно повышает точность поражения. Широко используется способ передачи
команд по проводам. Двигательная установка, как правило, имеет один РДТТ
с двумя режимами работы — стартовым н маршевым. Предпочтительный способ
управления — газодинамический, так как обладает меньшей инерционностью
и высоким значением управляющего момента.

«Хот» — ракета совместной разработки Франции и ФРГ, применяется для
пуска с вертолетов н наземных транспортных средств, обладает большим радиу-
сом действия. Двигатель имеет два режима работы. Пуск производится из трубы
с помощью дополнительного газогенератора, обеспечивающего скорость на
выходе 75 м/с. Тяга газогенератора равна 5.10«Н, время работы 0,01 с.

«Милан» — легкая ракета средней дальности совместной разработки Фран-
ции и ФРГ. Ракета размещается в транспортно-пусковом стеклотекстолитовом
контейнере, кроме того оснащена оборудованием для пуска с прицелом и бло-
ком наведения, а также вспомогательным оборудованием. РДТТ имеет два
режима работы. Работа на первом режиме обеспечивает получение скорости до
130 м/с, на втором режиме — до 200 м/с.

TOW BGN-71А — ракета большой дальности действия, устанавливается
на транспортерах и вертолетах. Двигатель на твердом топливе имеет два ре-
жима работы. На стартовом режиме время работы составляет 0 05 с; на марше-
вом — 1,5 с.

ЯКАМ AGN-69A — ракета класса воздух — поверхность. РДТТ имеет два
режима работы. В настоящее время этот двигатель модернизируется и будет
заменен новым двигателем с более длительным сроком хранения и модифици-
рованным топливом (полибутадиен с гндроксильной концевой группой).

«Мейврнк» AGN-65 — тактическая ракета. Двигатель — РДТТ с двумя
режимами работы.

«Корморан» — ракета ФРГ. Силовая установка состоит из двух стартовых
и одного маршевого РДТТ фирмы SPNE. Стартовые ускорители располагаются
по обеим сторонам газовода маршевого двигателя. Заряд имеет канал в форме
звезды и изготовлен из двухосновного топлива. Масса заряда 2,75 и', тяга од-
ного двигателя 2,75 10«Н. В начальный момент два двигателя создают ускоре-
ние 9,2 g. Маршевый двигатель имеет заряд из двухосновного топлива с горе-
нием по торцу. Время работы 100 с, тяга ж0,285 104 Н. Двигатель поддержи-
вает полученную скорость, соответствующую М = 0,9.

Конструкцию крупногабаритного двигателя целесообразно рассматривать
на примере твердотопливной двигательной установки ВКС «Спейс Шаттл».
В установке использованы последние достижения двигателестроения, она со-
здавалась на базе отработанных стартовых ступеней SL-1, SL-2, SL-3 и нулевой ступени к ракете «Титан-ЗС». Особенностью конструкции основного двигателя является многократное его использование (до 20 раз) с реставрацией после
каждого пуска.

Первая ступень ВКС состоит из двух РДТТ, расположенных по обе сто-
роны внешнего бака для топливных компонентов жидкостной двигательной
установки второй ступени (рис. 1.7). Оба РДТТ идентичны и различаются лишь
системой крепления с баком (справа н слева). Каждый имеет восемь вспомога-
тельных твердотопливных двигателей системы разделения. Они располагаются
группами (по 4 шт.) в носовом и хвостовом отсеках основного РДТТ. Двигатели
первой ступени начинают работу совместно с)КРД второй ступени. На высоте
около 45 км РДТТ прекращают работу, отделяются от топливного бака и опу-
скаются на парашютах в океан. Затем корабли службы спасения подбирают па-
рашюты, носовой обтекатель и корпус РДТТ для их повторного использования
после восстановления.

Масса одного РДТТ — ускорителя составляет 583,6 т, масса топлива 502,6 т,
диаметр корпуса 3,7 м, длина 45,5м, стартовая тяга (на уровне моря) 11,86МН,
продолжительность работы 122 с, суммарный импульс тяги 1316 10' Н с, удель-
ный импульс 2480 м/с, максимальное давление в камере 6,2 МПа, среднее
давление 4,12 МПа. Длина РДТТ без передней юбки и головного обтекателя
равна 38,2 м. Корпус двигателя состоит нз 11 секций и включает пять различных
типов секций. На рис. 1.8 приведены размеры и характерные места для секции
каждого типа. Габаритные размеры секции выбраны так, чтобы исключить сварку.
При изготовлении применяются операции раскаткн поковок, термическая и
механическая обработка. В качестве материала корпуса используется сталь
D-6АС (oи = 13,7 МПа). Секции корпуса компонуются в четыре сборки: верх-
нюю, две средние и нижнюю (это необходимо для удобства снаряжения и транс-
портирования). Секции соединяются между собой с помощью стыкового узла
типа серьги (см. рнс. 1;8, поз. 2) при помощи штифтов диаметром 25,4 мм. На
каждый стык расходуется 180 штифтов. Снаряженные сборки в дальнейшем сты-
куются аналогично. На внутреннюю поверхность корпуса нанесено теплозащитное покрытие (ТЗП). РДТТ снабжается поворотным соплом с гибким шар-
ниром, который обеспечивает предельное отклонение -~8'. Сопло состоит из
неподвижной утоплеиной части, гибкого шарннра и подвижной расширяющейся
части. Для изготовления соплового блока используется сталь D-6АС, алюминиевый сплав 7075-Т73, фенопласты, армированные углеродной или кварцевой
тканью. Толщина фенопластовой изоляции выбирается такой, чтобы за все время
работы стальные детали не нагрелись выше 200'С, а детали из алюминиевого