Предисловие

В последнее годы усилиями отечественных ученых академиков А.Д.Надирадзе, Лагутина Б.Н., Ю.С.Соломонова, Б.П.Жукова, В.П.Макеева, В.Ф.Уткина, Ю.М.Милехина, Л.Н.Лаврова, Я.П.Савченко достигнуты значительные успехи в области твердотопливного ракетостроения, обеспечившие создание надежного ракетно-ядерного щита и военный паритет в стратегических вооружениях. Разработка стратегических ракетных комплексов нового поколения на основе ракет "Тополь-М" и «Булава» свидетельствует о преемственности научных и конструкторских кадров нашей страны.

Основы теории, расчета и конструирования ракетных двигателей твердого топлива (РДТТ) рассмотрены в ставших классическими книгах А.В.Алиева, В.Е.Алемасова, А.М.Виницкого, М.Ф.Дюнзе, Б.Т.Ерохина, Б.П.Жукова, Л.Н.Лаврова, А.М.Липанова, Г.Ю.Мазинга, Б.В.Орлова, С.Д.Панина, А.А.Шишкова и др. Однако для выполнения курсового и дипломного проектов студентам часто приходится обращаться последовательно ко многим из них в отдельности, поскольку только таким образом удается выполнить все необходимые расчеты и проработку конструкции РДТТ в целом. Кроме того, в учебной и научной литературе физико-механические и баллистические характеристики твердых ракетных топлив не сгруппированы в каком-либо одном обобщающем и одновременно доступном издании. Не приводятся также подробные примеры расчета отдельных элементов конструкции двигателя, что в совокупности вызывает определенные сложности у обучающихся при использовании опубликованных инженерных методик расчета РДТТ.

В связи с этим представляется оправданным и актуальным выход в свет данного пособия, являющегося примером многолетнего научно-педагогического сотрудничества ФЦДТ «Союз» и МГТУ им. Н.Э.Баумана. При этом авторы, работая над рукописью, ставили перед собой цель, заключающуюся в практическом использовании представленного материала в процессе выполнения будущими инженерами курсового проекта и выпускной квалификационной работы по специальности «Ракетные двигатели». Данное пособие может быть полезным и магистрантам, обучающимся по направлению «Авиа – и ракетостроение» и осваивающим магистерскую программу высшего профессионального образования «Проектирование и конструкция двигателей и энергетических установок летательных аппаратов».

Пособие базируется на материалах зарубежных и открытых отечественных публикаций. Авторы благодарны за помощь в оформлении рукописи и выполнении расчетов студентам С.М.Лыкину, С.Н.Жданкину, В.С.Воробьеву, Ю.Ю.Урбазаевой.

В заключении выражаем признательность доктору педагогических наук А.А.Дорофееву, а также рецензентам профессору А.Н.Ключникову и доктору технических наук М.А.Багдасарьяну за ценные замечания и обсуждение концепции пособия.

ВВЕДЕНИЕ

Ракетным двигателем на твердом топливе (РДТТ) называется двига­тель прямой реакции, в котором химическая энергия твердого топлива преобразуется сначала в тепловую, а затем – в кинетическую энергию продуктов сгорания, истекающих с большой скоростью в окружающее пространство. Находящийся в камере сгорания заряд твердого топлива, являющийся источником химической энергии и рабочего тела, выполняется в виде моноблока или нескольких шашек определенной формы, массы и размеров.

Рис. 1. Схема ракетного двигателя на твердом топливе. 1- воспламенитель; 2- обечайка; 3- заряд твердого топлива; 4- эластичный опорный шарнир; 5- днище сопловое; 6- сопловая заглушка; 7- механизм раздвижки сопла; 8- рулевой привод; 9- закладной фланец; 10- поворотное сопло; 11- выдвижной насадок; 12- стыковочный шпангоут; 13- теплозащитное покрытие и защитно-крепящий слой, 14- раскрепляющая манжета; 15- пиропатрон

Современные РДТТ имеют тягу от нескольких ньютонов до десятков меганьютонов, а время их работы от миллисекунд до сотен секунд. Конструкция РДТТ состоит из следующих основных частей (см. рис. 1): обечайки и днищ с теплозащитным покрытием и защитно-крепящим слоем, заряда твердого топлива, фланцевых соединений, поворотного раздвижного соплового блока с эластичным опорным шарниром, выдвижным насадком и сопловой заглушкой, рулевого привода для поворота сопла с целью управления ракетой в полете по каналам тангажа и рысканья. Обечайка, герметично соединенная с сопловым и передним днищами, образует корпус двигателя, который с помощью шпангоута стыкуется с отсеком ракеты-носителя. С целью предотвращения отслоения заряда от корпуса камеры в районе переднего и заднего днищ предусмотрены раскрепляющие манжеты. Запуск двигателя осуществляется за счет подачи инициирующего сигнала на пиропатроны, которые инициируют горение воспламенителя (зарядов пиротехнического состава или навески дымного пороха) внутри корпуса воспламенительного устройства (ВУ).

Корпус РДТТ представляет собой часть двигателя, предназначенную для размещения заряда твердого ракетного топлива (ТРТ), образования камеры сгорания (КС), а также монтажа узлов и агрегатов и соединения РДТТ с перемещающимся аппаратом. Заряд может быть выполнен моноблочным или состоять из нескольких элементов ТРТ, которые называются шашками.

Сопло с исполнительными органами управления РДТТ, в частности, тягой по направлению называют сопловым блоком. Система органов управления РДТТ служит для изменения в процессе работы двигателя вектора тяги с целью обеспечения полета ракеты по заданной траектории или для проведения нужного маневра.

Запуск двигателя осуществляется воспламенительным устройством, являющимся элементом конструкции РДТТ. Заряд ТРТ поджигается с помощью продуктов сгорания воспламенителя, содержащего (зарядов пиротехнического состава или навески дымного пороха). В качестве инициирующего устройства применяется электрозапал или более надежное устройство – пиропатрон. Для ряда систем используются специальные пусковые двигатели, обеспечивающие длительный подвод продуктов сгорания к поверхности горения основного заряда.

Для реализации заданной программы полета в некоторых случаях предусматривается отключение РДТТ, которое производят с помощью устройств отсечки и реверса тяги. Под термином отсечка тяги понимают либо процесс гашения топлива, например, путем резкого сброса давления за счет вскрытия специальных отверстий в стенках камеры сгорания, либо создание противотяги с помощью сопел реверса тяги. При вскрытии реверсивных сопел давление в камере РДТТ падает, а основная тяга компенсируется осевой составляющей противотяги. В ряде случаев используются оба эти метода. Следует отметить, что за счет совершенствования систем управления летательным аппаратом отсечка тяги может быть не предусмотрена.

Рассмотренный выше тип РДТТ относится к двигателям, заряд которых прочно скреплен со стенками КС. Тем не менее, находят применение РДТТ со свободно вложенными зарядами, схема которого представлена на рис. 2. Как правило, такого рода заряды выполняются из баллиститного (двухосновного) твердого топлива. В этом случае необходимо обеспечить четкую фиксацию единичного заряда или всех шашек в осевом и радиальном направлениях, что может быть осуществлено при помощи передней и задней диафрагмы, а также специальными упорами, приклеиваемыми к внутренней поверхности камеры сгорания. С целью исключения движения продуктов сгорания в зазоре, образованном внутренней поверхностью корпуса и наружной поверхностью бронированного заряда в районе заднего днища может быть расположен узел обтюрации.

Основные достоинства РДТТ, обусловившие их широкое распространение во всех областях ракетной техники, следующие.

1. Сравнительная простота конструкции РДТТ, связанная с размещением заряда твердого топлива в камере сгорания, что исключает сложные системы подачи топлива.

2. Простота эксплуатации ракет с РДТТ, предопределенная простотой конструкции РДТТ, отсутствием необходимости в сложных регламентных работах и предпусковых технологических операциях.

3. Минимальное время готовности к пуску, поскольку стабильность свойств современных твердых топлив и конструкционных материалов позволяет дли­тельно хранить (более 10 лет) РДТТ в снаряженном состоянии на стартовых позициях.

4. Надежность и безотказность. Надежность действия какой-либо установки равна произведению надежностей отдельных агрегатов, из которых она состоит. Следовательно, чем больше отдельных агрегатов входит в состав двигательной установки, тем меньше и ее надежность в целом. Так как РДТТ состоит из минимального числа элементов, то и надежность его работы велика.

5. Высокая тяговооруженность, что позволяет сократить активный участок траектории.

При проектировании РДТТ инженер-конструктор должен знать, для какого типа летательного аппарата или энергетической установки предназначен РДТТ, поскольку область применения последнего будет определять и особенности конструкции как РДТТ, так и ракетного комплекса в целом. По области практического использования РДТТ можно классифицировать следующим образом:

1. РДТТ ракет различного класса (земля – земля, земля – корабль, корабль – земля), предназначенных для доставки полезного груза с одного места поверхности земного шара в другое, подразделяющиеся в зависимости от дальности действия на следующие группы:

– РДТТ ракет тактического и оперативно-тактического назначения;

– РДТТ ракет средней дальности;

– РДТТ ракет дальнего действия, к которым относятся и РДТТ межконтинентальных ракет;

2. Разгонные и маршевые РДТТ для крылатых ракет.

3. РДТТ ракет, предназначенных для доставки полезного гру­за с поверхности земного шара в околоземное простран­ство, подразделяющиеся в зависимости от непосредственного назначения на следующие группы:

– РДТТ ракет - носителей и космических кораблей;

– РДТТ разгонных блоков и орбитального маневрирования космических аппаратов.

4. РДТТ ракетных систем «земля-воздух», в частности:

– РДТТ зенитных ракет;

– РДТТ противоракет.

5. РДТТ ракет, устанавливаемых на летательных аппаратах:

– воздух – воздух, воздух – земля, воздух – корабль.

6. РДТТ ракет, устанавливаемых на надводных кораблях (противолодочные ракеты).

7. РДТТ торпед и подводных ракет, устанавливаемых на подводных лодках. Особенностью таких РДТТ является их работа на больших глубинах под водой в условиях больших противодавлений окружающей среды.

8. Индивидуальные РДТТ, служащие для передвижения и маневрирования человека над поверхностью земли или в условиях космоса.

9. РДТТ специального назначения, подразделяющиеся на следующие группы:

– РДТТ для разделения маршевых ступеней ракет-носителей или отделения полезной нагрузки;

– тормозные РДТТ, обеспечивающие, в частности, возвращение с околоземной орбиты полезной нагрузки;

-РДТТ мягкой посадки спускаемых отсеков летательных аппаратов или космического корабля;

– РДТТ отделения и увода головных обтекателей;

– РДТТ систем аварийного спасения экипажа и полезного груза (САС) космических ракет-носителей;

– РДТТ систем ориентации, стабилизации и управления полетом летательного аппарата.

10. РДТТ ракет народно–хозяйственного назначения: градобойных и противолавинных систем, установок для бурения грунта, систем пожаротушения, переброса спасательных линей, экстренного торможения транспортных средств и др.