2.10. Основные стадии жизненного цикла рдтт

Процесс создания двигательной установки на твердом топливе представляет собой ряд взаимосвязанных стадий, первой из которых можно назвать возникновение потребности, являющейся побудительным мотивом и предопределяющей все последующие стадии жизненного цикла.

К настоящему времени принята следующая классификация стадий разработки РДТТ, представленная на рис. 28.

Достаточно подробно основные стадии конструкторского проектирования, их взаимосвязь и взаимозависимость изложены в работе [8]. Остановимся далее на этапах, относящиеся к опытно-конструкторской отработке и утилизации РДТТ. Отметим, что значение и важность последнего этапа постоянно увеличиваются, поскольку в настоящее время ведется интенсивное внедрение на предприятиях отрасли PLM и CALS^ технологий, декларируемых как непрерывные и охватывающие полный жизненный цикл проектируемых изделий, включая утилизацию.

2.10.1. Программа опытно-конструкторской отработки двигателя

Опытно-конструкторская отработка твердотопливных ракетных двигателей проводится в условиях:

• наземных автономных испытаний;

• наземных комплексных испытаний, в процессе которых подтверждается работоспособность РДТТ при совместной работе с системами и узлами ракеты;

• летных испытаний.

Наземная отработка включает огневые стендовые, эксплуатационные и другие виды специальных испытаний.

Огневые стендовые испытания (ОСИ) РДТТ являются одним из важнейших этапов создания ракетного комплекса. Их основными задачами являются проверка работоспособности основных систем и агрегатов двигателя, подтверждение внутрибаллистических, энергетических, эксплуатационных и других параметров. В процессе ОСИ обеспечиваются режимы работы РДТТ, имитирующие реальные условия эксплуатации и применения. К ним, в первую очередь, следует отнести действие эксплуатационных факторов (температурный диапазон применения, влажность, воздействие виброударных нагрузок, реализуемых в процессе жизненного цикла изделия). ОСИ проводятся и в условиях имитации факторов реальной работы двигательной установки. К ним относятся положения двигателя на стенде, разрежение окружающей среды, в некоторых случаях действие полетных перегрузок.

С целью определения надежности РДТТ проводятся ресурсные испытания, в которых реализуется одновременно ряд неблагоприятных факторов, что в реальных условиях маловероятно. Это, например, сочетание максимального давления и минимальной толщины корпуса двигателя, нижнего значения температурного диапазона эксплуатации и минимально допустимой величины скорости горения. С этой же целью проводятся огневые испытания в запредельных условиях: расширенный температурный диапазон эксплуатации, максимальное значение давления и тяги, превышающее заданные по ТЗ величины, увеличенная или уменьшенная навески составов воспламенителя и пиропатрона. Имитация аварийных ситуаций (случайное падение, воздействие быстролетящего тела, работа узлов аварийного выключения двигателя) производится на специализированных стендах.

Благодаря увеличению объема получаемой в процессе ОСИ информации, совершенствованию методов ее обработки и анализа, улучшению метрологических характеристик аппаратуры число огневых стендовых испытаний в процессе отработки крупногабаритных РДТТ было сокращено с 30...40 в шестидесятые годы до 8...10 в настоящее время.

Наземная огневая стендовая отработка проводится тремя стадиями:

• предварительные ОСИ;

• конструкторские испытания;

• контрольные испытания.

На этапе предварительных испытаний производится проверка правильности конструкторских решений, заложенных в проект. На этапе конструкторских работ проводится проверка работоспособности выбранной конструкции РДТТ и его элементов, а также предварительный анализ возможности выполнения ТЗ по внутрибаллистическим и энергетическим параметрам. При проведении огневых испытаний этого этапа, как правило, начинается проведение эксплутационных работ, связанных с подготовкой изделия к пуску.

Контрольно-сдаточные испытания проводятся на конструкции двигателя и заряда, положительно зарекомендовавших себя на предыдущих этапах. На этом этапе окончательно подтверждается работоспособность РДТТ в заданном температурном диапазоне и дается предварительная оценка достигнутому уровню надежности.

Заключительной стадией наземной отработки являются межведомственные испытания (МВИ). Проводятся они на окончательно выбранной конструкции двигателя, его узлов и агрегатов. Как правило, к моменту проведения МВИ двигатель в составе изделия испытывался в условиях натурных пусков. Стендовые испытания могут проводиться как с полномасштабными РДТТ, так и с их моделями. По характеру испытаний они могут быть огневыми и «холодными». При «холодных» испытаниях горения топлива не происходит. Это – гидро-, пневмо-, виброиспытания, имитация осевых перегрузок и др. Испытания РДТТ высотных ступеней и двигателей, работающих в условиях разрежения, проводятся в специализированных вакуум-стендах или с использованием газодинамических диффузоров.

Для оценки прочностных характеристик РДТТ проводится комплекс испытаний на вибро-ударных стендах с последующими огневыми испытаниями. На специальных стендах проведением гидро- и пневмоиспытаний проверяется также прочность РДТТ при действии перепада давления, изгибающих моментов, перегрузок.

Для имитации перегрузок, действующих на РДТТ в полете, проводятся испытания в условиях вращения на специальных стендах.

К эксплуатационным испытаниям относятся:

• климатические;

• транспортные;

• испытания по подтверждению гарантийных сроков хранения;

• проверки безопасности обращения с изделиями в аварийных ситуациях.

Климатическими являются испытания переменным термостатированием, воздействие вакуума, биофакторов и атмосферного электричества, стойкость при действии влаги, солнечной радиации.

Транспортные испытания проводятся как в составе двигателя, так и изделия (комплекса) в целом. Они проводятся на специально оборудованном транспортном средстве. В последнее время натурные транспортные испытания в большинстве случаев заменяются вибрационными испытаниями. Режимы этих испытаний назначаются по результатам расчетов с целью обеспечения нагрузок, эквивалентных реальным. Перед проведением таких испытаний должны быть проведены тепловые расчеты и (или) исследования, подтверждающие отсутствие загорания заряда при трении его в местах соприкосновения с деталями двигателя.

Испытания по подтверждению гарантийных сроков хранения включают этапы изучения механизма протекания процессов старения в топливе, бронепокрытии, защитно-крепящем слое, ускоренные испытания, а также работы длительного опытного хранения.

Безопасность обращения с изделиями подтверждается в следующих аварийных ситуациях:

– падение РДТТ;

– прострел пулей или осколком;

– срабатывание детонирующих узлов аварийного выключения двигателя.

Условия проведения испытаний должны назначаться в строгом соответствии с условиями эксплуатации комплекса. Результатом проверок могут быть отсутствие воспламенения, горения, взрыва, детонации.

Летные испытания (ЛИ) проводятся с окончательно выбранной конструкцией РДТТ, положительно себя зарекомендовавшей на этапах огневых стендовых и эксплуатационных испытаний. Летные испытания дают дополнительную информацию о работоспособности РДТТ в натурных условиях полета изделия. В процессе ЛИ определяются внутрибаллистические и энергетические параметры, вибро-ударные нагрузки, определяются температура и перемещение отдельных узлов и агрегатов РДТТ. В заключении отметим, что детально методика опытно-конструкторской отработки РДТТ изложена в соответствующих государственных стандартах и отраслевых нормативных документах.

2.10.2. Некоторые проблемы утилизации РДТТ и зарядов твердого топлива

Заключительная стадия жизненного цикла РДТТ тесно связана с ракетой носителем, на которой он установлен, и может быть реализована в следующих видах.

1. Запуски ракет носителей, а также испытаний на подтверждение гарантийного срока хранения РДТТ.

2. Сжигание на стенде при обеспечении требований экологической безопасности.

3. Разборка РДТТ и резка заряда на фрагменты с последующим их уничтожением.

Утилизация и ликвидация РДТТ и зарядов твердого топлива

Рассмотрим далее некоторые технические и экологические аспекты утилизации РДТТ [21, 22]. Согласно заключенным Россией международным договорам ликвидации подлежат российские межконтинентальные баллистические ракеты стратегического назначения, в разное время принятые на вооружение. Все твердотопливные ракеты, подлежащие утилизации, являются трехступенчатыми (таблица 7). Кроме того, в составе ракеты еще имеются малогабаритные двигатели (несколько десятков штук), которые служат для отделения отработавших ступеней ракет, для их торможения или обеспечивают работу рулей и других систем.

Таблица 7

Основные характеристики утилизируемых двигателей

Материалы, входящие в состав РДТТ, можно сгруппировать следующим образом. Корпуса двигателей выполнены из композитного материала на основе стекло- и органопластика, с нанесенным на внутреннюю поверхность теплозащитным покрытием. В сопловом блоке для защиты от высокотемпературного и высокоскоростного потока применяются детали из углерод-углеродного композитного материала, углепластики, углеметаллопластики, а также высокопрочные графиты и тугоплавкие металлы и их сплавы.

В составе ракетного двигателя основную часть занимает твердое топливо, как правило, прочно скрепленное с внутренней стенкой корпуса двигателя. Твердое ракетное топливо представляет собой пожаро-, а некоторых случаях, взрывоопасную композицию, имеющую высший (первый класс опасности). Поэтому работы с зарядом при утилизации РДТТ должны проводится в строгом соответствии с действующими нормами и правилами, как правило, безлюдной технологии. Особое внимание должно уделяться соблюдению правил безопасности при механическом воздействии на заряд, если таковое исключить не удается.

В связи с этим становится очевидной разработка специальных методов утилизации как самого твердого топлива, так и элементов конструкции РДТТ. Обобщенная схема утилизации и ликвидации зарядов смесевого твердого топлива приведена на рис. 29 [22].

Для утилизации зарядов смесевого твердого топлива могут быть использованы несколько методов, основанных на различных физико-химических принципах и составляющих два принципиально разных подхода:

- уничтожение заряда путем подрыва или сжигания;

- удаление топлива из корпуса РДТТ.К первым из них можно отнести подрыв или сжигание на открытой площадке или открытом стенде; сжигание на стенде, оборудованном специальной системой нейтрализации продуктов сгорания, при высоком или низком давлении в камере сгорания; сжигание с флегматизацией части поверхности заряда твердого топлива.

Вторые методы включают гидродинамическое разрушение топлива струей воды, подаваемой в КС под высоким давлением; механическую резку топлива; химические методы деструкции топлива; криогенное разрушение топлива; биохимическое разложение (биодеструкция топлива).

Каждому из перечисленных методов присущи определенные недостатки. В частности, методы подрыва и сжигания топлива, являясь ликвидационными, не позволяют полностью утилизировать топливо, а также корпус РДТТ. Химическое разложение растворителями или химикатами основывается на необходимости диспергирования топлива в порошок, что является опасным технологическим процессом. Метод гидрорезки (гидроструйного дробления), заключается в том, что вода, подаваемая во внутрикамерный объем под высоким давлением, разрушает монолитный заряд топлива на отдельные фрагменты куски, а затем превращает их в порошкообразное состояние. Однако наряду с положительными опытами имели место и аварийные ситуации, когда происходило возгорание топлива. Кроме того, выделение из порошка компонентов, в первую очередь, металлического горючего и окислителя оказалось весьма трудоемким и малорентабельным.

Методы криогенного разрушения, биодеструкции и др., являясь предметом фундаментальных и научно-исследовательских работ, требуют для промышленной реализации дополнительных исследований.

Достаточно простым представляется утилизация топлива методом сжигания в составе РДТТ с использованием стендовых комплексов. Объективные предпосылки к внедрению данного метода заключаются в отработанности технологических процессов подготовки РДТТ (контроль качества заряда, сборка, транспортные операции, настройка системы регистрации и т.п.) к проведению огневых стендовых испытаний. При этом особенно приходится учитывать тот факт, что в течение штатного полного времени работы ракетного двигателя (~ 60-100 с) в окружающее пространство выбрасывается большое количество содержащих вредные вещества продуктов сгорания. Так, при запуске ракеты-носителя «Минитмет-III» двигатели 1-й, и 3- ступеней за время работы выбрасывают в атмосферу соответственно 10,4 т и 1,7 т конденсированной фазы [21]. Поэтому оборудование для очистки и нейтрализации продуктов сгорания является достаточно большим, сложным и дорогостоящим сооружением.

С целью упрощения процесса утилизации РДТТ актуальным является сжигание заряда без соплового блока двигателя. При этом за счет низкого избыточного давления в камере сгорания топливо горит с минимальной скоростью и в единицу времени образуется меньше количество продуктов сгорания. Поэтому появляется возможность очистки продуктов сгорания топлива в специальных скрубберах в процессе работы двигателя. В этом случае растворимые компоненты полностью переходят в раствор, а твердые вещества (оксид алюминия) выпадает в осадок и улавливаются в донной части скрубберов. По предварительным оценкам степень очистки вредных веществ составляет: – 98% по хлористому водороду, – 98,5% по оксиду алюминия Al₂O₃.

Экологические характеристики продуктов сгорания твердого топлива

В составе твердого смесевого топлива входят компоненты, содержащие углерод, водород, хлор и алюминий. Соответственно при горение образуются в большом количестве хлористый водород HCl (соляная кислота), оксид алюминия Al₂O₃ и оксид углерода СО (угарный газ). Кроме того, в составе продуктов сгорания топлива имеются в значительном количестве безвредные для экологии азот, водяной пар. Содержание других веществ, в том числе летучих и полулетучих соединений, весьма незначительно, тем не менее, они учитываются при проектировании устройств для очистки продуктов сгорания и при расчетах размеров санитарно-защитной зоны. Состав продуктов сгорания при сжигании заряда одного двигателя приведено в таблице 8.

Таблица 8

Состав газового потока при сжигании одного двигателя и степени очистки 98% (хлористый водород) и 98,5% (оксид алюминия), кг

Российские законы, а также санитарные нормы и правила предписывают, что при строительстве нового предприятия за пределами санитарно-защитной зоны (СЗЗ) содержание вредных веществ в воздухе, в воде и на почве не должно превышать предельно-допустимых концентраций (ПДК). В этом заключается основной принцип обеспечения экологической безопасности любого производства. Обеспечиваются нормы ПДК очисткой дымовых газов фильтрами, строительством высоких дымовых труб и очистных сооружений. Степень очистки продуктов сгорания при утилизации заряда твердого топлива методом сжигания должна быть не ниже 98% для хлористого водорода и 98,5% для оксида алюминия.

Известно, что хлористый водород может быть нейтрализован щелочью NaOH, при этом образуется поваренная соль NaCl марки «техническая», которая широко применяется в химической промышленности. Оксид алюминия после сушки также можно вторично использовать в промышленности для изготовления абразивных кругов, высокотемпературных электроизоляторов и др.

Для каждого вредного вещества, попадающего в окружающую среду, утверждены свои ПДК. В таблице 9 приведены значения ПДК по российским нормативам для тех веществ, которые в том или ином количестве поступают в атмосферу при сжигании твердого топлива. При определении возможных мест расположения установок по утилизации твердотопливных двигателей следует определять границы санитарно-защитной зоны, в которую не попадают сады, огороды, пасеки, места жительства и массового отдыха граждан. При этом необходимо гарантировать, что за пределами санитарно-защитной зоны концентрация вредных веществ не превысит нормативных значений ПДК.

Таблица 9

Предельно-допустимые концентрации некоторых соединений

Приведенные в данном подразделе данные могут быть использованы при выполнении раздела дипломного проекта, посвященного промышленной безопасности и экологии.