2.9. Проектирование и расчет воспламенительного устройства

Основным назначением системы воспламенения является зажигание топливного заряда РДТТ за заданное время по определенному закону и при выполнении совокупности дополнительных требований:

• обеспечение заданного времени задержки воспламенения и выхода на квазистационарный режим работы;

• обеспечение заданной скорости нарастания давления в КС при выходе на режим;

• отсутствие «забросов» р_к при воспламенении заряда за установленный предел;

• надежность, приемлемость габаритно-массовых характеристик и др. эксплуатационные требования.

Основными задачами при проектировании системы воспламенения являются.

1. Выбор способа воспламенения.

2. Выбор конструктивной схемы системы воспламенения и её пространственного размещения в камере сгорания двигателя.

3. Выбор марки воспламенительного состава.

4. Определение массовых, геометрических параметров системы воспламенения.

Конструктивное оформление системы воспламенения может быть организовано в неразрушающемся или разрушающемся корпусе. В последнем случае навеска воспламенительного состава обеспечивает поступление продуктов сгорания во внутрикамерный объем случайным образом, что сказывается на стабильности получаемых внутрибаллистических характеристик РДТТ на начальном этапе работы.

Воспламенитель целесообразнее размещать в окрестности переднего днища (за исключением зарядов торцевого типа), поскольку при этом продукты сгорания воспламенительного состава при перемещении к соплу омывают большую часть поверхности твердого топлива.

При использовании баллиститного топлива, устойчивое горение которого начинается лишь после прогрева до температур, превосходящих 550…650 К, рекомендуется использовать в качестве воспламенительного состава пороха, в частности, дымный ружейный порох (ДРП), состоящий из механической смеси (751)% калиевой селитры, (151)% угля, (101)% серы и имеющий следующие характеристики [10].

Условная формула C_11,362H_6,493O_22,768N_7,319S_3,243K_7,319.

Энтальпия образования H_f = -661,1 кДж/кг.

Плотность – _в = 1750 кг/м³, насыпная плотность – _в.н = 1000 кг/м³ при диаметре зерна 0,1 … 3,5 мм.

Удельная теплота сгорания состава – Q_в = 3,06 МДж/кг.

Показатель процесса расширения продуктов сгорания - k_в  1,1.

Толщина свода зерна – е_в  0,001 м.

Скорость горения – u = 1,37(p/98066,5)^0,4[1+0,005(T_н – 293,15)], мм/с.

Температура горения (р =4 МПа) – Т = 2567 К.

Газовая постоянная продуктов сгорания – R_в = 250 Дж/(кгК).

Относительная массовая концентрация к-фазы в продуктах сгорания z_к.в = 0,4.

Температура вспышки ДРП – Т_всп = 450 К.

При использовании смесевого топлива, имеющего большую температуру воспламенения (~1000 К), в качестве воспламенителя могут применяться пиротехнические составы, имеющие удельную теплоту сгорания Q_в > 6 МДж/кг и плотность _в = 1700…3500 кг/м³. Основные характеристики примерных составов приведены таблице 6.

Таблица 6

Характеристики пиротехнических составов

Для надежного воспламенения пиротехнических составов, содержащих тугоплавкие компоненты, может использоваться навеска дымного ружейного пороха, которая предварительно воспламеняется пиропатроном. Затем продукты сгорания навески ДРП обеспечивают надежное зажигание пиротехнического состава.

В качестве воспламенительных устройств РДТТ, работающих в условиях длительного пребывания в космосе, может быть использован специальный пусковой двигатель, представляющий собой малогабаритный РДТТ, снаряженный зарядом из баллиститного топлива и воспламенителем из ДРП. Отличительная особенность данного воспламенительного устройства заключается в повышенном времени работы (~0,3 с…0,4 с), обеспечивающем длительный (по сравнению с традиционными конструкциями) подвод тепла и дополнительный период «теплового сопровождения» воспламеняемого топлива. Такой принцип обусловлен длительным (до года и более) нахождением твердого топлива в условиях глубокого вакуума, при котором происходит изменение поверхностного слоя заряда за счет сублимации пластификатора в свободный объем двигателя и, как следствие, ухудшение воспламеняемости заряда. Кроме того, анализ влияния давления на характеристики воспламенения показывает, что при уменьшении давления ниже атмосферного увеличивается период индукции воспламенения жидких, твердых и порошкообразных топлив.