4.3. ГАШЕНИЕ ТВЕРДЫХ РАКЕТНЫХ ТОПЛИВ

Составной частью двигательных установок твердотопливных ракет являются устройства отсечки или реверса тяги. В отличие от ЖРД, где принцип отсечки тяги прост и требует лишь

(кликните для просмотра скана)

(кликните для просмотра скана)

наличия отсечных клапанов, в РДТТ необходимо предусматривать специальные устройства, если требуется обеспечить малый разброс импульса тяги. Системы отсечки тяги в основном выполняют следующие задачи:

а) достижение требуемой дальности полета ракеты, меньшей, чем максимальная;

б) обнуление тяги в двигателях с повторным запуском;

в) обеспечение безопасности в случае аварий пилотируемых космических кораблей;

г) предотвращение соударения последней ступени ракеты с полезной нагрузкой (здесь, как правило, требуется реверс тяги);

д) обеспечение точных начальных условий для пассивного участка полета.

Существуют различные способы гашения ТРТ, а именно: внезапное увеличение площади критического сечения сопла; внезапное и быстрое открытие дополнительных сопел в двигателе (расположенных, как правило, в переднем днище корпуса) для генерации дополнительной составляющей реактивной силы, направленной против силы тяги основного сопла; использование сублимирующихся твердых или жидких веществ для гашения заряда; наконец, разрушение двигателя. В боевых ракетах («Поларис», «Посейдон», «Титан «Минитмен», французские баллистические ракеты) обычно используется второй из названных вариантов.

Существуют три механизма гашения пламени: гашение с помощью жидкого охладителя, быстрый сброс давления (такой метод часто называют -гашением») и снижение давления до величины, меньшей порога горения ТРТ (так называемое «р-гашение»). На рис. 48 показан профиль температуры в твердой и газовой фазах при горении ТРТ.

Рис. 48. Профили температуры в твердом топливе и в газе. высокое давление; низкое давление.

При высоком и низком давлениях в камере наклон кривых на рис. 48 различен (более пологий для низкого давления). Если давление понижать медленно, то процессы в газовой и твердой фазах будут успевать подстраиваться под новое значение давления, а мгновенная скорость горения — достигать значения, соответствующего стационарному горению при заданном мгновенном значении давления в камере. Погасание заряда произойдет лишь тогда, когда давление станет ниже порогового значения, необходимого для поддержания непрерывного горения. Именно таким способом определяют значение в бомбе Кроуфорда. Для получения надежных результатов необходимо, чтобы скорость снижения давления не превышала Если скорость сброса давления велика, то не все параметры изменяются достаточно быстро, и будет возникать запаздывание между распространением тепловой волны в газе (которое будет соответствовать низкому давлению) и распространением тепловой волны в твердом теле (которое будет соответствовать высокому давлению). Это приводит к разрыву в производной температуры на поверхности горения. В таком случае газофазные реакции будут протекать медленнее и не смогут вовлекать в химическое превращение газы, образующиеся при пиролизе твердого топлива, вследствие чего пламя может погаснуть. При этом тепловой поток в твердую фазу быстро уменьшается, температура поверхности падает и происходит погасание.

Из общих соображений легко представить возможность повторного воспламенения заряда после гашения, так как в нагретом твердом теле вблизи поверхности еще существует некоторый запас энергии, которая может привести к повторному воспламенению газов. Проведенные исследования показали, какой градиент давления требуется для гашения заряда ТРТ, тогда как вопрос о повторном самопроизвольном воспламенении заряда после гашения еще недостаточно изучен.

В экспериментальных исследованиях [20, 81] использовались два типа модельных двигатель, снабженный смотровым окном (рис. 49) и двумя соплами разного размера, причем через малое сопло продукты сгорания истекали на режиме установившегося горения, а большое сопло служило для резкого сброса давления в камере сгорания с целью гашения топлива (внезапное открытие этого сопла достигалось с помощью специального пиротехнического устройства или быстрым разрушением разрывной мембраны); б) двигатель, снабженный двумя последовательно расположенными соплами, причем последнее сопло, укрепляемое на шарнире и удерживаемое болтом с надрезом, было сбрасываемым (рис. 50). Для измерения характеристик переходного процесса в РДТТ и фиксации гашения использовались малоинерционные датчики давления и высокоскоростная киносъемка.

Рис. 49. Схема конструкции модельного РДТТ со смотровым окном [81]. 1 - смотровое окно из пирекса; 2 — передний фланец-фиксатор; 3 — сопло для сброса давления; 4 — разрывная мембрана; 5 — сопло, работающее на режиме установившегося горения; 6 — заряд фиксатор заряда; 8 — фланец заднего днища.

Исследуемые значения находились в диапазоне Из рис. 51 следует, что критическое значение скорости уменьшения давления сильно зависит от уровня давления в камере.

Рис. 50. Схема конструкции модельного РДТТ со сбрасываемым соплом [81]. 1 - заряд кольцевое уплотнение; 3 — тензодатчик; 4 — воспламенитель; 5 — электрическая свеча; 6 — датчик давления фирмы «Кистлер»; 7 — ближнее сопло; 8 — оолт с надрезом; 9 — дальнее сопло, работающее на режиме установившегося горения; — кольцевая проточка для подачи газа под давлением; 11 - шарнир; 12 — азот для создания нагрузки на систему крепления дальнего сопла.

Рис. 51. Скорость сброса давления, необходимая для гашения заряда ТРТ, содержащего 80% ПХА и 20% ПБАК [39]. экспериментальная граница погасания; теоретическая граница. погасание (эксперимент); нет погасания (эксперимент).

Величина необходимая для гашения заряда, зависит также от рецептуры ТРТ, в основном от типа связующего, содержания размера частиц и наличия алюминия и катализаторов. Экспериментально обнаружено, что добавление алюминия в рецептуру ТРТ облегчает гашение, но при этом повышается вероятность повторного самовоспламенения заряда. Установлено, что на гашение важное влияние оказывают и такие факторы, как геометрия камеры сгорания и давление в окружающей среде.

Как уже отмечалось, наиболее надежным методом гашения заряда является снижение давления ниже рпор. Однако трудность практического использования этого метода заключается в том, что нередко величина рпор довольно мала ( и меньше). Существует возможность несколько повысить значение рпор изменяя рецептуру топлива, но при этом не всегда удается получить высокие значения удельного импульса (например, при с величина составляет

В работе [39] приведен обзор исследований, посвященных проблеме гашения ТРТ, охватывающий как теоретические, так и экспериментальные результаты. В обзоре рассматривается одномерный стержень из ТРТ, горящий с мгновенной скоростью в замкнутом сосуде при давлении причем на поверхность его падает поток лучистой энергии интенсивностью (рис. 52). Предполагается, что давление в сосуде

Рис. 52. Физическая модель погасания ТРТ и энергетический баланс на поверхности горения [39].

регулируется специальными устройствами, поток лучистой энергии создается внешним источником непрерывного излучения (например, лазером), а температура окружающей среды считается постоянной во времени, но может изменяться как параметр задачи. Давление, поток лучистой энергии и температура являются управляющими параметрами процесса горения. Если они зафиксированы, то устанавливается режим стационарного горения ТРТ. Под погасанием понимается прекращение всех химических реакций в заряде ТРТ, что может достигаться либо в статических, либо в динамических условиях. Последний вариант более интересен, поскольку он предполагает изменение управляющих параметров от некоторых начальных до конечных значений. Погасание произойдет, если изменение будет слишком быстрым по сравнению с характерным временем релаксации тепловой волны в твердом топливе. Динамическое гашение связано с быстрыми изменениями давления (-гашение») и/или с теплообменом (обычно с уменьшением подвода лучистой энергии). Предложена теория [37, 38], показывающая, что граница динамического гашения является свойством твердого топлива, зависящим от режимных параметров РДТТ и не зависящим от начальных условий, характеристик экспериментального оборудования и типа воздействия на заряд.