8.6 Применение флегматизирующих покрытий для регулирования расхода рдтт

Нанесение на поверхность заряда твёрдого топлива специальных покрытий, уносимых под воздействием горячих продуктов сгорания и таким образом высвобождающих поверхность заряда для воспламенения и горения, является одним из способов программированного регулирования внутрибаллистических параметров, расхода и тяги РДТТ в начальный период его работы.

Поскольку покрытие экранирует часть поверхности заряда и не позволяет топливу гореть, его принято называть флегматизирующим [20]. Флегматизирующее покрытие может быть одно- или многослойным, постоянной или специально рассчитанной переменной толщины, активным или пассивным. Активным называют покрытие, химические реакции в конденсированной фазе которого протекают с суммарно экзотермическим эффектом.

Проблема регулирования расхода на начальном участке работы РДТТ флегматизацией части поверхности заряда возникла практически одновременно с началом развития твёрдотопливной техники. Первые публикации на эту тему относятся к началу 60-х годов в США (Gibby H., 1964), в СССР (Райсберг Б.А., Скворцов И.Д., 1966).

Флегматизация части начальной поверхности горения заряда может являться весьма эффективным и перспективным направлением регулирования расхода не только на начальном участке работы РДТТ, но и для выравнивания диаграммы давления всего процесса работы РДТТ и снижения газодинамической напряжённости канала в начальный период [32].

Однако при внешней простоте способа практически все попытки его реализации в натурных двигателях ранее не давали положительных результатов. Как правило, все авторы рассматривали покрытие в виде некоторого профиля переменной толщины, при уносе которого и произойдёт требуемое изменение поверхности горения заряда. Практически же рассчитать, а тем более технологически реализовать такой профиль для программированного регулирования невозможно по следующим причинам:

• скорость уноса покрытия, являясь функцией коэффициента теплоотдачи, переменна как по всей его площади, так и во времени;

• все известные эмпирические зависимости для расчёта коэффициента теплоотдачи получены в определённых ограниченных условиях и в общем случае несут в себе весомый коэффициент незнания, найти коэффициент теплоотдачи решением уравнений теории пограничного слоя не удаётся ввиду чрезвычайной сложности задачи;

• даже предположив, что требуемая переменная толщина покрытия известна, реализовать такую топологически сложную поверхность невозможно технологически.

Поэтому область применения данного способа – снижение начального расхода с последующим плавным нарастанием, но его реализация приведёт к большим разбросам внутрибаллистических характеристик.

Как известно [14, 28], пуск современных баллистических ракет из шахтной пусковой установки осуществляется способом миномётного старта с использованием порохового аккумулятора давления (ПАД), дающего требуемый газоприход в подракетное пространство для выброса ракеты из транспортно-пускового контейнера (ТПК), с последующим запуском двигателя первой ступени. В конце 70-х годов прошедшего столетия была поставлена задача рассмотреть возможность старта БРПЛ из шахты непосредственно на маршевом двигателе первой ступени. Это означало, что на двигателе было необходимо обеспечить программированный выход на режим за время от 2 до 2,5 с, то есть реализовать плавное нарастание давления в камере сгорания до рабочего с применением флегматизации части поверхности заряда. Этим самым предполагалось имитировать рост давления в подракетном пространстве ТПК, обычно создаваемое ПАДом. Типичное время выхода на режим для маршевых РДТТ составляет до 0,3 с.

В период 1976–1979 гг. в ФНПЦ «АЛТАЙ» была проведена под научным руководством профессора Т.А. Боднаря при активном участии кандидата технических наук А.С. Попова широкомасштабная научно-исследовательская работа (НИР) по экспериментально-теорети-ческим исследованиям проблемы программированного регулирования расхода РДТТ с помощью флегматизирующих покрытий [32]. Целью указанной НИР являлось обеспечение программированного изменения расхода РДТТ в интервале от 0 до 2,5 с начального участка его работы. Эта задача была решена с помощью разработанных перфорированных флегматизирующих покрытий. Использовались различные виды перфораций: круглые или квадратные отверстия, прямоугольные и крестообразные отверстия.

При вариации геометрических параметров перфораций и расстояний между ними регулируется характер изменения площади поверхности горения заряда в зависимости от выгорающего свода (и нарастания давления). При комбинации круглых или квадратных перфораций можно получить характер нарастания площади поверхности (давления в камере) выпуклостью в сторону оси абсцисс декартовой системы координат (вторая производная зависимости площади поверхности горения от свода больше нуля). Для комбинации прямоугольных перфораций вторая производная равна нулю, то есть имеет место нарастание давления с постоянным темпом (линейная зависимость). При комбинации крестообразных сечений характер нарастания давления с вогнутостью в сторону оси абсцисс (вторая производная меньше нуля).

В предложенном способе программированного регулирования расхода изменение поверхности горения является только функцией сгоревшего свода заряда и геометрических параметров перфорации покрытия.

Толщина покрытия постоянна по всей площади флегматизируемой поверхности и должна иметь гарантированный запас к моменту смыкания соседних отверстий.

Проектными параметрами покрытия являются: площадь флегматизируемой поверхности, толщина флегматизирующего слоя, геометрические параметры применительно к конкретной конструкции заряда, материал покрытия, для которого должна быть известна (или определена) скорость уноса. Вид перфорации выбирается в зависимости от требуемого характера нарастания давления (расхода).

Для флегматизирующих покрытий оказались наиболее приемлемыми выпускаемые промышленностью листовые материалы на основе полимеров и резин. Из них по своим физико-механическим и теплофизическим характеристикам требованиям, предъявляемым к флегматизирующему покрытию, удовлетворяют невулканизированные каландрованные резины, например, резина 51-2058, выпускаемая в виде пластин толщиной от 0,6 до 2,0 мм с отклонением толщины около 10 %. Для неё были определены экспериментальные значения скорости уноса в зависимости от параметров теплообмена (коэффициента теплоотдачи).

В ФНПЦ «АЛТАЙ» была разработана технология нанесения покрытия как на готовый заряд, так и на технологическую оснастку с последующим изготовлением заряда с покрытием, созданы методика расчёта проектных параметров флегматизирующего слоя и методика расчёта параметров РДТТ с зарядами, имеющими перфорированные и комбинированные флегматизирующие покрытия.

После проведения большого количества экспериментов на модельных зарядах, первые крупногабаритные РДТТ с программированным выходом на режим были успешно испытаны в 1978 году. Впервые в мировой практике изготовлены и испытаны крупногабаритные заряды для РДТТ, предназначенные для обеспечения старта ракеты из шахты подводной лодки непосредственно на маршевом двигателе [39]. Всего было проведено 15 огневых стендовых испытаний маршевых РДТТ с зарядами типа «звезда», канально-щелевой формы, с гладким каналом и открытым задним торцом. На испытаниях получена хорошая сходимость расчётных оценок и опытных результатов.

Коротко остановимся на научно-техническом вкладе профессоров БТИ АлтГТУ в проведённые разработки. Кроме уже указанных по тексту учебного пособия профессоров Я.Ф. Савченко, Г.В. Саковича, А.С. Жаркова, В.Ф. Комарова, В.И. Марьяша, И.Г. Кауфмана, А.А. Лобановой, С.В. Сысолятина, И.И. Анисимова, Т.А. Боднаря, свой вклад в разработку и отработку рассмотренных выше зарядов и топлив внесли также следующие профессора БТИ АлтГТУ:

1. В.С. Быстров [21] (научный руководитель отработки зарядов ракет РТ-2, РТ-2П, РСМ-45);

2. Б.И. Ворожцов [21] (научный руководитель работ по созданию методов контроля сплошности и определения физико-меха-нических характеристик топлив);

3. В.М. Аксененко [21] (создание методов химико-аналитичес-кого контроля при отработке топлив и зарядов);

4. А.И. Мишичев (создание методов расчёта и отработки прочности зарядов);

5. В.Е. Бажин (разработка технологического оборудования);

6. М.С. Дунин [21] (разработка оснастки и технологического оборудования);

7. С.Н. Козлов [21] (проектирование зарядов, создание вероятностных методов расчёта разбросов характеристик и надёжности РДТТ, разработка методических подходов к оценке эксплуатационной безопасности и экологических последствий утилизации зарядов);

8. Г.С. Игонин [21] (изучение cовместимости материалов, физической и химической стабильности топлив);

9. Ю.Б. Жаринов (разработка и отработка методологии прогноза характеристик и их разбросов на базе вероятностных методов);

10. Р.В. Рафиков (газодинамические процессы, прогноз и отработка энергетических характеристик);

11. В.А. Шандаков [21] (разработка топлив);

12. Ю.Г. Афанасьев (оценка влияния специальных воздействий);

13. А.М. Белоусов (синтез и технология полимеров);

14. Ф.А. Попов (программное обеспечение и вычислительная техника);

15. Э.А. Новосельцев (технологические процессы);

16. Н.И. Попок [21] (развитие методических основ определения пожаро- и взрывобезопасности технологических процессов, чувствительности топлив к различным воздействиям, эксплуатационной безопасности зарядов);

17. В.А. Абанин (разработка методов измерения тяги РДТТ с учётом боковой составляющей);

18. А.С. Лебедев (двухфазные течения и количественный прогноз конденсированных остатков в камере РДТТ);

19. В.Г. Ефимов (вейвлет-анализ результатов радиационной визуализации процесса горения заряда при стендовых испытаниях);

20. М.Г. Потапов [21] (разработка и применение средств измерений и контроля при испытаниях на новых физических принципах);

21. В.Н. Хмелёв (разработка методов контроля сплошности зарядов с бронирующими покрытиями);

22. В.Г. Казанцев (развитие численных методов расчёта проч-ности);

23. Ф.Ф. Спиридонов (численные задачи механики сплошной среды);

24. А.И. Осин (главный инженер Бийского химического комбината);

25. Ю.А. Кошелев (технологические процессы);

26. Г.А. Демидов (разработка автоматизированных методов обработки результатов испытаний).