Малогабаритный импульсный РДТТ, работающий в режиме                                                низкоскоростной детонации                                                                                                                              Рис.1  . Рис.2  Зависимость давления в КС от       Рис.3 Зависимость давления в КС от     Рис.3 Зависимость давления в КС от времени  для примеров 1 и 4.                           времени  для примера 2.                        времени  для примера 3.
experimental rockets    -   exclusive rockets
Наша миссия Высотный старт Ракеты и двигатели Импульсные устройства Наши новости Наши партнеры Контакты
Малогабаритные импульсные твердотопливные реактивные двигатели (РДТТ),  находят широкое применение в качестве средств коррекции траектории полета управляемых ракет, снарядов и космических аппаратов. Известно множество конструкций импульсных малогабаритных РДТТ, которые обычно относят к двигателям  специального назначения (ДСН). В эту группу входят двигатели коррекции на конечном баллистическом участке  траектории снарядов, тормозные двигатели для разделения ступеней  и отделения головной части ракетного комплекса, двигатели увода и сброса головного обтекателя ракеты или космического аппарата, двигатели закрутки и отстрела ракет. Обычно ДСН работают в режиме канального горения, время работы – менее 0,6 сек, суммарный импульс тяги  находится в диапазоне 40 – 20 000 Нс, масса двигателя в диапазоне 0,5 – 30 кг, масса топлива  в диапазоне 0,015 – 10 кг. Обычные ДСН отличаются сложной конструкцией. Необходимость иметь большую поверхность горения  заставляет располагать в камере сгорания (СК) большое число топливных шашек (ТШ). Таким образом, само топливо не может служить защитой  поверхности камеры от действия раскаленных газов. Для этого используется специальное  теплозащитное покрытие, которое может отслаиваться. Отдельную проблему представляет инициатор горения (ИГ).  Он должен быть мощным, чтобы обеспечить быстрое воспламенение всех ТШ, но при этом напор раскаленных газов не  должен их разрушать («Двигатели специального назначения импульсного типа на твердом топливе». И.М.Гладков,  Ю.П.Ермаков, Б.Я. Малкин и др. М.: ЦНИИ Информации, 1990. Стр. 109). Особую трудность представляет подбор ИГ для ДСН небольшой мощности. ИГ имеет сложную конструкцию и включает в себя промежуточный пиропатрон,  который запускается от специальной огнепроводной трубки, что чревато вероятностью отказа запуска ДСН, или  неправильным режимом его работы. И конечно, для фиксации шашек нужны опорные  решетки (диафрагмы). Из-за  давления, которое быстро нарастает в течение короткого времени, опорная диафрагма часто ломается и попадает в  сопло. («Двигатели специального назначения импульсного типа на твердом топливе». И.М.Гладков, Ю.П.Ермаков, Б.Я. Малкин и др. М.: ЦНИИ Информации, 1990. Стр. 34) Конструкционная сложность  существующих ДСН не только повышает их стоимость, но и сказывается на их  надежности и воспроизводстве рабочих характеристик. И конечно, в артиллерийских системах огромные перегрузки  при выстреле (тысячи g) предъявляют повышенные требования к надежности конструкции ДСН, которая по  возможности должна быть простой. Задачей изобретения является создание импульсного микродвигателя с небольшими габаритами, максимально  простого по конструкции и в изготовлении, который способен обеспечить суммарный импульс тяги в диапазоне 80 -  1000 Н*с. Задача решается путем конструирования микродвигателя, который содержит простую цилиндрическую камеру  сгорания 1 с электровоспламенителем 2, и насадку-сопло 3 с дивергентной частью  (Рис. 1). В камеру сгорания  помещается монолитное топливо 4 (прессованное или, возможно, литое) и промежуточный инициирующий заряд (ИЗ) 5, который переводит режим горения, возбуждаемый воспламенителем, в низкоскоростную детонацию (НСД).
Решение задачи обеспечивается также тем, что в качестве топлива используются составы, способные к   устойчивой НСД. По сравнению с нормальной детонацией, режим НСД отличается гораздо более низкими  значениями скорости распространения (на уровне 2 км/с) и давления. Свойства НСД определяются сравнительно  низкой интенсивностью химического превращения, которое гораздо слабее зависит от давления, чем при  нормальной детонации. На поддержание волны расходуется лишь малая часть химической энергии топлива,  выделяемой в зоне реакции от фронта волны до точки Чепмена–Жуге. (В.В. Митрофанов. «Детонация гомогенных и  гетерогенных систем», Новосибирск: Издательство Института гидродинамики им. М.А.Лаврентьева СО РАН, 2003,  С. 158). Основное выделение химической энергии происходит в облаке горящих частиц после прохождения фронта  волны НСД. Чтобы обеспечить полноту горения, в предлагаемом двигателе имеется дожигательная полость 6, в  которой сгорает  оставшееся после НСД топливо. Давление, довольно высокое на стадии распространениия НСД,  заметно снижается при выходе волны в дожигательную полость. Инициирование НСД осуществляется после срабатывания электровоспламенителя и ускорения переходного  процесса в промежуточном заряде прессованного гексогена. Полное время работы двигателя, отсчитываемое от  момента срабатывания воспламенителя, и включающее распространение НСД по заряду топлива, горение  диспергированной взвеси частиц топлива в дожигательной полости и выброс продцктов горения через сопло, не  превышает 2 мс против 0.6 с у обычных ДСН.    Короткое время работы ДСН на основе НСД делает несущественными тепловые потери в стенки камеры,  которые для некоторых видов ДСН составляют серьезную техническую проблему. («Двигатели специального  назначения импульсного типа на твердом топливе». И.М.Гладков, Ю.П.Ермаков, Б.Я. Малкин и др. М.: ЦНИИ  Информации, 1990. Стр.51). В предлагаемом двигателе отпадает техническая задача фиксации топливных шашек канального горения, имеющая важное значение при проектировании обычных ДСН.  В нашем случае топливо просто запрессовывается  или заливается сплошным блоком в цилиндрическую емкость КС – мы получаем очень простой в техническом  исполнении двигатель торцевого горения. Короткое время работы нашего микродвигателя позволяет очень быстро проводить коррекцию движения  снаряда или ракеты, что вносит минимальные ошибки при выполнении маневра коррекции, и увеличивает  быстродействие ДСН на основе НСД на два порядка величины.   Кроме того, монолитный заряд способен легко выдерживать большие перегрузки (возникающие, например,   при выстреле снаряда в артиллерийских системах). В наших исследованиях был найден ряд высокоплотных составов, в которых НСД не переходит в  нормальную детонацию на зарядах длиной до 300 мм и диаметром до 50 мм, помещенных в прочные оболочки. Это  составы на основе:  
прессованных смесей ПХА и полиметилметакрилата (ПММА) (В. Ф. Мартынюк, А. А.  Сулимов, В. А. Чамров, В.Ф. Дубовицкий, М.К. Сукоян. «Структура детонационного фронта смесей  окислитель–инертное горючее» // Журнал «Химическая физика», 1983, № 10, с. 1435–1439);  смесевых порохов на основе перхлората аммония (А.А.Сулимов, Б.С.Ермолаев,  В.Е.Храповский. «Конвективное горение малопористых блочных зарядов в импульсных сопловых  устройствах» // Журнал «Химическая физика», 2007, т. 26, № 11, С.47-56);   прессованных смесей ПХА, гексогена и алюминия (А.А.Сулимов, А.А.Борисов, Б.С.Ермолаев,  М.К.Сукоян и др. «Генерирование взрывных волн в канале детонацией высокоплотных смесевых  составов, обогащенных алюминием» // Журнал «Химическая физика», 2009, т.28, № 9, с.70-79).  литого полимеризованного топлива с гексогеном, ПХА и полибутадиеном (Сулимов А.А.,  Ермолаев Б.С. «Низкоскоростная детонация в литых смесевых топливах»// Журнал «Горение и взрыв»,  2016, т. 9, номер 1, с. 125 – 130). мелкозернистых пироксилиновых порохов (Б.С. Ермолаев, В.Ф. Мартынюк, А.А. Беляев, А.А.  Сулимов. «Низкоскоростные режимы детонации зерненного пироксилинового пороха» // Журнал  «Химическая физика», 2014,  т. 33,  № 6, с. 64-72.), 
Пример 1. Двигатель из стали ХГСА с диаметром КС 15,5 мм (толщина стенок 12 мм) и длиной 310 мм заполнялся  прессованной смесью состава 15%  ПММА (размер частиц 3 мкм) и 85% ПХА (размер частиц 90 мкм). Масса топлива  составила 34,5 грамм, длина заряда 110 мм, относительная плотность 0.98 (пористость 2 %), длина дожигательной  полости 200 мм. Масса двигателя составила 2530 грамм.  Сопло диффузор имеет  степень расширения дивергентной  части сопла 5 и угол раствора конуса  α=20°. ИЗ – таблетка гексогена (размер частиц 40 мкм)  высотой 15 мм.   После поджига ИЗ  скорость НСД составила 2050 м/с, удельный импульс истекающих газов 222 с, суммарный импульс  85,3 Н*с.    Пример 2. Двигатель из стали ХГСА с диаметром КС 15,5 мм (толщина стенок 12 мм)  и длиной 310 мм заполнялся  прессованной смесью состава 15%  ПММА (размер частиц 3 мкм), 85% ПХА (размер частиц 90 мкм) и 15% гексогена  (размер частиц 40 мкм). Масса топлива составила 34,1 грамм, длина заряда 110 мм, относительная плотность 0.98  (пористость 2 %), длина дожигательной полости 200 мм. Масса двигателя составила 2530 грамм.  Сопло диффузор  имеет  степень расширения дивергентной части сопла равна 5, углом раствора конуса  α=20°. ИЗ – таблетка гексогена  (размер частиц 40 мкм)  высотой 15 мм. После поджига ИЗ  скорость НСД составила 2000 м/с, удельный импульс (УИ) истекающих газов 236 с, суммарный  импульс 91,5 Н*с.  Для данного эксперимента было исследовано влияние степени расширения (СР) дивергентной части сопла при  идентичных примеру 2 габаритах двигателя, топливной шашки, составу топлива и ИЗ:  СР            1    5  10 УИ, сек 204 236 250 Пример 3. Двигатель из стали ХГСА с диаметром КС 15,5 мм (толщина стенок 12 мм)  и длиной 310 мм заполнялся  прессованной смесью состава 12%  ПММА (размер частиц 3 мкм), 68% ПХА (размер частиц 20 мкм) и 20% гексогена  (размер частиц 40 мкм). Масса топлива составила 34,1 грамм, длина заряда 110 мм, относительная плотность 0.98  (пористость 2 %), длина дожигательной полости 230 мм. Масса двигателя составила 2530 грамм.    Сопло диффузор  имеет  степень расширения дивергентной части сопла равна 5, углом раствора конуса  α=20°. ИЗ – таблетка гексогена  (размер частиц 40 мкм)  высотой 15 мм. Относительная плотность зарядов 0.96 (пористость 4 %).  удельный импульс  истекающих газов составил 260 с, суммарный импульс 100,8 Н*с.    Пример 4. Двигатель из стали ХГСА с диаметром КС 40 мм (толщина стенок 22 мм) и длиной 310 мм заполнялся  прессованной смесью состава 15%  ПММА (размер частиц 3 мкм) и 85% ПХА (размер частиц 90 мкм). Масса топлива  составила 450 грамм, длина заряда 110 мм, относительная плотность 0.98 (пористость 2 %), длина дожигательной  полости 200 мм. Масса двигателя составила 10460 грамм.   Сопло диффузор имеет  степень расширения дивергентной  части сопла равна 5, углом раствора конуса  α=20°. ИЗ – таблетка гексогена (размер частиц 40 мкм)  высотой 15 мм.   После поджига ИЗ  скорость НСД составила 2050 м/с, удельный импульс истекающих газов 222 с, суммарный импульс   999 Н*с.    Время работы всех двигателей не превышает 1,5 мс, зависимость давления от времени в КС представлены на Рис.2, 3,  4
Сопоставление с существующими ДСН.  Энергетические параметры двигателя из примеров 1,2 и 3 очень близки к таковым для двигателя закрутки ДЗ-2   («Двигатели специального назначения импульсного типа на твердом топливе». И.М.Гладков, Ю.П.Ермаков, Б.Я. Малкин  и др. М.: ЦНИИ Информации, 1990. Стр. 98).  Последний при массе двигателя 1,4 кг и массе топлива 58 грамм он дает  суммарный импульс 110 Н*с, удельный импульс 193 с., время работы 200 мс. Но, двигатели на НСД выигрывают  удельному импульсу. Параметры двигателя из примера 4 очень близки к параметрам двигателя отсечки ДО-1 («Двигатели  специального назначения импульсного типа на твердом топливе». И.М.Гладков, Ю.П.Ермаков, Б.Я. Малкин и др. М.:  ЦНИИ Информации, 1990. Стр.108).  При массе двигателя 2,4 кг и массе топлива 428 грамм он дает суммарный импульс  920 Н*с, удельный импульс 219 с., время работы 40 мс.  Его отличает наличие огромного числа топливных шашек – 88 !  Против всего одной в нашем примере. Двигатель в примере 4 явно выигрывает по простоте и надежности, а по внешним габаритам приближается к двигателю ДО-1. Диаметр 84 мм против 115 мм у ДО-1, длина 310 мм против 188 мм у ДО-1.  Несомненно, при проектировании параметры двигателей на НСД могут быть значительно оптимизированы. В итоге можно сказать, что для получения суммарного импульса в диапазоне до 100 Н*с предлагаемые двигатели  на НСД даже в неоптимизированном, экспериментальном варианте имеют явные преимущества по тяговым  характеристикам и предельной простоте конструкции. Кроме того, при оптимизации вполне возможно получить  двигатели, не уступающие существующим ДСН в области СИ до 1000 Н*с.