Заряд твердого ракетного топлива − источник химической энергии и один из основных конструктивных элементов твердотопливной энергетической установки (ракетный двигатель, газогенератор, аккумулятор давления, бортовой источник мощности) определенной формы и размера, размещенный в камере сгорания. Твердотопливные заряды подразделяются на вкладные и скрепленные с корпусом. Вкладные заряды после изготовления помещаются в корпус двигателя и закрепляются различными способами в зависимости от особенностей конструкции (рисунок 43). Вкладной заряд может быть выполнен в форме моноблока или состоять из нескольких шашек. Поверхность вкладного заряда, не предназначенная для горения, может быть флегматизирована путем нанесения бронирующего покрытия. Форма канала многошашечного заряда, как правило, цилиндрическая. Моноблочный заряд может быть бесканальным или иметь центральный канал в форме цилиндра, многолучевой «звезды» и др. [58, 78].

Прочно скрепленный с корпусом заряд изготавливается заливкой топливной массы непосредственно в камеру сгорания. Скрепление заряда с корпусом осуществляется с помощью специальных защитно-крепящих (клеевых) слоев (рисунок 44) [77].

ТРТ − твердое ракетное топливо; ТЗП − теплозащитное покрытие;

ЗКС − защитно-крепящий слой; СОК − сопловой блок

Рисунок 44 − Схема крепления с помощью защитно-крепящих слоев
Размеры и конструктивная форма заряда выбираются из условия обеспечения требуемого значения секундного расхода топлива, временных и тяговых характеристик, нагрузок, температурных режимов эксплуатации и применения. Требуемая зависимость текущего значения поверхности горения от величины сгоревшего свода обеспечивается формой канала (цилиндрический, звездообразный, щелевой, цилиндро-конический и др.), а также введением специальных компенсаторов горения в виде проточек частичного или полного открытия торцов и др.

Совершенство заряда в значительной степени определяется коэффициентом объемного заполнения камеры сгорания, минимизацией отношения текущего значения поверхности горения к среднеинтегральной величине, технологичностью изготовления, стойкостью к воздействию внешних факторов. Маcсовые параметры зарядов изменяются в широких пределах: от долей грамма до нескольких сотен тонн.

Применение СРТТ не ограничивается вооруженными силами. Они параллельно широко стали применяться для освоения космоса и в народном хозяйстве [19].

Использование СРТТ в мирных целях. Ракетные двигатели на твердом топливе (РДТТ) находят широкое применение в мирных целях в народном хозяйстве как вспомогательные двигатели для решения самых разнообразных задач в ракетно-космической технике [19].

РДТТ наиболее часто применяются в системе аварийного спасения космонавтов и летчиков, для торможения и ускорения космического аппарата, отделения ступеней ракеты-носителя, сброса полезного груза, стабилизации и коррекции траектории космического аппарата (КА), коррекции орбиты КА, посадки КА на планеты, старта ракет-носителей и возвращаемых КА в системах «Шаттл», в качестве двигателей метеорологических ракет, служащих для подъема аппаратуры в верхние слои атмосферы, противоградовых и противолавинных.

Преимуществами РДТТ, обеспечивающими их широкое применение в ракетно-космических аппаратах, являются высокая воспроизводимость параметров, в том числе точность выполнения требований по полному импульсу тяги, высокий коэффициент массового совершенства, длительные гарантийные сроки применения и относительная безопасность при хранении и эксплуатации.

Для отделения ступеней ракеты применяются малогабаритные РДТТ самых разнообразных конструкций, тип которых определяется выполняемой задачей. Заряд из СРТТ, вариант снаряжения вкладной или жесткоскрепленный, представлен на рисунке 45.

1 − воспламенитель; 2 − обечайка камеры; 3 − заряд СРТТ;

4 − сопловой блок

Рисунок 45 − Малогабаритный РДТТ
Тормозные двигатели применяются для торможения при спуске самых разнообразных космических аппаратов. Для этих целей в основном применяются РДТТ сферического типа, например, сферические РДТТ серии ТЕ-М (США) фирмы «Тиокол Паудер» использовались для торможения при спуске космического корабля «Джемени», при посадке космического аппарата «Сервейер» на луну и др. Конструкция тормозного двигателя типа ТК-М-385 представлена на рисунке 46.

1 − защитный кожух; 2 − блок центровочного зеркала; 3− заряд
твердого топлива; 4 − теплоизоляционное покрытие; 5 − корпус;
6 − вкладыш; 7 − расширяющаяся часть сопла; 8 − резиновая заглушка;

9 − воспламенительное устройство

Рисунок 46 – Тормозной РДТТ типа ТК-М-385
Заряд твердого топлива выполнен в виде восьмилучевой звезды из полисульфидного топлива, состоящего из ПХА и связки с добавлением 2 % алюминия.

Коррекция орбиты космического аппарата необходима для обеспечения его межорбитальных переходов и выполнения различных маневров на орбите. К двигателям такого типа относятся апогейные и пирогейные РДТТ, обеспечивающие переход КА с одной орбиты на другую.

Апогейный ракетный твердотопливный двигатель типа FW-5, применяемый в США, представлен на рисунке 47 [19].


1 − теплоизоляция; 2 − заряд твердого топлива; 3 − сопловой блок;
4 − корпус; 5 − воспламенительное устройство
Рисунок 47 − РДТТ типа FW-5
Корпус изготовлен из титанового сплава. В двигателе используется СРТТ на основе полиуретанового связующего, ПХА и алюминия.
В качестве теплозащитного материала в корпусе используется состав на основе фенольной смолы.

На рисунке 48 изображен РДТТ аналогичного назначения MAGE-1. Его корпус изготовлен из композиционного материала «Кевлар-49», заряд − из алюминизированного топлива.

1 − теплоизоляция; 2 − заряд твердого топлива; 3 − сопловой блок;

4 − корпус; 5 − воспламенительное устройство
Рисунок 48 − РДТТ типа MAGE-1

На рисунке 49 изображен перспективный апогейный РДТТ (США) серии STAR-48 фирмы «Тиокол Кемик», позволяющий увеличивать удельный импульс тяги в пустоте на 59,0–88,5 кн·с/кг при коэффициенте объемного заполнения до 0,935.

1 − корпус; 2 − теплозащитное покрытие; 3 − тороидальный
воспламенитель; 4 − сопловой блок; 5 − графитовый вкладыш
Рисунок 49 − Апогейный РДТТ серии STAR-48
Эти двигатели обладают следующими преимуществами:

• 
  заряд из СРТТ на основе полибутадиенового каучука имеет цилиндрическую форму с радиальными щелевыми пропилами и заполняет всю переднюю часть корпуса;
  
• 
  корпус выполнен из титанового сплава с теплозащитой из композиционного материала углерод-углерод.
  

Особое значение при конструировании малогабаритных РДТТ уделяется выбору топлива. Наиболее полно предъявляемым требованиям удовлетворяют СРТТ, в которых в качестве связующего-горю-чего применяются полиуретаны или углеводородные каучуки, а в качестве высокотеплопроводных добавок − алюминий. Термодинамические характеристики СРТТ могут быть повышены применением как более мощных окислителей, так и гидридов металлов, например, алюминия [19].

Некоторые характеристики СРТТ, применяемые в малогабаритных двигателях РДТТ в США, приведены в таблице 4.

Серьезным недостатком СРТТ на основе ПХА является их токсичность, т.к. при его сгорании выделяется большое количество токсичного хлора и хлористого водорода. Например, при старте корабля «Спейс Шаттл» при работе твердотопливных ускорителей в атмосферу выбрасывается около 2 тонн хлора и 210 тонн хлористого водорода, которые оказывают вредное воздействие на окружающую среду. Поэтому, чтобы облегчить использование СРТТ в мирных целях, ведутся большие работы как у нас, так и за рубежом по замене ПХА на экологически чистые окислители: аммонийная соль динитроазовой кислоты (АДНА), аммиачная селитра [19, 68].
Таблица 4 − Основные характеристики топлив для РДТТ

Характеристика	Топливо
	ТР-Н1154	ТР-Н1178
Массовая доля, % связующего на основе полибутадиена с концевыми гидроксильными группами и эпоксидной смолы	18	18
окислителя (ПХА)	77	69
алюминия	2	10
катализатора (Fe2O3)	3	3
Скорость горения при давлении 14,0 МПа, мм/с	26,9	23,8
Показатель степени в формуле закона скорости горения	0,34	0,38
Плотность, г/см3	1,675	1,710

В США разработано дешевое и экологически чистое СРТТ для двигателей крупных космических ускорителей, в котором в качестве основных компонентов используются нитрат аммония, гексоген, октоген и связующее на основе полиглицедилазида, пластифицированного нитроэфирами [19].

В ФГУП «Союз» создано экологически чистое СРТТ «Центр», неблагоприятные свойства которого, в частности, фазовая нестабильность аммиачной селитры, устранены за счет ввода в кристаллы модифицирующей добавки. В нем используется активное связующее с температурой кристаллизации минус 50 С на основе эвтектической смеси с нитроэфирами. Использование аммиачной селитры и бутадиен-нит-рильного каучука снижает стоимость топлива.

Однако применение аммиачной селитры вместо ПХА заметно снижает энергетику СРТТ, ограничивает его использование в изделиях, где значение единичного импульса играет решающую роль. Кроме того, применение нитрата аммония ограничивается его повышенной гигроскопичностью.

Разработанные экологически чистые топлива находят применение в качестве зарядов для метеорологических ракет, в газодинамических буровых аппаратах, пороховых аккумуляторах давления.

В настоящее время все большее число ракет-носителей, применяемых для запуска различного типа спутников, используют в качестве ускорителей РДТТ. Так, например, в ракете «Титан-3С» (США) для старта кроме основных жидкостных ракетных двигателей (ЖРД) используются в качестве ускорителей два мощных РДТТ диаметром 3 м и длиной 25,8 м, развивающих тягу в пустоте до 540·10⁴ н при времени работы 110 с. Применение их позволило увеличить массу нагрузки, выводимой на орбиту, до 11,4 тонн. Стартовая масса ракеты составляет 700 тонн.

Мощные ускорители, работающие на СРТТ с массой заряда от 100 до 200 тонн, стали применяться для запуска французских ракет «Ариан-2» и «Ариан-4», служащих для выведения на орбиту искусственных спутников Земли.

Фирмами IIS (США) и SEP (Франция) разработан усовершенствованный вариант такого типа двигателя, обеспечивающего при среднем давлении в камере 33,9·10⁵ Па удельный импульс тяги 2970 кн·с/кг.

Заряд прочно скреплен с корпусом двигателя и имеет канал, не доходящий до переднего днища корпуса. Такая конструкция позволяет повысить коэффициент объемного заполнения до 0,92 и обеспечить достаточно небольшую площадь поверхности горения. Заряд изготавливается из высокоимпульсного твердого топлива на основе ПХА и полибутадиенового каучука (10 %), алюминия (20 %) и октогена (12 %).

Эффективным направлением конверсии многих заводов по производству СРТТ является изготовление на их основе стартовых ускорителей для мощных ракет-носителей и космических кораблей, выводящих на орбиту различные КА. Ускорители имеют очень большую массу (от 150 до 400 тонн), их изготовление обеспечивает загрузку заводов по производству СРТТ в мирное время. Обычно два таких ускорителя закрепляются по бокам основного корпуса ракеты и обеспечивают ее подъем, а после выработки топлива отделяются от ракеты с помощью специальных РДТТ сброса и падают на землю.

Типовой стартовый РДТТ имеет пять-шесть взаимозаменяемых секций, собираемых одна над другой и образующих общий корпус двигателя [19].

Схема стартового двигателя к ракете-носителю «Титан-3С», с помощью которого выводятся на орбиту различные спутники США, приведена на рисунке 50.

Она состоит из пяти секций диаметром 3,0 м и длиной 3,0 м. Масса каждой секции составляет 33,0 тонны. Заряд прочно скреплен с корпусом каждой секции и изготовляется из СРТТ, содержащего ПХА, алюминий и связующее на основе полибутадиена, метакриловой кислоты и акрилонитрила. Такое СРТТ при давлении в камере 6,06,2 МПа обеспечивает удельный импульс тяги 2480. Корпус двигателя сварной (из мостовой стали). На внутреннюю поверхность наносится теплозащитное покрытие из синтетического каучука с кремниевым наполнителем.

РДТТ к системе «Шаттл». Космическая система «Шаттл» (массой более 2000 тонн), предназначенная для вывода на орбиту пилотируемых и спускаемых кораблей «Челенджер», «Атлантик», «Дискавери», «Колумбия» и других, представляет собой связку, в которую вхо-дит орбитальный корабль с экипажем, два твердотопливных ускорителя для разгона корабля на начальном участке траектории и топливный бак одноразового использования. Последний является основным элементом системы, к которому крепятся спускаемый корабль и ускорители, возвращаемые на Землю и используемые повторно.

Основной особенностью этой системы в отличие от отечественной системы «Энергия-Буран» является то, что на ней установлены два ускорителя, работающие на твердом топливе. В системе «Энергия-Буран» стартовые ускорители работают на жидком топливе.

Твердотопливный ускоритель представляет собой РДТТ секционного типа, имеет диаметр 3,7 м, длину 45,5 м и массу в снаряженном состоянии около 590 тонн, а после выгорания топлива − 78 тонн. Масса твердого топлива составляет примерно 500 тонн. Время его работы больше 2 мин, суммарная тяга свыше 26 Мн.

В качестве твердого топлива применяют СРТТ, в состав которого входят ПХА, порошкообразный алюминий, полибутадиеновое связу-ющее, оксид железа и другие добавки. Форма заряда, жестко скрепленного с корпусом, − цилиндрическая, с внутренним каналом обеспечивает соблюдение необходимого закона нарастания тяги, который создает наиболее выгодный режим перегрузок (не более 3) для космонав-тов. После выгорания топлива корпуса ускорителей отделяются от корабля на высоте 7090 км, а затем при достижении плотных слоев атмосферы срабатывает парашютная система, обеспечивающая их приводнение. Поднятые из воды корпуса ускорителей восстанавливаются и вновь заполняются топливом.

Твердотопливные ускорители используют и во Франции на мощной ракете-носителе для запуска космических объектов, в том числе пилотируемых кораблей многоразового использования «Гермес», «Ариан-5».

Применение твердотопливных ускорителей, имеющих достаточно значительную массу топлива, как в системе «Шаттл», так и в ракетных носителях типа «Титан-3С» создало хорошие предпосылки для конверсии заводов, производящих твердое ракетное топливо в США, обеспечивая их загрузку в мирное время без изменения технологического процесса и оборудования.

Двигатели системы аварийного спасения космонавтов. Все ракеты-носители, служащие для вывода на орбиту космических объектов с космонавтами на борту, снабжаются системами аварийного спасения людей в момент запуска и активного полета.

Основой этой системы является РДТТ специальной конструкции, использующей твердые ракетные топлива баллиститного и смесевого типа. Например, в трехступенчатой ракете-носителе «Союз» третья ступень представляет собой блок длиной 8 м и диаметром 2,6 м, к которой через переходник пристыкован космический корабль, закрытый сверху обтекателем диаметром 3,0 м. На вершине обтекателя находится двигательная установка аварийного спасения корабля, имеющая форму большого гриба (рисунок 51) [19].

Головной блок

1 − двигательная установка; 2 − ракета «Союз»
Рисунок 51 − Двигательная установка аварийного спасения
на корабле «Союз»

Назначение установки в случае отказа ракеты, еще не израсходовавшей огромной массы топлива, − мгновенно увести космонавтов от очага неизбежного пожара и взрыва на расстояние, с которого возможен спуск на парашюте в безопасное место.

Система аварийного спасения (САС) корабля «Союз» комплектуется следующим образом: в носовой части ракеты монтируется аварийная двигательная установка, состоящая из твердотопливных ракетных двигателей трех типов.

Непосредственно на головном обтекателе устанавливается основной двигатель, включающийся в случае аварии и быстро отводящий верхнюю часть головного обтекателя с отсеком и спасаемым аппаратом корабля от ракеты.

Двенадцать сопел этого мощного двигателя расположены по кругу в его верхней части и развернуты под углом 30 градусов от продольной оси. Над ними находится небольшой обтекатель в виде полусферы, под которым спрятаны четыре двигателя управления. Они включаются вслед за основным, обеспечивая разворот и увод спасаемой части в сторону от опасной зоны. Еще выше находится двигатель разделения, который, включаясь последним, обеспечивает отделение головного обтекателя и его увод от спускаемого аппарата. После этого вводится основной парашют, и спускаемый аппарат совершает спуск и мягкую посадку так же, как при возвращении из штатного полета. Торможение при посадке осуществляется тормозными РДТТ, работающими на твер-дом топливе [19].

Термостойкие топлива для газогенераторов СРТТ. Для интенсификации добычи нефти стал широко применяться метод торпедирования скважин специальными зарядами. Пороховые газы создают каналы и трещины в горной породе, способствуя притоку нефти. Но используемые для этих целей пороха баллиститного типа имеют определенные ограничения: например, могут использоваться только в тех скважинах, где температура не превышает 110 С (т.е. до глубины
3 км). Разработанные составы на основе ПХА и неактивных углеводородных связующих устраняют этот недостаток. Они сохраняют работоспособность после их выдержки при температуре 150 С в течение 6 часов и могут 10 лет храниться при температуре 50 С. Критическая температура при диаметре шашки 150–200 мм составляет 170–200 С. Выделяющаяся при горении этого топлива соляная кислота, попадая в пласт и реагируя с породой, может способствовать интенсивному развитию трещин. Изготовление зарядов из этих топлив может производиться на существующем оборудовании по технологии заводов по производству СРТТ [19, 56].

СРТТ − источник аэрозолей. Одним из перспективных методов тушения пожаров в помещениях для хранения спирта, керосина, ацетона, продуктов в магазинах, винных погребах, в отсеках кораблей является аэрозольный, т.е. мгновенное заполнение помещения аэрозольной средой, почти не содержащей кислорода, в результате чего и прекращается горение.

Этот метод, запатентованный Кюном еще в конце XIX столетия, в дальнейшем был значительно усовершенствован и получил широкое распространение. «Банки Кюна» заполнялись пиротехническим составом, который имел ряд значительных недостатков: например, слеживаемость, недостаточный уровень физико-механических характеристик и др. Взамен его были разработаны новые типы порохов − источников аэрозолей, специально предназначенных для системы пожаротушения и предотвращения взрыва газовоздушных смесей. Этот новый класс порохов получил название ПАС (пороховые, аэрозольные, смесевые). Особенностью этих составов является высокая экономическая эффективность; расход огнетушащего состава 2090 г/м³ вместо 200700 г/см³, применяемых ранее, экологическая чистота, высокая надежность и постоянная готовность к применению, наличие совершенной технологии по методу свободного литья (вязкость массы находится в пределах

(28)·10⁴, живучесть более 24 ч).

Разработано несколько составов (например, ПАС-8, ПАС-11), в которые входят в качестве основного компонента нитраты К, Na и углекислые К и Na, NaCl, KCl, K₂Cr₂O₇, перхлораты К, Na, NH₄, а в качестве связующего − нитроцеллюлоза, каучуки, полиэфирные, эпоксидные или резольные смолы. Температура горения их колеблется в пределах 910–1495 К, массовая доля твердой фазы 13–39 % [54].

Твердое топливо как источник газа помимо РДТТ может применяться и в других областях техники: для вращения турбины, приведения в действие пневмосистем, заполнения эластичных оболочек и т.д. Но их широкому применению препятствует высокая температура сгорания. Наиболее низкокалорийные твердые топлива дают газ с температурой 1400–1500 К, тогда как традиционные для техники материалы (металл, пластик, резина) выдерживают температуру 300–400 К. Следовательно, нужно снижать температуру продуктов горения топлива. По мнению В.А. Шандакова и В.Ф. Комарова [50, 51], температуру газов можно снизить, если создать заряд в виде материала со сквозной пористостью. Зона горения находится со стороны глухого торца камеры сгорания (рисунок 52) [53].

1 − глухой торец камеры сгорания; 2 − заряд ТТ; 3 − фильтр; 4 − сопло
Рисунок 52 − Схема сжигания пористого заряда ТТ в камере сгорания
Развивающееся в ней давление через поры в заряде выталкивает газ и продвигает жидкие продукты сгорания через тело пористой топливной шашки, подогревая ее до температуры газификации, т.е. подогретым телом служат продукты сгорания ТТ. При полном теплообмене газ перед фронтом тепловой волны будет иметь температуру, равную начальной температуре заряда. На практике она составляет 300–330 К.

Достоинства таких твердых топлив еще и в том, что в качестве газообразных продуктов сгорания можно получить индивидуальные газы, например, N₂, O₂ , H₂ с чистотой 98,0–99,0 %. Область применения таких устройств весьма широка: средства спасения человека на земле и воде, аварийные пневмосистемы, средства пламеподавления и пожаротушения, грузоподъемные устройства и устройства вытеснения и далее медицинская помощь.

В технике можно использовать и высокую температуру, например, в нефтегазодобывающей промышленности.

Нефтяная скважина со временем угасает из-за закупорки пор нефтяного пласта выносимыми нефтью твердыми частицами, углеродами парафинового ряда и смолистыми веществами. Существовал метод воздействия на нефтеносный пласт давлением воды, но это дорого. Если же в заполненной жидкостью скважине в зоне нефтяного пласта создать при сжижении ТТ кратковременно давление выше давления горных пород, то удается не только прочистить закупоренные поры давлением и температурой задавливаемых в пласт газов, но и создать новые поры. Надо лишь очень быстро сжечь ТТ, воспользовавшись инерционностью столба жидкости над ним.

Для увеличения дебита скважины применяют гидрореагирующие составы при термохимической обработке.

Твердые топлива можно использовать в качестве химического реактора для синтеза различных веществ. Например, если в качестве окислителя взять смесь нитрата алюминия Al(NO₃)₃ с нитратами кобальта, хрома, железа, получим смешанный оксид Al_xO_y синего, зеленого и красного цвета − светостойкий пигмент для красок.

Если взять смешанные нитраты циркония и иттрия, получим основу жаростойкой керамики − стабилизированный диоксид циркония. Используя смешанные нитраты бария, меди и иттрия, получают сверхпроводящую керамику [19].

Гидрореагирующие составы применяют для наддува понтонов при подъеме затонувших объектов. Основными характеристиками гидрореагирующих составов являются количество тепла, выделяющегося при сгорании зарядов при взаимодействии с водой, количество воды, необходимое для сгорания одного состава и газопроизводительность.

<предыдущая страница | следующая страница>