Реферат: Ракетные двигатели твердого топлива
В рукописной работе Дж. ди Фонтана «Книга о военных инструментах» приходилось описание ракет и различных способов их применения. Следует отметить, что все упомянутые работы были рукописными,
распространялась в сравнительно небольшом количестве и в силу этого не
получилн тогда достаточно широкого распространения, хотя некоторые
из этих работ пользовались сравнительно большой известностью. Однако уже в первой половине XVI в., вскоре после изобретения кни-
гопечатания стали появляться книги, в которых приходилось сведения об изготовлении и применения пороховых ракет.
Любопытно отметить, что в этой книге уже встречается упоми-
нание о ракетах, вылетающих из ракет, т. е. о применении принципа сту
пенчатости в пиротехнических ракетах. Описывая устройство фейерверка
автор указывает на восемь ракет, вылетающих из одной большой ракеты
и добавляет, что при этом получается очень яркое зрелище. По-види
мому, это первое встречающееся в печати упоминание о много
ступенчатых ракетах.
В книге Бирингуччио давалось лишь краткое упоминание о приме
нении ракет при устройстве фейерверков, но не приводилось сведе
ний о том, что же представляли собой пиротехнические ракеты
первой половины XVIв. Ответ на этот вопрос мы находим в
рукописи К. Хааса, относящейся к 1529 — 1555 гг." (рис, 1.5.).
Эта рукопись представляет наибольший интерес среди работ по
пиротехнике, относящихся к XV— первой половине ХVIвв. В ней не
только давалось достаточно подробное изложение способов изго
товления обычных пиротехнических ракет и их применения, но и, по-
видимому, впервые в мировой литературе, приводились схемы, эскиз
и описании таких уже довольно сложных пиротехнических соору
жений, как многоступенчатые ракеты, ракетные связки, ракеты
дельтообразными стабилизаторами и т. п. В дальнейшем эти конструкции фигурировали во многих работах, посвященных вопросам п-
иротехники, но впервые они были изложены, насколько это известно
в настоящее время, именно в рукописи Хааса.
Следует отметить, что все эти, так по-современному именуемые
ракетные конструкции в действительности были лишь эффективными
пиротехническими сооружениями. Ни один из авторов, приводивших
сведения о многоступенчатых ракетах, не останавливался на та-
ких их преимуществах, как увеличение высоты или дальности полета, не говоря уже о достижении высоких скоростей, недоступных для
обычных ракет. Единственная цель их применения заключалась создать более впечатляющее зрелище.
Начиная с конца ХVв. ракеты все чаще применяются, глав-
ным образом, для увеселительных целей — при устройстве фейер-
верков и иллюминаций. Сведения о боевом применении ракет встре-
чаются все реже и реже, и постепенно почти исчезают. Объясняется
это тем, что к этому времени огнестрельное оружие, применяв-
шееся в европейских армиях (в том числе и артиллерия), достигло
такого совершенства, что полностью вытеснило ракеты в качестве бое-
вого средства. Возраставшая потребность в пиротехнических сооружениях способ-
ствовала повышению интереса к производству ракет. На протяжении
XVI— XVIIIвв. литература по артиллерии н пиротехнике обогати-
лась рядом интересных произведений, в которых вопросы изготовле-
н ня н применения ракет занимали уже довольно заметное место.
К числу таких работ следует отнести книги В. Бирингуччио (1540 г.),
Л. Фуртенбаха (1557 г.), И. Шмидлапа (1561 г.), Л. Колладо
(1592 г.), Ж. Апиера (1630 г.), К. Сименовича (1650 г.) (рис. 1.7),
А. Фрезье (1707 г.) и других авторов [11 — 17].
Для всех этих работ характерен описательный подход, так как они
предназначались, главным образом, в качестве инструкции для при-
готовления фейерверков. Авторы этих книг преимущественно исхо-
дили лишь из своего собственного опыта и, как правило, почти
совершенно не знали о других возможных способах и приемах
изготовления ракет н даже не пытались как-либо теоретически
обосновать или подкрепить свои выводы.
Для рассматриваемого времени (XV— XVIIIвв.) вообще был характе-
рен весьма невысокий уровень теоретических разработок в об-
ласти ракетной техники. Ракеты этого периода представляла собой
несложные технические устройства, производство которых в зна-
чительной степени зависело от опыта и искусства мастеров-пиро-
техников. Специалисты, работавшие в это время над совершенствованием
ракет, особое внимание уделяли составу ракетного топлива, считая,
что именно от его правильного выбора зависит качество пиротех-
нических ракет. Было разработано большое количество рецептов ра-
кетных смесей, состоявших в своей основе из селитры, серы и угля, взя-
тых в различной пропорции, но все они подбирались эмпирически
и не были подкреплены теоретическими выводами.
Лишь к концу XVIIIв. стало утверждаться мнение, что на ка-
чество ракет влияет не только состав ракетного топлива, ио и ряд
других факторов, в том числе правильный выбор конструктивных па-
раметров. Это представление нашло отражение в работах но артил-
лерии и пиротехнике, опубликованных в конце XVIII— начале XIXвв.
При этом обращает на себя внимание, что практически за четыре
столетия (с XVпо XVIIIвв.) в конструкцию ракет и техно-
логию их изготовления не было внесено существенных изменений.
Ракеты этого периода состояли нз картонной гильзы, в верхней
части которой размещался полезный груз (звездки либо другой на-
полнитель), а остальную часть гильзы занимала ракетная камера,
служившая одновременно хранилищем для ракетного топлива и камерой
сгорания.
2. ОСОБЕННОСТИ РАКЕТНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
ТВЕРДОГО ТОПЛИВА
Ракетные двигатели твердого топлива (РДТТ) получили
в настоящее время широкое распространение. Из опубликованных
данных следует, что более 90 % существующих и вновь разраба-
тываемых ракет оснащаются двигателями твердого топлива. Этому
способствуют такие основные достоинства их, как высокая надеж-
ность, простота эксплуатации, постоянная готовность к действию.
Наряду с перечисленными достоинствами РДТТ обладают рядом
существенных недостатков: зависимостью скорости горения твер-
дого ракетного топлива (ТРТ) от начальной температуры топлив-
ного заряда; относительно низким значением удельного импульса
ТРТ; трудностью регулирования тяги в широком диапазоне.
РДТТ применяются во всех классах современных ракет воен-
ного назначения. Кроме того, ракеты с РДТТ используют в народ-
но-хозяйственных целях, например, для борьбы с градом, бурения
скважин, зондирования высоких слоев атмосферы и т. д.
Разнообразие областей применения и выполняемых задач спо-
собствовало разработке большого числа различных конструкций,
отличающихся габаритными, массовыми, тяговыми, временными
и другими характеристиками. Некоторое представление о широте
применения могут дать характеристики тяги РДТТ, находящиеся
в крайних областях этого диапазона. Для ракетных двигателей
малых тяг (РДМТ) значение тяги находится в пределах от 0,01 Н
до 1600 Н [1l. Тяга наиболее крупных двигателей (диаметр дви-
гателя 3,05; 4,5; 6,6 м) достигает десятков меганьютонов. Напри-
мер, для РДТТ диаметром 6,6 м тяга составляет 31 МН.
Промежуточную область занимают двигатели средних габари-
тов, которые являются наиболее многочисленными и разнообраз-
ными.
По выполняемым функциям все ракетные двигатели можно
разделить на три группы:
двигатели, создающие тягу, необходимую для перемещения ап-
парата;
двигатели, создающие управляющие усилия и моменты;
двигатели для экспериментальных и технологических целей.
Первая группа двигателей выполняет основную функцию-
обеспечение взлета и ускорения перемещающегося аппарата на
активном участке. К этой группе относятся все стартовые и марше-
вые РДТТ.
Вторая группа двигателей выполняет вспомогательные функ-
ции. К этой группе относятся рулевые двигатели, служащие для
управления полетом по заданной программе; корректирующие,
необходимые для стабилизации перемещающегося аппарата на
траектории и ориентации в требуемом положении; тормозные,
предназначенные для торможения, отделения отработавших ступе-
ней ракеты, перевода космического ЛА с одной орбиты на другую
или осуществления «мягкой» посадки.
Третья группа двигателей предназначена для проведения раз-
личного рода испытаний и отработки как перемещающегося аппа-
рата в целом, так и его отдельных элементов. Например, сюда
можно отнести двигатели, предназначенные: для разгона аэроди-
намических тележек, проведения исследований стойкости кон-
струкционных материалов в потоке горячих газов с различным со-
держанием твердых частиц, для проверки работоспособности и
стойкости исполнительных органов управления.
Ракетный двигатель твердого топлива в общем случае состоит
из корпуса, заряда ТРТ, соплового блока, исполнительных орга-
нов системы управления вектором тяги, системы запуска, узлов
отсечки тяги, узлов аварийного выключения.
Если один или несколько РДТТ скомпонованы вместе с руле-
выми приводами, источниками питания и вспомогательными уст-
ройствами, то такой агрегат называется ракетной двигательной
установкой твердого топлива (ДУ РДТТ).
Особенностью конструкции РДТТ является то, что весь запас
топлива одной ступени располагается в камере сгорания двигателя; стенки камеры сгорания и сопла неохлаждаемые; корпус
двигателя является несущим — на нем монтируются элементы
конструкции и узлы стыковки отсеков перемещающегося аппарата.
Заряд твердого ракетного топлива является источником энер-
гии РДТТ. Он представляет собой блок определенной формы и
размеров, размещенный в камере сгорания двигателя. Размеры и
форма заряда при горении должны обеспечивать заданное время
работы, значение секундного расхода и изменение тяги двигателя
по времени. Если этого не удается достичь только путем придания
заряду определенной формы, то прибегают к нанесению бронирую-
щего покрытия на наружной и торцевых поверхностях заряда.
Цель нанесения бронирующего покрытия состоит в том, чтобы
выключить из процесса горения часть горящей поверхности заряда
и тем самым изменить время работы двигателя и количество образующихся газов в единицу времени. Последнее оказывает прямое
влияние на тяговые характеристики двигателя. Различают два основных способа размещения заряда ТРТ
в камере двигателя: вкладной и скрепленный со стенками камеры
сгорания (частично или полностью).
2.1. Конструкция с вкладным зарядом
Двигатели с вкладным зарядом можно разделить на
два типа: с зарядом всестороннего горения и с зарядом, горящим по
внутренним поверхностям.
Двигатель с зарядом всестороннего горения состоит из корпуса
(рис. 1.3) и заряда, установленного в камере сгорания между
сопловой решеткой и передним упором. Особенность этого двига-
теля состоит в том, что горение заряда происходит по всем поверх-
ностям (наружной, внутренней и торцевым). При этом горячие
газы омывают внутреннюю поверхность стенки камеры сгорания