Работоспособность воспламенительного устройства крупногабаритного РДТТ с позиций теории критических ситуаций

Ф.А. Уразбахтин
А.А. Коренев








РАБОТОСПОСОБНОСТЬ ВОСПЛАМЕНИТЕЛЬНОГО УСТРОЙСТВА КРУПНОГАБАРИТНОГО РДТТ С ПОЗИЦИЙ ТЕОРИИ КРИТИЧЕСКИХ СИТУАЦИЙ

Монография




Инфра-Инженерия Москва-Вологда 2018

УДК 621.454.3
ББК 38.2Я7
У 68

ФЗ Издание не подлежит маркировке №436-Ф3 в соответствии сп. 1ч.4ст. 11



Рецензенты:
В.Б. Дементьев, доктор технических наук, профессор, директор Института механики Уральского отделения Российской академии наук и М.А.Корепанов, доктор технических наук, доцент, ведущий научный сотрудник этого института (Ижевск);
А. Ф. Сальников, доктор технических наук, профессор кафедры ракетно-космической техники и энергетических систем Пермского национального исследовательского политехнического университета (ПНИПУ).

     Ф.А.Уразбахтин, А.А.Коренев
У68 Работоспособность воспламенительного устройства крупногабаритного РДТТ с позиций теории критических ситуаций. Монография /
     Уразбахтин Ф.А., Коренев А.А. - М.: Инфра-Инженерия, 2018. - 432 с.

       ISBN978-5-9729-0177-7



      Изложен метод системного подхода оценки состояния на примере такой технической системы, как воспламенительное устройство крупногабаритного твердотопливного ракетного двигателя (РДТТ) в процессе его эксплуатации. Оценка состояния построена на анализе критичностей, возникающих на этапах эксплуатации воспламенительного устройство.
      Разработанные математические модели этапов технической эксплуатации и использования по назначению построены в виде комплексов показателей, каждый из которых оценивает степень приближения к критичности по отдельному свойству в отдельной ситуации, имеющие свое физическое содержание.
      Эти показатели во всех моделях представлены в виде аналитических функций, аргументами которых являются параметры состояния, воздействий внешней среды, характеристики материалов.
      Приведены результаты исследования хода развития критичности, полученные при компьютерном моделировании процесса эксплуатации воспламенительного устройства РДТТ.
      Монография рекомендуется научным и инженерно-техническим работникам, занятым созданием и эксплуатацией твердотопливной ракетной техники. Она может быть полезной и студентам высших и средних учебных заведений, обучающихся ракетостроительным специальностям.

© Уразбахтин Ф.А., Коренев А.А., авторы, 2018
© Издательство «Инфра-Инженерия», 2018

ISBN 978-5-9729-0177-7

ВВЕДЕНИЕ


     В космической отрасли, а также вооружении большинства стран применение находят ракеты, в которых тяговое усилие создают твердотопливные двигатели (РДТТ). Они являются, как правило, одноразовыми изделиями, эксплуатация которых должна быть высоконадежной и максимально эффективной. Особенностью РДТТ является необходимость расчетного запуска с помощью специального воспламенительного устройства (ВУ).
     Эти устройства в многоступенчатых ракетах являются многоэлементными и многофункциональными сложными объектами. Например, в твердотопливных ускорителях ракетоносителей, осуществляющих полеты международных транспортных космических кораблей Спейс-Шаттл, массы ВУ составляли более сотни килограммов.
     ВУ должно гарантированно выполнять свое назначение в том числе и после длительного периода хранения РДТТ, исчисляемого годами.
     ВУ являются средствами, которые осуществляют запуск РДТТ, в ходе которого изделие переводится из режима хранения в составе ракеты (на складе, на боевом дежурстве) в состояние непосредственного использования по назначению.
     С точки зрения теории критических ситуаций это случай перехода искусственного объекта реального мира из одного состояния в другое, то есть имеет место критическая ситуация.
     В данной работе рассматривается работа многофункционального ВУ в процессе такого перехода РДТТ. Функционирование этого устройства зависит не только от действующих нагрузок в момент запуска РДТТ, но и также от внешних возмущений в период хранения, то есть от предыстории состояния ВУ.
     Исследование объекта реального мира в критической ситуации проводится специальным методом математического моделирования, который позволяет исследовать проявления комплекса свойств, имеющих различную физическую природу, происходящие в периоды хранения и использования по назначению под воздействием расчетных и нерасчетных внешних возмущений.
     Работа состоит из пяти глав и приложения.
     В первой главе рассмотрены роль и место ВУ в конструкциях крупногабаритных РДТТ, выполнен обзор конструктивно-компоновочных схем, анализ их энергонесущих элементов. Также определены основные факторы процесса воспламенения, влияющие на возникновение и развитие критических ситуаций.
     Теоретические и экспериментальные исследования нестационарных процессов в начальный период работы РДТТ, связанных с воспламенением топливного заряда, отражены в работах таких ученых, как Д.И. Абугов, В.Е.Алемасов, А.В.Алиев, В.М.Бобылев, С.ДВаулин, В.Н.Гринберг, А.Ф.Дрегалин, Б.Т.Ерохин, В.В.Калинин, А.М.Липанов, Г.Ю.Мазинг, Б.В.Орлов, А.А.Шишков, W.E.Robertson и других.

3

Работоспособность воспламенительного
устройства крупногабаритного РДТТ ...

Ф.А.УРАЗБАХТИН, А.А.КОРЕНЕВ

      Анализ работ этих исследователей позволил утверждать, что качество функционирования ВУ можно оценить комплексом характеристик.
      Несмотря на то, что ВУ отличаются разнообразием конструктивнокомпоновочных схем, видом и типом энергонесущих элементов, удалось выявить факторы процесса воспламенения, которые оказывают влияние на возникновение и развитие критических ситуаций.
      Во второй главе на основе системного подхода введен и обоснован ряд положений теории критических ситуаций для такого технического объекта, как ВУ топливного заряда РДТТ. Эти положения: определяют объект исследования как часть реальной действительности, которая является преобразователем входного потока энергии; полагают, что его жизненный цикл состоит в накоплении и расходе энергозапаса. На основе этих положений выделена техническая система, как абстракция в сознании субъекта; установлена сущность процесса функционирования, доказано возникновение в процессе жизнедеятельности таких объектов предельных состояний начинается с критической ситуации, развитием которой можно управлять.
      В третьей главе дано описание параметров технической системы - ВУ топливного заряда РДТТ, которые количественно оценивают действия факторов внешнего воздействия с точки зрения возникновения критических ситуаций при технической эксплуатации и использовании по назначению - воспламенении топливного заряда РДТТ.
      При описании всех этих параметров изложены также методы, средства их экспериментального и расчетного определения. Сами параметры классифицированы на группы: геометрические размеры и соотношения элементов ВУ; характеристики материалов, из которых изготовлены части ВУ; механические и температурные воздействия на элементы ВУ при хранении и в период использования по назначению; эксплуатационные параметры - выходные характеристики зажигания топливного заряда и воспламенителя, условия разрушения мембраны РДТТ.
      В четвертой главе представлено описание математической модели ВУ. Ее структура представляется в виде комплекса показателей - индикаторов критичности. Такая структура основана на классификации оценок проявляемых свойств элементами ВУ. Интегрированными свойствами считаются энергосостояния, прочность, устойчивость, трещиностойкость, дефектность.
      Построение выражений показателей - индикаторов критичности в математической модели осуществлено с учетом имеющихся статистических данных о значениях входных параметров и представляются в виде аналитических зависимостей, основным аргументом которых, в конечном итоге, является время -1.
      В пятой главе проведено математическое моделирование процесса эксплуатации ВУ топливного заряда РДТТ первой ступени «тяжелой» баллистической ракеты, в ходе которого количественно оценивается развитие критической ситуации, возникающей при запуске РДТТ.

4

ВВЕДЕНИЕ

     Для этого математическая модель оценки была реализована в программном комплексе. Исходными параметрами являются геометрические параметры, механические и теплофизические свойства материала и действующие нагрузки на элементы ВУ топливного заряда РДТТ.
     С помощью этого программного комплекса по исследованию процесса развития критических ситуаций определено состояние ВУ с точки зрения выполнения поставленных задач, а также его действительный срок эксплуатации. При этом выявлены наиболее критичные элементы ВУ.
     С помощью математического моделирования установлены моменты возникновения критических ситуаций, значения параметров и показателей в них, а также предложены мероприятия по использованию ВУ в том числе и после истечения назначенного ранее гарантийного срока эксплуатации.
     В приложениях представлены перечни параметров геометрии, внешних воздействий, а также характеристик материалов, из которых изготовлен рассматриваемый ВУ. Все они в программном комплексе использованы при определении критических ситуаций, возникающих при эксплуатации ВУ.
     Представленный материал в доступной форме сопровождается графиками, схемами, примерами. Данная работа является результатом научных исследований в области теории критических ситуаций применительно к объектам ракетной техники. В ней широко были использованы литературные источники, а также собственные научные разработки. Введение, заключение, первые две главы написаны Ф.А.Уразбахтиным, остальные главы - к.т.н. А.А.Кореневым. Общая редакция и руководство научным коллективом осуществлял д.т.н., профессор Ф.А.Уразбахтин.

5

ГЛАВА 1.

ВОСПЛАМЕНИТЕЛИ ТВЕРДОТОПЛИВНЫХ РАКЕТ


1.1. Роль и место воспламенительных устройств в РДТТ
     Ракета является высокоскоростным транспортным средством, которое используется для доставки грузов, людей, космических аппаратов в космос. Являясь беспилотным летательным аппаратом, с ее помощью осуществляется доставка боеприпасов к поражаемым целям, расположенным в глубине территории противника.
     В первом случае такое транспортное средство называется ракетоносителем, который находит большое применение в космонавтике.
     Во втором случае, ракета как средство доставки ядерных, фугасных, осколочных боезарядов составляет основу современного ракетного вооружения различных родов войск.
     Небольшие размеры, высокая скорость перемещения и малая уязвимость средствами противника делает ракеты весьма эффективным оружием, находящимся на вооружении большинства стран мира.
     Наличие на борту всех компонентов топлива позволяет ракете осуществлять полет как в атмосфере - в непосредственной близости от Земли, так и глубоко в космическом пространстве, то есть в условиях полного вакуума.
     Абсолютное большинство современных ракет оснащено химическими двигателями, рабочим телом которых является твердое, жидкое или гибридное топливо. В ходе химической экзотермической реакции в камере сгорания таких двигателей между компонентами топлива - горючим и окислителем, возникают продукты сгорания в виде горячих газов, истечение которых создает реактивную струю.
     Движение этой струи через сопло создает силу тяги, с помощью которой ракета перемещается в пространстве. Такой процесс создания тяги известен как принцип возникновения реактивного движения.
     В последнее время значительный интерес представляют РДТТ. В них топливный заряд (ТЗ) представляется в виде композиции из окислителя и горючего, которые находятся в твердом агрегатном состоянии. Образующиеся при сжигании такого заряда горючие газы (их еще называют продуктами сгорания), двигаясь вдоль камеры и проходя через сопловой блок, и создают силу тяги.
     С энергетической точки зрения в таких двигателях потенциальная химическая энергия ТЗ превращается в кинетическую энергию продуктов сгорания и затем в механическую энергию, интенсивность которой определяется силой тяги.
     В простейшем случае РДТТ состоит из корпуса - 2, топливного заряда -1, соплового блока - 3 и воспламенителя - 4 (рис.1.1).
     Корпус - 2 является силовым элементом РДТТ и имеет форму прочного сосуда в виде совокупности сферической и цилиндрической оболочек. Внутри него располагается ТЗ -1.


6

ГЛАВА 1
Воспламенители твердотопливных ракет

     С помощью ВУ - 4 ракетный двигатель осуществляет переход из состояния хранения в состояние, при котором создается сила тяги. Это происходит путем зажигания ТЗ в камере сгорания.
     С нашей точки зрения переход РДТТ из одного в другое состояние всегда сопровождается критической ситуацией, развитие которой в данном случае должно быть управляемым [121, 245, 246, 257, 276].
     Образующиеся в процессе сгорания ТЗ газ имеет высокую температуру. Их накопление в камере приводит к созданию переменного вдоль камеры давления и движению его вдоль соплового блока.
     Итак, РДТТ на стадии своего жизненного цикла, называемый эксплуатацией, последовательно находится в двух состояниях: технической эксплуатации - хранения в составе или вне ракеты и непосредственного использования -создания тяги (рис.1.2).



Рис.1.1. Схема РДТТ:
1 - топливный заряд; 2 - корпус; 3 - сопловой блок; 4 - воспламенительное устройство

     Поскольку переход от одного в другое состояния сопровождается критической ситуацией, развитие которой приводит к запуску РДТТ, управление ходом и развитием которой осуществляется ВУ, то становится ясным важность и обязательность этого элемента двигателя (рис.1.3).


Рис.1.2. Состояния запуска РДТТ

     В ходе развития этой критической ситуации происходит прогрев верхнего слоя поверхности ТЗ продуктами сгорания, создаваемыми ВУ. Непосредственное зажигание ТЗ в камере сгорания РДТТ происходит при достижении определенного давления и температуры. Развитие критической ситуации должно быть таким, чтобы возникший процесс горения ТЗ был устойчивым.


7

Работоспособность воспламенительного
устройства крупногабаритного РДТТ ...

Ф.А.УРАЗБАХТИН, А.А.КОРЕНЕВ

Рис. 1.3. Структурная схема запуска РДТТ

     Многократные наблюдения за испытаниями РДТТ показали, что развитие этой критической ситуации - воспламенение ТЗ является сложным процессом, в основе которого лежат экзотермические реакции, связанные с выделением теплоты. Причем количество выделяемой теплоты значительно превосходит тепловые потери, происходящие в камере РДТТ. Степень сложности этих процессов в ВУ еще более увеличивается, если они происходят при воспламенении крупногабаритных РДТТ.
     Другими словами, само функционирование ВУ сопровождается критическими ситуациями, необходимость исследования которых важно для обеспечения надежного и программного запуска РДТТ.
     На развитие критических ситуаций внутри ВУ оказывает существенное влияние увеличение длительности периода хранения. Это связано с тем, что ВУ как материальные объекты с течением времени подвергаются изменениям в результате действия факторов, связанных с воздействием внешней среды.
     Все эти обстоятельства вынуждают предъявлять к конструкции ВУ как средству управления ходом развития критических ситуаций РДТТ специальные требования, выполнение которых должно привести к расчетному горению ТЗ и созданию необходимого изменения закона реактивной тяги.
     Одним из основных в этих требованиях является обеспечение заданных длительности и надежности выхода на режим устойчивого горения ТЗ. Для этого в ходе работы ВУ должны быть достигнуты установленные значения времени задержки воспламенения, температуры, давления, интенсивности теплового потока, а также общей продолжительности функционирования.
     Совокупность значений всех этих характеристик ВУ определяют ход развития критической ситуации, связанной с зажиганием ТЗ, то есть запуском РДТТ.
     Развитие этой критической ситуации с РДТТ напрямую связано с развитием критических ситуаций, которые могут и возникают внутри ВУ.
     Необходимость исследования критических ситуаций внутри связана с обеспечением требований безотказности запуска РДТТ в ракетах, используемых в космонавтике и в военных целях.
     При этом актуальным является выполнение еще и дополнительного требования - недопустимости самопроизвольного срабатывания ВУ.

8

ГЛАВА 1
Воспламенители твердотопливных ракет

     Теоретические и экспериментальные исследования процессов, возникающих при воспламенении ТЗ в РДТТ, проводили Д.И. Абугов, В.Е. Алемасов, А.В. Алиев, В.М. Бобылев, В.Н. Гринберг, А.Ф. Дрегалин, Б.Т. Ерохин, В.Г. Жималохин, Б.П. Жуков, В.В. Калинин, Ю.Н. Ковалев, А.М. Липанов, Г.Ю. Мазинг, Б.В. Орлов, С.Д. Панин, В.Ф. Присняков, В.И. Розенбанд, Б.В. Румянцев, К.П. Самсонов, А.П. Тишин, А.А. Шишков, W.E. Robertson и другие отечественные и зарубежные ученые [1, 8, 35, 80, 89, 90, 91, 109, 174, 189, 191, 193, 197, 198, 199]. По их мнению, развитие критической ситуации с РДТТ, состоящей в зажигании воспламенительного состава (ВС) и выходе двигателя на стационарный режим работы, состоит из последовательности процессов, имеющих физико-химическую и газодинамическую природу.
     Каждый из этих процессов содержит в себе критические ситуации, развитие которых зависит от многих факторов, среди которых наиболее важными являются химический состав ТЗ и воспламенительных зарядов, температуры, давления воспламенения и горения составов, а также формы поверхности ТЗ, свободного объема, начальной температуры и давления в самой камере РДТТ.
     Начало критической ситуации РДТТ происходит с момента подачи электрического импульса. Результатом является зажигание инициирующего и затем промежуточного составов. Последний состав воспламеняет основной ВС и в камеру сгорания поступает теплота. При этом повышается давление в камере РДТТ за счет поступления продуктов сгорания.
     Ход развития критической ситуаций с РДТТ существенно зависит от массы и размеров ВС. Результаты ее развития должны быть такими, чтобы достигались в течение воспламенительного периода значения параметров и характеристик, при которых происходит зажигание ТЗ. И, здесь на развитие критических ситуаций влияние оказывают конструктивные характеристики ТЗ и камеры сгорания, а также воздействия окружающей среды.
     Вообще, количество теплоты, выделяемое в процессе горения ВС, должно быть достаточным для повышения температуры поверхности ТЗ до значения, при котором начинается устойчивый процесс горения твердого топлива. Развитие критической ситуации с РДТТ, в этом случае, зависит от плотности теплового потока, давления и состава продуктов сгорания, скорости движения потока продуктов сгорания, омывающего поверхность ТЗ.
     Заметим, конструкция и характеристики ВУ определяются площадью поверхности горения, формой и размерами ТЗ и камеры сгорания РДТТ, а также начальными значениями давления и температуры.
     Воспламенительные устройства РДТТ, имея минимальную массу и габаритные размеры, обеспечивают высокую надежность воспламенения поверхности ТЗ, а также безопасность при эксплуатации и хранении в заданных условиях. Однако в ходе длительного хранения происходят изменения внутрибалли-стических характеристик ВС.
     Компоненты ВС должны обеспечивать воспламенение и самоподдержи-вание экзотермической реакции. И, здесь, развитие критической ситуации

9

Работоспособность воспламенительного
устройства крупногабаритного РДТТ ...

Ф.А.УРАЗБАХТИН, А.А.КОРЕНЕВ

РДТТ определяется выбранным составом ВС и выполняемыми функциями. А они различны в промежуточном или основном зарядах.
     На развитие критической ситуации РДТТ при воспламенении ТЗ оказывают влияние также форма и размеры элементов ВС. От них зависят содержание газовой и конденсированной фаз, температура и скорость горения, которые определяют свойства продуктов сгорания ВС.
     ВУ испытывает значительные механические и тепловые нагрузки, возникающие в процессе запуска крупногабаритных РДТТ. Они также могут оказаться причиной отклонения от нерасчетного развития критической ситуации.
     С начального периода работы ВУ и до момента выхода продуктов его сгорания в камеру РДТТ происходит резкое повышение давления и температуры газов. Рост давления в корпусе ВУ в течение периода времени 0,001..0,100с происходит от начальных значений до 2,0..10,0 МПа. И это сопровождается ростом температуры продуктов сгорания до 2000..3000К.
     Интенсивный теплообмен продуктов сгорания приводит к быстрому нагреву и появлению температурных полей и напряжений в элементах конструкции ВУ. При определенных значениях происходит возникновение и развитие критических ситуаций в самом ВУ. Результатом могут оказаться недостаточная прочность конструкции ВУ.
     При нормальной работе ВУ высокотемпературные продукты сгорания, поступающие из ВУ в камеру РДТТ, постепенно повышают давление и температуру в камере сгорания РДТТ. При этом подвергаются воздействию высокотемпературных продуктов сгорания элементы конструкции ВУ, находящиеся внутри корпуса ВУ. Температура продукты сгорания в камере основного РДТТ при достижении рабочего давления достигает 2500...3500К.
     В этих условиях развития критической ситуации в ВУ по воспламенению топливного заряда может не произойти, или произойдет взрыв. Исключение такого развития критических ситуаций можно достигнуть путем подходящего подбора состава для ВУ по таким характеристикам, как температура, скорость горения или количество твердых частиц. При этом должно быть исключено образование нежелательного пика давления при запуске РДТТ.
     Заметим, при недостаточной массе ВС развитие критической ситуации приводит к затяжному выходу РДТТ на стационарный уровень давления. В случае избыточной массы результатом критической ситуации оказывается образование пика давления в камере сгорания РДТТ.
     Таким образом, в ВУ, обеспечивающим расчетное развитие критической ситуации в РДТТ в ходе функционирования, могут возникать критические ситуации, но уже не расчетные.
     В последнем случае произойдет нерасчетное развитие критической ситуации с РДТТ. Результатом этого развития будет, или невоспламенение ТЗ, или разрушение камеры сгорания РДТТ. В любом случае, ракета, как транспортное средство не выполнит свое основное назначение.

10