Целая. Учебник для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальностям Летательные аппараты
 Скачать 32.33 Mb.
|
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ УКРАИНЫ ДНЕПРОПЕТРОВСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ Ф.П. САНИН Л.Д. КУЧМА Е.А. ДЖУР А.Ф. САНИН ТВЕРДОТОПЛИВНЫЕ РАКЕТНЫЕ ДВИГАТЕЛИ МАТЕРИАЛЫ И ТЕХНОЛОГИИ Допущено Министерством образования Украины как учебник для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальностям «Летательные аппараты», «Энергетические установки космических летательных аппаратов», «Системы управления летательными аппаратами и комплексами», «Ракетные космические аппараты» Дніпропетровськ Видавництво Дніпропетровського університету 1999 ББК 39.651.12Я73 Т 26 УДК 621.454.3(075.8) Рецензенты: д-р. техн. наук, проф. А. А. Рябовол (Укр. НИИ технологии машиностроения); д-р. техн. наук, проф. В. Е. Гайдачук (Харьковский авиационный институт) В учебнике изложены современные представления о работе твердотопливных ракетных двигателей применительно к работоспособности материалов и конструкций в экстремальных условиях высоких температур и скоростей газовых потоков. Широко представлены сведения о композиционных и тугоплавких материалах, технологиях создания на их основе конструкций, которые существенно отличаются от традиционных металлических. Учебник предназначен для студентов, обучающихся по специальностям «Летательные аппараты», «Энергетические установки космических летательных аппаратов», «Системы управления летательными аппаратами и комплексами», «Ракетные космические аппараты». Может быть полезен также аспирантам, инженерам, работающим в области новых материалов и технологий. Ф. П.Санін, Л.Д.Кучма, Є.О. Джур, А.Ф.Санін. Т 26 Твердопаливні ракетні двигуни. Матеріали і технології: Підручник.–Дніпропетровськ: Вид-во Дніпропетр. ун-ту, 1999. - 320 с. (Рос. мовою) ISBN 966–551–035–5 У підручнику викладені сучасні уявлення про роботу твердопаливних ракетних двигунів відповідно до працездатності матеріалів і конструкцій за екстремальних умов високих температур і швидкостей газових потоків. Широко представлені відомості щодо композиційних і тугоплавких матеріалів, технології створення на їхній основі конструкцій, які суттєво відрізняються від традиційних металевих. Підручник призначено для студентів, що навчаються за спеціальностями «Літальні апарати», «Енергетичні установки космічних літальних апаратів», «Системи керування літальними апаратами і комплексами», «Ракетні космічні апарати». Може бути корисним також аспірантам, інженерам, що працюють в галузі нових матеріалів і технологій.  Замовне ББК 39.651.12Я73 ISBN 966–551–035–5 ©Санин Ф.П., Кучма Л.Д., Джур Е.А., Санин А.Ф., 1999 ©Видавництво Дніпропетровського університету, 1999 ВВЕДЕНИЕ Твердотопливные реактивные двигатели (РДТТ) появились в Китае одновременно с изобретением пороха, а затем в Европе. Есть сведения о том, что еще запорожские казаки в 1516 году впервые применили реактивные снаряды в битве с турками. Значительно позже начали использовать реактивные снаряды на более высоком уровне. Всему миру известны знаменитые «катюши», которые наводили страх на врага во Второй мировой войне. Но твердотопливные маршевые двигатели для зенитных ракет, а тем более для стратегических ракет, стали разрабатываться сравнительно недавно. Кажущаяся простота самой идеи твердотопливного двигателя в конечном итоге воплощается в сложной конструкции и технологии. Ведь температура горения современных смесевых топлив доходит до 3 800 К, и, конечно, ни один традиционный материал не сможет работать в таких условиях; особенно это касается соплового блока двигателя. Если учесть, что конструкция должна быть сравнительно легкой, проектантам и технологам приходится буквально изощряться, чтобы удовлетворить этим требованиям. Так как условия теплообмена при работе РДТТ нестационарны, а расчетные температуры на рабочих поверхностях выходят за все разумные пределы, в книге рассматриваются особенности охлаждения материалов за счет абляции. Приведены понятия эффективной энтальпии, термостойкости, жаростойкости и жаропрочности, транспирационного охлаждения, что, к сожалению, при рассмотрении в учебных курсах собственно твердотопливных двигателей отсутствует. Учитывая, что работа любого теплозащитного покрытия сводится к работе углеродного остатка, в книге достаточно подробно рассматриваются углеродные материалы. Современный твердотопливный двигатель - это комплекс нетрадиционных конструкторских, технологических и материаловедческих решений. Практически двигатель на 80 % состоит из композиционных материалов (КМ), поэтому им уделено особое внимание. Это и полимерные материалы, и материалы с металлической матрицей, которые найдут широкое применение в 21 веке. Композиционные материалы рассматриваются применительно к конкретной детали или узлу для одного из гипотетических двигателей, близкого к реальному. Особое внимание обращается на работоспособность конструкции, ее прочностные и массовые характеристики, удельную прочность материалов. Рассматриваются нетрадиционные тугоплавкие соединения, кроме оксидов, которые освещены достаточно полно в литературе по огнеупорам, керамике и т. п. По этой же причине совсем не рассматриваются стали, хотя некоторые «ракетные» и близкие к ним металлы кратко освещены. Считая, что будущее принадлежит порошковым технологиям и комбинированным материалам из тугоплавких соединений и металлов, авторы приводят небольшой раздел по этому направлению. Конечно, книга не претендует на полноту изложения всех аспектов технологий твердотопливных двигателей и ограничивается рамками учебного курса, который определяется часами, отведенными по учебному плану, и несколько ограничен во времени. Мы не рассматриваем сборку, клеевые соединения, относящиеся в какой-то степени тоже к сборке, неразрушающие методы контроля, которым посвящена специальная литература, технологические испытания, механическую обработку, хотя обо всем этом немного вспоминаем. Надеемся, что предлагаемая книга представит интерес и как учебник, и как пособие для инженеров-технологов. ГЛАВА 1. ОСНОВЫ ТЕПЛООБМЕНА В ракетно-космической технике накоплен большой опыт в создании теплозащитных материалов. Верхним пределом применяемости самых жаропрочных материалов без тепловой защиты можно считать тепловые потоки |
| Материал | λ при 20ºС, Вт/(кг∙К) | С при 20ºС, кДж/(кг∙К) | Тпл, К | Qиспар, кДж/кг | ρ при 20ºС, кг/м3 |
| Медь | 386 | 0,37 | 1370 | 450 | 8950 |
| Алюминий | 293 | 0,92 | 950 | 650 | 2700 |
| Железо | 78 | 0,45 | 1800 | 790 | 7870 |
| Молибден | 148 | 0,25 | 2990 | 975 | 10200 |
| Вольфрам | 150 | 0,08 | 3680 | 1790 | 1900 |
| Бериллий | 167 | 2,18 | 1640 | 3690 | 1820 |
| Графит | 130 | 1,63 | 4100 | 9550 | 2290 теор. |
Обозначения: λ – коэффициент теплопроводности; С – удельная теплоемкость; Тпл – температура плавления; Q испар. – удельная теплота плавления; ρ – плотность вещества.
Среди газообразных охладителей наибольшей теплоемкостью обладает водород (С = 14,5 кДж/кг), на практике используются вода, спирт и т. п. (табл. 2). Расширить интервал допустимых тепловых потоков можно и за счет использования теплоты фазового превращения охладителя (испарения). Например, теплота испарения расплавленного лития составляет 20 500 кДж/кг, он кипит при температуре 1 590 К и давлении 105 Па.
Конвективное охлаждение применяется в камерах жидкостных ракетных двигателей, плазмотронах и т. п.
Массообменный принцип поглощения тепла может быть реализован в виде пористого, пленочного или заградительного охлаждения. При вводе холодного газа или жидкости в пристеночный слой набегающего потока толщина его увеличивается, происходит оттеснение горячего газа от охлаждаемой поверхности и интенсивность теплообмена снижается. Преимуществами данного способа можно считать сохранение внешнего вида поверхности, поддержание ее необходимой температуры.
Таблица 1
Свойства некоторых охладителей
| Вещество | μ, кг/моль | Ср при 370 К, кДж/(кг∙К) |
| Водород | 2 | 14,45 |
| Гелий | 4 | 5,20 |
| Вода (пар) | 18 | 2,14 |
| Аммиак (NН3) | 17 | 2,22 |
| Азот | 28 | 1,03 |
| Воздух | 30 | 1,00 |
| Метиловый спирт | 32 | 1,72 |
| Аргон | 40 | 0,52 |
| Глицерин | 92 | 2,40 |
| С02 | 44 | 0,91 |
Обозначения: μ - молекулярная масса; Ср - удельная теплоемкость.
Пленочное охлаждение реализуется в случае, если температура стенки не превышает температуры кипения жидкости, но, в конечном итоге, все будет определяться способом подвода тепла.
Наиболее эффективными охладителями являются вещества, обладающие максимальной удельной теплоемкостью и образующие газообразные продукты с минимальной молекулярной массой. Эффективным способом тепловой защиты является пористое охлаждение.
В качестве охладителя для кромок крыльев и рулей в сверхзвуковом потоке можно применять аммиак. Кроме охлаждения он еще и защищает от окисления, так как связывает кислород по реакции
4NH3 + 3O2 = 2N2 + 6H2O.
В пористых материалах из тугоплавких металлов можно использовать Ag, Сu, Zn, HLi (гидрид лития). Так в сплавах АВМГ и ВНДС используются пористая вольфрамовая матрица и медь. Пористое охлаждение можно применять и в МГД – генераторах, теплообменных аппаратах и т. д.