Обтюратор двигунного блоку спалимої ракети - носія Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 629.764

В. В. Смець

ОБТЮРАТОР ДВИГУННОГО БЛОКУ СПАЛИМО1

РАКЕТИ - НОС1Я

Розробка обтюратора - одна з важливих проблем створення спалимоТракети-нос1я. Обтюратор потр1бен для гермет1зацн \ демпфування рухомого двигунного блоку. Цю проблему можливо вир1шити на основ1 використання адаптивного магн1топорошкового ущ-¡лення, як доцльно поеднати в один вузол з демпером. За нашою оцнкою погонна маса обтюратора становитиме близько 50 кг/м, а загальна маса обтюратора - близько 15 % вд маси двигунного блоку.

Вступ

Задача вибору доцтьних типв i компонуваль-них схем перспективних ракет-носив з метою зни-ження вартост транспортних космiчних операцй е актуальною вже на протязi досить тривалого часу. Як ктька десятюв рокв тому [1], так i зараз [2] роз-глядаються авiацiйно- i повiтряно-космiчнi систе-ми, одноразовi i багаторазовi носiV i ракетн блоки, рiзнi способи i типи стартв i посадок. На нашу думку, певне коло транспортних задач, особливо виве-дення мiкросупутникiв, доцтьно буде розв'язува-ти за допомогою спалимих (автофажних) ракет-носив (СРН) [3]. Розробка СРН стикаеться з багать-ма проблемами, такими як розробка газифкацмнот камери (ГК) [4], компресора газоподiбних продуктв термiчноТ деструкцiТ' полiетилену (ПЕ) [5], гермети-заци [6] i демпфування [7] пересувного двигунного блока (ДБ) тощо. В цй статт пропонуеться оцнка маси обтюратора СРН в першому наближеннi. Така оцiнка е важливою для подальших проектних оц-нок маси корисного вантажу.

1 Компонувальна схема СРН i влаштуван-ня обтюратора

Варiант влаштування СРН наводиться на рис. 1. ПЕ бакова оболонка пд дiею тяги двигуна надхо-дить в ГК, де внаслщок термiчноТ деструкцп повнiстю перетворюеться на сумiш ^в (пiро-лiзований ПЕ). Пiролiзований ПЕ за допомогою компресора вилу-чаеться iз газифкацмнот камери i подаеться в камеру згоряння (КЗ). Рщкий окислювач подаеться в камеру згоряння звичайним ракетним насосом. В мiру витрачання палива ДБ, що складаеться з ГК i КЗ наближаеться до корисного вантажу i ракета скорочуеться.

Оскiльки ДБ ковзае по баковш оболонцi, то необхщно передбачити ковзкi конструктивнi еле-менти для передачi радiальних зусиль вщ ДБ на оболонку для керування ракетою. Очевидно, що поздовжня вюь ДБ протягом польоту не завжди спвпадатиме з поздовжньою вюсю баку внаслн док люфтiв мiж опорними елементами ДБ i бако-вою оболонкою. Отже, ДБ рухатиметься в радн

© В. В. Смець, 2007

5

Р "г

Г^ЭГ' 1

Рис. 1. Вар1анти компоновки СРН:

1 - корисний вантаж; 2 - газова подушка; 3 - рщкий окислювач; 4 - ПЕ оболонка; 5 - обтюратор; 6 - ГК;

7 - КЗ

альних напрямках в межах цих люфтв. Для уник-нення ударiв необхщно передбачити демпфери. ^м цього необхiднi ковзкi герметизатори для вщокремлення газифкацшноТ камери вщ баку окислювача i вiд зовншнього середовища. Таким чином, необхщно передбачити опорнi еле-менти, демпфери, герметизатори. Ц засоби доцтьно поеднати в одному вузлi - обтюраторк Вар-iант влаштування обтюратора наведений на рис. 2.

Бакова оболонка матиме технологчн i екс-плу-атацiйнi вiдхилення вiд форми круглого цилЫдра. Поверхня цет оболонки матиме мiсцевi нерiвностi i подряпини. З огляду на це в конструкци герметизатора доцльно поеднати тради-цйне контактне i нове магнiтопорошкове ущтьнення. Пiд дiею тиску над-дутот камери легкодеформiвний герметизатор адап-туватиметься до внутршньобаковот поверхнi. Маг-нтний порошок (МП) ущiльнюватиме малi (ктька мiлiметрiв) промiжки, що спричинятимуться мюце-вими нерiвностями i подряпинами [4]. Можливо зап-ропонувати такi матерiали для виготовлення обтюратора: фторопласт, наповнений високоенергетич-ним МП (Бт-Со, Ш-Рв-Б) для виготовлення легко-деформiвних магнiтiв герметизатора i демпфера; високоенергетичн високодисперснi МП у фторопластов^ оболонцi; фторопласт для поверхневого шару опорного кльця; високомолекулярний ПЕ низького тиску для баковот оболонки (вЫ може ви-користовуватись за крюгенних температур).

Рис. 2. Влаштування обтюратора:

2, 3, 4, 5, 6 - опорно-демпфiвний вузол; 8,9,12 - адаптивний герметизатор; 1 - корпус; 2 - пружний демпфер; 3 - ктьцевий постмний магнт магнтопорошкового демпфера; 4 - магнтний порошок демпфера; 5 - Кльцева магнтоп-роводна деталь магнiтопорошкового демпфера; 6 - ковзке опорне Кльце; 7 -оболонка баку; 8 - адаптивний легкодефор-мiвний кiльцевий магнт магнiтопорошкового герметизатора; 9 - магнтний порошок герметизатора; 10 - теплоiзоляцiя;

11 - газифiкацiйна камера; 12 - ктьцева наддута камера

2 Адаптивний магнггопорошковий герметизатор

Приймемо, що в першому наближенн тертям м1ж ДБ I баковою оболонкою припустимо знехту-вати. Запишемо р1вняння к1нетостатики для ДБ, який уявно вщокремимо в1д СРН (рис. 3):

^ - а>0С - юг -^тДБ = 0, (1) м

низ б

де ^ - стала тяга двигуна; Рос - тиск в ГК, р - тиск на внутр1шн1й поверхн1 рухомого бакового днища; / \ £ - площ1 поперечних до поздовж-ньо! ос1 РН перетинв ГК I паливного бака в1дпов1д-

но;

Ж

пдБ - поточне прискорення I стала маса

ДБ. З (1) випливае на перший погляд парадоксаль-ний результат [5]:

р LбРТ п0& х рос =—-х

1 -ц к

1 У ДБ п0 -[1 -Ц к

ц

ц

а т +1

(ау + 1)-аурнад. (2)

де Рнад - тиск наддуву окислювача; рТ - густина палива, п0 - стартове перевантаження; я - при-швидшення в1льного пад1ння; ц I цк - поточна I

Рис. 3. Сили, що д^ть на уявно вiдокремлений ДБ

кнцева в1дносн1 маси СРН; удБ - вщносна маса двигунного блока; ат - масове сп1вв1дношення

компонент1в палива; ау - об'ем-не сп1вв1дношен-ня компонент1в палива. Тобто тиск в ГК за Ыших р1вних умов залежить лише в1д довжини бака Ьб , а вщ маси СРН I 17 д1аметра не залежить! Це озна-чае 1снування деяко! мнмально! припустимо! довжини бака Ьт{п, тако!, що СРН з баком завдовжки меншим за Ьт{п створена бути не може, оскльки

прийнятн значення Рос не можуть бути забезпе-чен1 н1якими величинами !! стартово! маси I д1амет-ра М0 \ БРН . Також це означае, з Ышого боку, що може бути створена СРН, яка не потребуватиме агрегату подач1 пального в двигун, оскльки Рос буде таким великим, що його вистачить для реал-1заци подач1 витисненням, якщо Ьб перевищува-

тиме деяку межу Ьтах за будь-яких М0 \ БРН . Формула (2) протюстрована на рис. 4. Для подаль-ших розрахунк1в приймемо, що максимальний перепад тисюв АР, який мае витримати герметизатор

а

т

х

обтюратора згщно до рис. 4 становить близько 0,8 МПа. Розглянемо вар1ант влаштування адаптивного магнггопорошкового герметизатора, наведений на рис. 5. За вщомими формулами потр1бна максимальна напружен1сть магнггного поля в робочому пром1жку [8, 9]:

H m

АР

Ц0 •M(Hmax)

де M = M (Hmax) - намагыченють MarHiTHoro порошку; ц0 - магнтна стала. I noTpi6Ha довжина

магнту (сума довжин NW i US):

H

max

lM = kG

» в ж и н у

Рис. 4. ЗмЫа Pgc (при YдБ = 0,02) та P™3 протягом

польоту при H^AyBi окислювача газом з тиском Рнад на

Кнцевм дiлянцi польоту ( Цк = 0,068; Lg = 30 м; n0 = 1,5; рг = 940 кг/м2; a m = 3,4; av = 2,2):

HM

Тут HM - напруженють поля в нейтральному перетин; kG - коефiцieнт розсiяння. В першому наближенн приймемо HM = Hd, де Hd - напруженють в точц максимуму питомоУ магнтно''' енергп на кривiй розмагнiчyвання обраного магнтотвердо-го матерiалy; z - довжина робочого промiжкy, яку

DJ2.

Наприклад, якщо за допомогою МП, що мае ц0 • M(Hmax) = 1 Тл, i легкодеформiвного маг-нiтy, що мае Hd = 1000 кА/м, потрiбно запобiгти прори-ву речовини iз ГК, в серединi якоУ тиск АР = 0,8 МПа, через щтину з максимальною висотою A s 5 мм, то потрiбнi величини Hmax = 0,8106 А/м, lM = 24 мм, i Dm = 18 мм.

3 Магштопорошковий демпфер

Рис. 5. Варiант магнтно! системи герметизатора:

1 - наддута камера; 2 - немагнтний легкодеформiвний кiльцевий елемент; 3 - легкодеформiвний кiльцевий магнiт; 4 - МП; 5 - оболонка баку

Припустимо, що на ДБ дють лише постйна сила тяги F та сила Р , що створюеться внутршньоба-ковим тиском (рис. 1). Тертям мж ДБ i стнкою баку знехтуемо з огляду на його мализну. Не будемо враховувати також будь-як ^i сили опору, в тому чиЫ опр герметизатора та демпфера коливному рyховi ДБ. Тодi, згiдно до [6]

Р = F

^ Y ДБ n0 ^

1--

ц

(3)

Мiж опорними елементами ДБ i стнкою баку зав-жди iснyватимyть деякi люфти, що приводитиме до перекосв ДБ. Припустимо, що внаслщок випадко-вого збурення, ДБ вщхилився на малий кут ф0 > 0 i, з огляду на мализну промiжкy мж ДБ i баком, стикнувся з баком в точц А ( рис. 6, а). Будемо роз-глядати подальший рух ДБ як обертання навколо ос, що перпендикулярна до площини креслення i перетинае ïï в точц А. При цьому задля спрощен-ня викладок пересування точки А вздовж баку не розглядатимемо. Приймемо, що напрямок обертання проти годинниково'Г стртки е додатним:

- jdj£-pd

dt2 2 cosф

РН

+ F

D,

GC

2

= 0,

(4)

де J - момент Ыерци ДБ вщносно ос1 обертання. Зауважимо, що завдяки конструктивним властиво-стям герметизатор завжди затуляе ущ1льнюваний пром1жок, тому плеч1 сил ^ I Р зростають при збтьшены перекосу. Оскльки з урахуванням (3) для малих кутв завжди

1 - Рнад ; 2

T)HU3 . о Рб ; 3 "

PD

РН

С08 ф

:|FD(

GC\

Р

GC

то псля зникнення збурення ДБ обертатиметься в напрямку моменту сили Р вщносно ос, що проходить через точку стикання ДБ iз баком. Якщо

Ф = Ф0 при г = 0 , то iз (3) отримаемо:

Ф = Фо

t2 (w - z)

FD,

GC

PD,

РН

2

2J

2 J

. (5)

З (5) видно, що, дмсно, при зростанн часу г кут ф зменшуеться. Отже, якщо в початковий момент ДБ стикався з оболонкою бака в точц А (рис. 6, а)), то пд дiею моменту сили р вiн обертатиметься за годинниковою стрiлкою навколо ос, що проходить через точку А, доки не стикнеться з оболонкою в точц Е (рис. 6, б)). Вщтак почнеться обер-тання навколо ос, що проходить через точку Е проти годинниковот стртки, доки ДБ знов не стикнеться з оболонкою в точц А. На нашу думку, процес по-вторюватиметься протягом усього польоту. Його можливо назвати коливаннями ДБ.

На рис. 7 числовий розв'язок рiвняння (4) про-iлюстрований при ф0 = 3°; БоС = 2,2 м; ВРН = 2,0

м; у ДБ = 0,015; п0 = 1,2; М0 = 50000 кг; Я = |АМ| = 2

м (Я - радiус повороту центру мас ДБ вщносно ос, що проходить через точку Е або А). Припус-каеться, що вся маса ДБ зосереджена в його

центра тодi J = МдрЯ2. Як видно з графка, коли-

вання пришвидшуються в мiру витрачання пали-

Рис. 6. Половина коливного циклу ДБ:

а - обертання ДБ за годинниковою стрткою навколо ос, що проходить через точку А; б - обертання ДБ проти годинниковот стртки навколо ос, що проходить через точку Е (пюля закнчення обертання навколо ос, що проходить через точку А)

ва. В момент стикання ДБ з баковою оболонкою його бiчна швидкють (швидкють, нормальна до цет оболонки) грубо визначиться як

Vo = R

5ф St

i i3 рис. 7 отримаемо: < V0 s 2...4 м/с.

6°, St s 0,05......0,1 с i

Рис. 7. ЗмЫа кута перекосу ДБ протягом половини коливного циклу (в припущены, що за цей час ц = const)

Розглянемо один ступнь демпфера, що зобра-жений на рис. 8. Тут магнггы лУт проходять вщ полюса N до полюса Б через магнггопроводну деталь 3. Напруженють магнiтного поля в промiжку 2 зворотнопропорцйна ширинi цього промiжку. В ньо-му утримуеться МП. Вюь х з початком в точц О спрямуемо перпендикулярно до поверхн баковот оболонки. Припустимо, що ковзке опорне кльце обтюратора (поз. 6, рис. 2) стикаеться з баковою оболонкою на дтянц з центром в точцi Е (рис. 6, б)

в момент т0 , коли промжок мiж елементами обтюратора 1 i 3 становить х0 . Вiдтак починаеться змен-шення цього промiжку внаслiдок iнерцiйного руху ДБ. Бiчною (нормальною до повздовжньот ос СРН) компонентою рiвнодiючоТ сил р та р знехтуемо з огляду на мализну кута перекосу. В процес змен-шення промiжку на магнгг демпфера дiе сила опору л , що спрямована вздовж поверхн цього маг-нту i е обернено пропорцiйною до перемЦення х, тобто е пружною силою тертя. Внаслiдок дм опору бiчна швидкiсть ДБ зменшуеться до нуля. Завдя-ки цьому передача зусилля вщ ДБ на оболонку

z =

w =

б

а

бака вщбуваеться безударно. Опр X на одному ступен демпфера (тобто на д1лянц1 ОУО) зг1дно [7]:

X = к/р8 , (6)

де

р = ЦоМНт

(7)

к/ - коеф1ц1ент зчеплення; р(х) - тиск всередин1

об'ему, заповненого МП (визначаеться по-д1бно до пробивного тиску магнггопорошкового герметизатора). Максимальна напруженють магн1тного поля на одному ступен демпфера в пром1жку 2х виз-начатимемо под1бно до (10), як напруженють в ро-

бочому пром1жку магн1ту довжиною — 1М =

2 М 2

(в припущенн1, що напруженють магнтного поля в пром1жку зростае лУйно в1д нуля в точц У до максимуму в точках Э \ О):

н = н

М

М/ ,

/2 = н 1м_

2 х 4х

(8)

1з (10) видно, що, дмсно, оп1р зростатиме в м1ру зменшення х. Площа контакту магнггу I МП на одному ступен демпфера в проекци на поздовж-ню площину ракети:

^ = 1м®рн ■

(11)

Проекц1я опору на в1сь х з урахуванням (6......11) матиме вигляд:

л

л = С08- =

I 2 0

= -к/ВмРнм ~Мх~ С0Э- ,

де М^ - к1льк1сть ступен1в демпфера. За законом Ньютона

л2

а х

або

М ДБ-л ■

Ж х Е

Ж 2

(12)

Врахуемо, що

якщо

М = Вмр

Цо

(9)

де ВМР - магнггна 1ндукц1я МП в робочому про-м1жку. Приймаючи до уваги, що за ф1зичним зм1стом задач1 опр буде спрямований протилежно

перем1щенню х I з урахуванням (7......9), 1з (6) от-

римаемо:

Х = -к/ВМРНМ М .

4х

(10)

Рис. 8. До розрахунку демпфера:

1 - постйний магнiт; 2 - промiжок, що заповнюеться МП; 3 - магнтопроводна деталь демпфера

Е =

2 0

к/ВмрнмМ С08~

4 У дб поМ о

Нехай

тод|

Р =

Жх Ж '

Жр Е

р~г = — -

ах х

р = -Е 1п|х| + С .

В момент т0 початку процесу демпфування коли х = хо б1чна швидксть ДБ становить ¥0 :

жх=V

ж

о х = х

тод|

С = ¥0 + Е 1п| х0|,

Жх = Е 1п ^ + у0 Ж х

(13)

Зв1дси видно, що при вщ'емному У0 , швидк1сть ДБ зменшуеться (за модулем), якщо х зменшуеть-ся, починаючи в1д х0 . Числовий розв'язок р1внян-

х

о

Oбщиe вопросы двигaтeлecтpoeния

ня (12) за початкових умов

x = Xg| t=G ;

dx dt

- = V, It=G

i залежнiсть (13) протюстроваы на рис. 9 при характеристиках магнггу: 9 = 30°, 1т = 0,05 м, = 4, х0 = 0,02 м, НМ = 800 кА/м; при характеристиках магнггного порошку: к^ = 0,4, ВМР = 0,8 Тл; при характеристиках СРН: М0 = 50000 кг, ВРН = 2,0 м, у др = 0,015, п0 = 1, 2. З аналiзу рис. 7 i 9 видно, що час демпфування узгоджуеться з часом половини перюду коливання, що свщчить на користь достовiрностi розрахункiв.

4 Оцiнка маси обтюратора

З урахуванням розглянутих прикпадiв прийме-мо, що для СРН з DPH = 2м i АР = 0,8 МПа дiа-метр одного магнту герметизатора Dm = 18 мм; по-Tpi6Ha Кльксть магнiтiв - 1; потрiбна довжина демпфера i3 умови безударного стикання ДБ з баком бпизько 10 см; мнмапьна висота демпфера - при-бпизно 7 см. Для мiнiмiзацiï маси обтюратора не-обхдно спопучити герметизатор i демпфер в один вузоп. Приймемо, що середня об'емна густина обтюратора 3 г/см3; його прибпизна форма - Кльце з прямокутним перетином. Габариты розмiри: внутршнш дiаметр - 200 см, зовншнм дiаметр -215 см, довжина - 10 см. Тодi повна маса одного обтюратора mobt i його погонна маса становити-муть вщповщно бпизько 75 кг i 25 кг/м. Наприк-пад, для СРН з М0 = 50000 кг, n0 = 1,2 i уДБ = 0,015 додавання 2mobt ( зовн i зсередини баково!' обопонки) збiпьшить масу ДБ прибпизно на 17 %:

t.. rtt dt

ï.m

V - V

-i nW

Рис. 9. Демпфування коливань ДБ:

а - пересування ДБ в нормальному до баково!' оболонки напрямку пщ час процесу демпфування продовжувати-

меться приблизно Q.QQ4......Q.QQ7 с; б - пщ час процесу

демпфування нормальна до баково!' оболонки коливна швидкють ДБ згасае до того, як ДБ торкнеться це!' оболонки (безударне стикання)

new

Y ДБ

Висновки

2mnht

= Y ДБ +-= G,G175.

Реалiзацiя обтюратора з високою масовою дос-коналютю можлива на основi використання МП i легкодеформiвних магнiтiв з високими магнггними характеристиками (на рiвнi твердих магнтв). Такi матерiали потребують спецальнот розробки.

Для мiнiмiзацiТ маси обтюратора необхщно спо-лучити герметизатор i демпфер в один вузол. Доля маси такого обтюратора в мас ДБ становитиме близько 15 %, а погонна маса - близько 50 кг на 1 погонний метр перетину баковоТ оболонки.

Перелш посилань

1. Основы проектирования летательных аппаратов (транспортные системы) / В.П.Мишин, В.К. Безвербый, Б.М.Панкратов и др. - М.: Машиностроение, 1985. - 360 с.

2. Guy Ramusat. An overview of the ESA FLPP and the developments in structure technologies // Международная конференция «Передовые космические технологии на благо человечества», Тезисы докладов. - Днепропетровск, 2007. -С. 11.

3. £мець В.В., Санн Ф.П. Автофажн ракети-носп. На шляху вщ щеТ до реалiзацiТ. II. Спалення бакових оболонок // Системне проектування та аналiз характеристик аерокосмiчноТ технки: Збiрник наукових праць: Том III / Наук. ред. д.т.н., проф. А.С. Макарова. - Днпропетровськ: Навчальна книга, 2001. - С. 5-18.

4. Launch Vehicle with Combustible Polyethylene Fuel Tank. http://perocket.dnu.dp.ua

5. В.В. £мець. Експеримент з моделлю ракетного двигуна на газоподiбному полiетиленовому

а

б

пальному // Кос|Мчна наука i технолопя. - 2006. - Т 12. - № 2/3. - С. 103-107.

6. £мець В. Перекс рухомого двигунного блока в ракет з витрачанням баковоТ оболонки // Ма-шинознавство. - 2000. - № 11. - С. 25-28.

7. £мець В., ФтЫський Л. Дослiдження характеристик магнтопорошкового демпфера // Маши-нознавство. - 2001. - № 8. - С. 34-36.

8. Розенцвейг Р. Феррогидродинамика. - М.: Мир,

1989. - 356 с. 9. Постоянные магниты: Справочник / Под ред. Ю.М. Пятина. - М.: Энергия, 1980. - 488 с.

Поступила в редакцию 11.05.2007

Разработка обтюратора - одна из важных проблем создания сгораемой ракеты-носителя. Обтюратор необходим для герметизации и демпфирования подвижного двигательного блока. Эту проблему возможно решить на основе использования адаптивного магнитопорошкового уплотнения, которое целесообразно объединить в один узел с демпфером. По нашей оценке погонная масса обтюратора составит около 50 кг/м, а общая масса обтюратора - около 15 % от массы двигательного блока.

The greatest problem of the CLV realization is the obturator. It is needed for sealing the annular gaps between the moving engine module and tank shall as well as for damping the engine oscillations. We think that the problem of engine module sealing may be solved by means of the adaptive magnetic powder seal only because there are no conventional applicable seals. To minimize the obturator mass the integration of the magnetic powder seal with magnetic powder damper is expedient solution. The evaluation shows that mainly high-energy easily-deformable magnets based on Teflon as well as high-energy magnetic powder are necessary to reach acceptable characteristics of the obturators. The examples of evaluations are presented. The total mass of obturator will be approximately 15% of the engine module mass and the mass of one meter of the obturator along the tank circle will be approximately 50 kg under consideration of successful development of the obturator materials and structure.