ОСОБЕННОСТИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ КАМЕРЫ РАКЕТНОГО ДВИГАТЕЛЯ МАЛОЙ ТЯГИ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ АДДИТИВНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК621.454.2:004.9

ОСОБЕННОСТИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ КАМЕРЫ РАКЕТНОГО ДВИГАТЕЛЯ

МАЛОЙ ТЯГИ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ АДДИТИВНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

*

Н. С. Шестов , П.А. Бривкальн, Е. Е Жигурова, К. Е. Мумбер Научный руководитель - В. П. Назаров

Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31

*E-mail: [email protected]

Рассмотрены особенности проектирования камеры ракетного двигателя малой тяги, предназначенной для изготовления методом аддитивных технологий.

Ключевые слова: Аддитивные технологии, камера сгорания, ракетно-космическая техника, проектирование ракетных двигателей.

DESIGN FEATURES OF THE CHAMBER OF A SMALL THRUST ROCKETER ENGINE USING ADDITIVE TECHNOLOGIES

N.S. Shestov*, P. А. Brivkaln, E. E. Zhigurova, K. E. Mumber Scientific supervisor - V. P. Nazarov

Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarskii rabochii prospekt, Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation

*E-mail: [email protected]

The features of designing a chamber of a low-thrust rocket engine intended for manufacturing by the method of additive technologies are considered.

Key words: Additive technologies, combustion chamber, rocket and space technology, rocket engine design.

Темпы развития ракетно-космической промышленности требуют применения технологий производства, обеспечивающих значительное снижение затрат и сокращение сроков изготовления изделий. К передовым производственным технологиям следует отнести технологии селективного (аддитивного) лазерного сплавления металлического порошкового материала на 3Б-принтере (SLM-технологии), которые позволяют получать детали сложной пространственной формы.

Данные технологии уже применяются в производстве ракетно-технической техники. С помощью аддитивных технологий производят не только отдельные детали со сложной геометрией, но и некоторые узлы. Ракета Electron, компании RocketLab, имеющаяна первой ступени 9 двигателей Rutherford (RF-1) (которые, по большей части создаются с помощью 3Б-печати: камеры сгорания, инжектора, насосы, топливные клапаны), и двигатель RF-1V на второй ступени [1].

Обзор научно-теоретических публикаций и изучение каталогов отечественного технологического оборудования дает основания полагать, что практическое применение аддитивных технологий в ракетном двигателестроении России возможно при производстве ракетных двигателей малой тяги (РДМТ).

Актуальные проблемы авиации и космонавтики - 2022. Том 1

РДМТ являются основными двигателями, применяемыми в системах управления, ориентации и коррекции космических аппаратов (КА). Эти двигатели работают, в основном, в циклическом (импульсном) режиме. Длительность работы двигателя в течение одного цикла весьма непродолжительна, поэтому камеры ЖРДМТ не имеют проточного (регенеративного) охлаждения компонентами топлива. Теплостойкость обеспечивается соответствующим выбором материала, системой внутренней теплозащиты, другими конструктивными решениями камеры.

Вышеуказанные факторы являются определяющими при принятии решения о разработке и внедрении аддитивных технологий в опытно-конструкторское, а затем в серийное изготовление РДМТ.

Из анализа химико-металлургических и термодинамических явлений, протекающих при ЭБ-печати, следует сделать вывод, что максимальная эффективность новой технологии достигается при условии проектирования изделий на принципиально новой конструкторской базе, адекватно учитывающей особенности процесса селективного лазерного сплавления порошкового материала.

В данной работе представлены некоторые результаты разработки методики проектирования камеры РДМТ с номинальной тягой Р= 0,2 кН, работающей на газообразных компонентах топлива: природный газ метан (СН4) и кислород (О2). Выбор компонентов обусловлен экологической безопасностью и возможностью перспективностью этого вида топлива.

Проектирование камеры сгорания и смесительной головки проводилось с использованием учебных методик СибГУ им М.Ф. Решетнева [2-4], в ходе которого был проведен термодинамический расчет и построение геометрического профиля камеры, расчет осевых газовых форсунок окислителя и центробежных газовых форсунок горючего.

При проектировании изделий для ЭБ-печати следует учитывать особенности технологического оборудования.

Используя известные размеры камеры и платформы принтера, а также полученные при расчете габаритные размеры изделия выбираем расположение детали в пространстве рабочей зоны принтера. В нашем случае печать проводилась на принтере с размерами камеры 420х420х290, что больше многих принтеров в России.

Наличие поддержек (вспомогательных структур), служащих для поддержания выступающих элементов изделия, закрепления изделий на пластине построения - столе, уменьшения или устранения деформаций, так же является одним из основных условий ЭБ-печати.

При печати слои могут смещаться, если деталь не закрепить. Перемещение детали происходит из-за распределения нового слоя порошка поверх уже наплавленного или из-за деформации детали большого размера в процессе спекания. В последствии смещение детали может привести к ошибке печати или вывести оборудование в аварийный режим.

Деформация изделия возникает из-за внутреннего напряжения детали, связанные с распределением и компоновкой новых слоев и неравномерностью их остывания. Деформацию также могут вызвать внешние силы, влиянию которых подвержены высокие тонкие фрагменты, что приводит к неточности воспроизведения элементов из-за неправильного проектирования поддержек [5].

Рационально проектировать изделие с максимально возможными средствами самоподдержки:

- конструктивные углы должны быть >30°;

- использование скосов, фасок, скруглений на углах;

- максимально уменьшить вес и объем изделия;

- внутренние отверстия изготавливать в каплевидной форме.

Следует учитывать допуски при проектировании, поскольку в зависимости от используемого материала они могут отличаться от заданных. В процессе печати возникают внутренние напряжения, что может привести к отклонениям размеров.

По завершению печати деталь требует постобработке (отделение детали от стола, снятие поддержек, механическая обработка, термообработка, полировка, шлифование).

Исходя из вышеизложенного следует отметить, что проектирование изделий для производства методом SD-печати двигателей отличается от традиционных способов проектных работ. Во избежание больших затрат и сокращения времени проектирования следует развивать исследования в данном направлении.

Библиографические ссылки

1. Electronic textbook StatSoft [Электронный ресурс].ЦКЬ: https://www.technologyreview. com/2019/06/19/134877/rocket-lab-the-small-firm-that-launched-the-3d-printed-space-щурЫшп^дата обращения 13.02.2020).

2. Конструкция и проектирование жидкостных ракетных двигателей / Г. Г. Гахун, Баулин В. И., Володин В. А. и др. // М. : Машиностроение, 1989. 424 с.

3. Горностаев, В. И. Термодинамический расчет двигателя: учеб. пособие. / Сиб. аэрокосмич. акад. Красноярск, 1994. 39 с.

4. Добровольский М. В. Жидкостные ракетные двигатели. Основы проектирования : учебник для высших учебных заведений / ред. Д. А. Ягодников. 3-е изд., доп. М. : Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2016. 461 с.

5. Electronic textbook StatSoft [Электронный ресурс].ЦКЬ: https://top3dshop.ru/blog/ proektirovanie-pod-3d-pechat-metallom-dmlm-i-dmls.html (дата обращения:08.02.2020).

© Шестов Н.С., Бривкальн П. А., Жигурова Е. Е., Мумбер К. Е., 2022