Главная | Двигатели => МА-40 => МА-40-7
Двигатель МА-40-7 (Р-40-2)
Введение Испытание двигателя Параметры двигателя
Двигатель после испытания Сборка двигателя Выводы

Введение В начало

Разработана новая расчётная компьютерная термодинамическая модель двигателя в программе FloWorks.

Диаметр канала был выбран постоянный по всей длине корпуса двигателя, а его диаметр примерно масштабно по аналогии с Шаттловского ускорителя. При этом получилось общее удлинение топливной шашки 1:6 без учёта топлива в конусных сегментах.

Обзаведясь новенькой системой электрического зажигания, данный проект двигателя был оснащен уже нихромовым запалом, подведённым точно к нужному месту, от куда должно было начаться горение топливного заряда. Применение обычного варианта доставки зажигания через сопло внутрь камеры сгорания, я считаю неудачным решением, так как при этом раскалившиеся части от запала могут коснуться поверхности топлива в канале в ненужном месте и вызвать преждевременное локальное воспламенение топливной поверхности.

Данный двигатель выполнен из ватмана, пропитанного жидким стеклом. Внутренняя поверхность камеры сгорания полностью покрыта клеем TITAN в надежде на его относительную ударную вязкость, если произойдёт растрескивание хрупкого кольцевого заряда от давления, что должно, возможно, снизить ударную нагрузку образовавшихся осколков на корпус. Сопло полностью выполнено из того же материала, так как пропитанный жидким стеклом ватман, при обжиге даёт композицию наподобие силицированного графита с волокнистой структурой, что повышает стойкость угля к химическому разрушению от продуктов сгорания. Ориентировочно такое сопло должно будет иметь минимальный прогар по сравнению с простой глиной или сталью.

Чертёж твердотопливного двигателя МА-40-7 (Р-40-2)

Испытание двигателя МА-40-7 (Р-40-2) В начало

Температура воздуха на месте испытания +10°С.

В результате испытания двигателя произошло полное радиальное разрушение всего корпуса сразу при запуске двигателя и попытки выйти на режим. Причины этого пока не ясны точно, но скорее всего давления оказалось больше ожидаемого, а прочность корпуса ниже расчётной, полученной на опытных образцах.

К данному испытанию двигателя прилагается раскадровка видео с крупного плана.

Заметно было и значительное движение корпуса двигателя вдоль линии действия силы тяги, фактически карандаши не смогли бы удержать такую мощность, так как тяга по всей видимости могла доходить в своём значении до нескольких килограмм-сил! В следующий раз нужно будет позаботиться о дополнительном массивном упоре для двигателя, чтобы избежать его срыва с места испытания.

Время воспламенения составило примерно 18,3с, что многовато но не критично, так как по полученным обломкам было видно, что воспламенение шло равномерно и одновременно по всей длине свода топлива, так что на воспроизводимость результатов это не окажет никакого влияния.

Параметры двигателя В начало

Данные о двигателе сведены в таблицу.

Таблица 1 - Параметры двигателя МА-40-7 под серийным номером Р-40-2.
Топливо
Двигатель Р-40-2
Окислитель NaNO3 (Нитрат натрия) - 58%
Окислитель примесь NH4NO3 (Нитрат аммония) - 1%
Горючее связующее C6H14O6 (Сорбит) - 30%
Добавка S(сера) – 11%
Конструктивные параметры
Внутренний диаметр корпуса, мм 40
Средний диаметр канала, мм 18
Длина заряда без конусных частей, мм 240
Полная длина канала, мм 290
Критический диаметр сопла, мм 10
Степень расширения сопла по диаметру (начальная ÷ конечная) 1,6
Начальный Кн 262
Конечный Кн 480
Масса корпуса двигателя (измеренная), г 90
Масса топлива двигателя (измеренная), г 525
Коэффициент массового совершенства 0,171
Коэффициент объёмного заполнения камеры двигателя топливом 0,777
Время воспламенения топлива, с 18,3
Расчётная нагрузка разрушения цилиндрических обечаек, кгс/см2 35
Расчётная разрывная нагрузка сегментов по оси для креплений, кгс/см2 25

Двигатель после испытания В начало

Рисунок 1
Место испытания

После испытания двигателя получилась вот такая вот картина. Один карандаш выкорчевало из грунта, когда двигатель начал своё движение. К счастью этот процесс оборвался взрывом...

Рисунок 2
Фрагменты двигателя

Отдельные фрагменты двигателя разлетелись не так далеко, где-то в радиусе 2м. Те, что поменьше по навесным траекториям разлетелись в радиусе 8м.

Рисунок 3
Собранные фрагменты двигателя

Походил по месту разлёта осколков и собрал всё, что смог найти. Даже рассортировал их между собой на осколки топлива и осколки корпуса.

Рисунок 4
Топливные фрагменты

Уличный и домашний осмотры осколков топлива показал и доказал, что вся поверхность канала топлива воспламенилась равномерно и одинаково по всей длине канала. Никаких казусов здесь, вроде локальных выгораний не возникло. А вот внешней поверхности топлива возникли пузыри, которые скорее всего образовались в результате самонаддува из-за термического воздействия на клей ТИТАН топливом при его заливке в корпус двигателя.

Рисунок 5
Фрагменты корпуса

А вот по фрагментам корпуса сложно было делать какие-нибудь выводы, его просто раскрошило на множество мелких и не очень мелких кусочков. При этом видно лишь то, что адгезия топлива к застывшему клею ТИТАН, которым был промазан корпус изнутри, незначительная, что не очень хорошо.

Рисунок 6
Сопловый блок

Сопловый блок почти уцелел, его порвало на две части и столько с верхней стороны. Само сопло осталось на месте, а изнутри было хорошо видно, как начался интенсивный тепловой и эрозионный процесс разрушения. Жаль, что двигатель почти ничего не отработал на режиме по времени, поэтому на данный момент трудно судить о реальной тепловой стойкости данного материала в сопле.

Рисунок 7
Топливо после повторного застывания

Фрагменты топлива пролежав сутки в домашних условиях полностью застыли, так как после испытания вся поверхность канала была подплавлена на глубину 0,5÷1мм. Соответственно их текстура несколько изменилось, и, конечно, от селитрованной бумаги не осталось и следа.

Сборка двигателя В начало

Рисунок 8
Создание цилиндрических обечаек корпуса

Раскрой, пропитка, вальцовка и склейка цилиндрических обечаек топлива. Напряг один момент связанный с пропитываем листов ватмана целой полосой в три слоя для внутреннего диаметра 40мм. Весь лист опускался в горячий кипящий раствор жидкого стекла. мало того, что сам раствор быстро густел при испарении воды и сильно менял свою вязкость уже при незначительном изменении концентрации воды, так ещё и явно сильный перегрев где-то 120⁰С привели к сильным наплывам жидкого стека на поверхности ватмана и его пожелтению соответственно. Наплывы пришлось удалять сразу вручную, пока ещё клей не высох, а вот желтизна оказалась неустранимым браком, как выяснится позже - это станет причиной ослабления прочности силикатного ватмана в данном двигателе.

Рисунок 9
Осевая стыковка сегментов двигателя

Стыковка сегментов двигателя на этот раз выполнялась лишь короткими ленточками, которые просто склеивали локально между собой обечайки корпуса. Это позволяло повысить массовое совершенство двигателя, уменьшив массу за счёт ухода от полностью продольного соединения, как было на предыдущем двигателе МА-40-7 (Р-40-1).

При этом тоже возникли проблемы с точной подгонкой поверхностей обечаек корпуса, которые ещё и топливом не были заправлены. Это несколько осложнило процесс склеивания, так как приходилось долго ждать и очень постепенно склеивать всю площадь осевых креплений, так как тут каждый квадратный сантиметр на счету, а лишние неровности совсем не способствовали качественному приклеиванию и приводили к постоянному преждевременному отрыву данного клеевого соединения.

Рисунок 10
Заправка двигателя топливом

В итоге была собрана труба-корпус вместе с сопловым блоком. Заправка получившегося корпуса делалась по старинке, когда осталось только заглушку приклеить, в корпус двигателя вставлялся каналообразующий стержень до самого сопла, изолированный селитровой бумагой, и потом просто последовательно порциями закладывалось топливо с последующей трамбовкой каждой порции. На этой стадии никаких сюрпризов не возникло, всё получилось качественно.

Рисунок 11
Разделительная перегородка

Для воспроизведения конструкции деления внутреннего пространства камеры сгорания на отсеки воспламенительный и основной, как было сделано в двигателе МА-20-7 (Р-20-16), была применена многослойная бумажная перегородка, выполненная в виде кольца и установленная прямо на топливо с торца, как бронировка.

Рисунок 12
Воспламенительная камера

Заправка головной части двигателя или его воспламенительного отсека на сей раз прошла легко и без проблем, так как новая система электрического зажигания, проведённая прямо через заглушку двигателя, существенно упростила конструкцию всего двигателя. Главное теперь, чтобы надёжность срабатывания была на уровне 100% иначе весь двигатель пойдёт в утиль.

В качестве основного и инициирующего воспламенительного состава применена селитрованная бумага, свёрнутая в рулон и установленная вглубь топлива так, чтобы горение постепенно развивалось с её торца на глубину, также постепенно зажигая топливо в воспламенительной камере, которое в свою очередь запустить горение топлива в основном отсеке.

Рисунок 13
Готовый двигатель

В результате сборки данного двигателя получился очень даже неплохой результат для первого раза. Данный корпус двигателя полностью выполнен из силикатного ватмана, что было сделано мной впервые в таких больших масштабах. Хотя и возникли некоторые неприятности, но я думаю, что их можно будет легко устранить в будущем.

Рисунок 14
Сопловая мембрана

В завершении сборки двигателя, на сопло устанавливается влагоизолирующая мембрана из алюминиевой фольги, необходимая для того, чтобы предотвратить намокание поверхности топлива внутри двигателя от атмосферной влаги.

Выводы В начало

Из-за простоты расчётной модели не удалось добиться точного моделирования данного двигателя в вычислении длины корпуса. При пуске, из-за нарастания давления в камере сгорания, в результате сильных напряжений, возникших в толстостенном цилиндрическом топливом заряде, произошло разрушение этого заряда в радиальном направлении вместе с корпусом - взрыв. Также не оправдал своих ожиданий и слой из клея TITAN в отношении вязкости. Обнаруженные небольшие полости на наружной поверхности заряда, скорее всего появились из-за высокой температуры во время заправки двигателя топливом до 120°С, что повлекло за собой локальное вспучивание клея TITAN, который и надул эти пузыри.

Разрушение двигателя МА-40-7 (Р-40-2)
  1. Необходимо изменить схему нагружения топливного заряда с разрывной на схему сжатия, и передать нагрузку от давления газа на корпус двигателя.
  2. Нужно усовершенствовать технологию пропитывания ватмана жидким стеклом, и дополнительно усилить корпус с 3-х слоёв до 4-х.
  3. Нужно убрать прослойку клея TITAN между топливом и корпусом, чтобы больше не было пузырей в топливе, так как это уменьшает плотность заполнения камеры сгорания топливом.
SashaMaks © 28.10.2007
Любительские высотно-скоростные ракеты 1996-2016