Р-40-11

Главная страница

P-40-11

Топливо

Окислитель 1

NaNO3(Нитрат натрия) – 58%

Окислитель 2

NH4NO3(Нитрат аммония) – 1%

Добавка

S(сера) – 11%

Горючее

C6H14O6(сорбит) – 30%

Плотность, г/см3

1,87

Скорость горения при атмосферном давлении, мм/с

0,28

Конструктивные параметры

Внутренний диаметр корпуса, мм

40

Средний диаметр канала, мм

18

Длина заряда без конусных частей, мм

150

Полная длина канала, мм

195

Критический диаметр сопла, мм

8+0,25

Степень расширения сопла по диаметру

1,75

Начальный Kn (в момент выхода на режим)

207

Конечный Kn

395

Масса корпуса (расчётная), г

65

Масса корпуса (измеренная), г

64,2±0,4

Масса первого сегмента (измеренная), г

 9,2±0,05

Масса второго сегмента (измеренная), г

16,4±0,05

Масса третьего сегмента (измеренная), г

16±0,05

Масса соплового блока (измеренная), г

17,4±0,25

Масса осевых креплений (измеренная), г

5,2±0,05

Масса первого сегмента с топливом, г

50,9±0,1

Масса второго сегмента с топливом, г

159,9±0,1

Масса третьего сегмента с топливом, г

139,5±0,1

Масса четвёртого сегмента с топливом, г

35±0,1

Масса топлива, г

326,4±0,4

Масса топлива (расчётная), г

329

Масса собранного двигателя, г

391±0,5

Масса вторичного воспламенительного состава (ориентировочная), г

18±1

Масса топлива в момент выхода на режим (расчётная), г

308,4

Полная масса двигателя в момент выхода на режим, г

373

Коэффициент массового совершенства в момент выхода на режим

0,208

Коэффициент объёмного заполнения камеры двигателя топливом в момент выхода на режим

0,737

Расчётная нагрузка разрушения цилиндрических обечаек, кгс/см2

57

Расчётная разрывная нагрузка сегментов по оси для креплений, кгс/см2

64

Итоги предыдущих испытаний

Оценка завершения горения свода топлива по длине канала, исходя из фотоснимков обжига корпуса двигателя после испытания:

001

Графики тяг

Безимени-1

1. Очевидна разница между неустойчивой и стабильной работой двигателей. Двигатели Р-40-8 и Р-40-9-1 (прерывание горения в этих двигателях вызвано негерметичностью корпуса) вышли на режим и достигли своей максимальной тяги. Произошло это очень резко, из-за почти мгновенного воспламенения примерно 70% площади канала, после её разогрева. При этом линейку на стенде заметно колбасило в начальный момент времени работы. Остальные двигатели не вышли на режим, из-за неустойчивого горения. В них максимум тяги набирался более плавно. Данный вид неустойчивого горения представляет собой неожиданное падение давления и тяги вместе с ним, при выходе двигателя на режим. Все максимумы пиков в неустойчиво работающих двигателях меньше номиналов тяг устойчиво работающих двигателей. Это совершенно точно показывает, что решение о повышении рабочего давления в двигателе против пульсаций, за счёт уменьшения площади критического сечения сопла, совершенно бессмысленно.

2. Примерная максимальная тяга Р-40-8 находится где-то в районе 8кГ. Тяга Р-40-9-1, с такой же геометрией канала, как у Р-40-8, выдал большую максимальную тягу, до 9,5кГ. Разница почти на 20% обусловлена тем, что нерасчётное воспламенение Р-40-8 привело к неполному возгоранию канала по длине. Канал в двигателе Р-40-8 в первом сегменте и частично сверху во втором не горел на режиме вообще, из-за отказа первичного воспламенителя. Двигатель р-40-8 был запущен через сопло, не очень удачно, но стабильно. В двигателе Р-40-9-1 при выходе на режим произошла разгерметизация корпуса на 0,3с. Далее до 0,7с двигатель ещё пытался удержать давление, но дыры, прогорая, снизили его до нуля.

Фиолетовые графики тяг соответствуют трём импульсам двигателя Р-40-7. Эти импульсы имеют сильно выраженные пики. Сами импульсы резкие и их было три штуки. В сравнении с двигателем Р-40-9-2, заметно, что пульсации стали более продолжительнее и повысился максимум удерживаемого давления в импульсе. так же они стали менее резкими - плавными. Их число сократилось, двигатель не глох так сильно, но и не мог выйти на режим тоже.

Почему же происходит падение давление, причём процесс вызывающий его, начинается в самом начале выхода двигателя на режим, и в итоге двигатель не набирает максимальной тяги, теряет давление полностью и глохнет?

Рассмотрим отдельно графики тяг двигателей Р-40-7 и Р-40-8.

График

Три импульса Р-40-7 сведены в одну точку и совмещены с графиком тяги Р-40-8. Очевидно, что достижение максимума давления в импульсах происходит медленней (0,4÷0,5с), чем при устойчивом горении (0,1÷0,2с). Следовательно, причина, вызывающая неустойчивое горение, возникает не когда-то там при каком-то там давлении, а существует всё время с самого начала момента выхода двигателя на режим, и попросту препятствует набору максимального давления в камере сгорания вплоть до полного останова горения. Фактический Кн в момент выхода двигателя на режим у Р-40-8 меньше, чем у Р-40-7, а тяга оказалась больше! Сопло было одно и то же у обоих двигателей. Получается, что Р-40-7 просто не набрал необходимого максимума давления, следовательно вся поверхность канала так и не воспламенилась – это единственно чем можно объяснить этот парадокс.

Ещё раз. Рассмотрим изменение Кн в момент воспламенения всей поверхности канала. Понятно, что вся площадь горения канала мгновенно не вспыхнет. Значит Кн меняется от 0 до заданного начального значения 230, проходя все промежуточные значения в этом диапазоне за 20секунд. А это тоже режимы работы двигателя. На них также есть свое давление и скорости истечения газа. Уменьшение критического сечения не изменит этой схемы. Двигатель всё равно пройдёт через все значения Кн от 0 до заданного начального хоть 500. И если он уже где-то на 150 теряет давление, он и с меньшим критическим сечением на том же Кн также потеряет это давление, не достигнув максимума тяги. Ведь оба этих двигателя должны были пройти через диапазон Кн 0÷230, но Р-40-7 не прошёл его полностью, спёкся.

В принципе, можно за счёт повышения давления решить проблему неустойчивого горения, но для этого необходимо создать давление и температуру близкие к рабочим и запустить двигатель за 1с не более. Причём рабочее давление должно быть достаточно большим, чтобы линейная скорость горения топлива оказалось также достаточно высокой для того, чтобы уменьшить толщину прогреваемого слоя и снизить чувствительность горения топлива от давления. В этом случае возможно любое исполнение горящей формы заряда. Вот только рабочее это давление будет очень высоким, а выход на режим за 1с для данного состава с провалом в законе эрозионного горения не возможным. Да и давление не должно прыгать резко при переходе горения с воспламенительного состава на топливо. Делались попытки воспламенить это топливо в узком канале под почти рабочим давлением при испытании серии двигателей Р20. Воспламенительный состав сам давал тягу в течение 3-х секунд! Но без успешно! В лучшем случае можно было наблюдать всё тоже постепенное возгорание канала сверху вниз, если и то ещё зацепит. Тут чаще можно услышать ответ, что топливо непригодно, что нужно добавлять катализаторы и прочие добавки для увеличения скорости горения и повышения воспламеняемости. Но в этом случае нарушается основная задача о продолжительном режиме работы двигателя. Давление в 50÷100атм приведёт к резкому снижению массового совершенства двигателя и также нарушит продолжительность работы двигателя. И вообще это уже будет совсем другой двигатель.

Тем не менее, устойчивое горение наблюдалось у двигателей Р-40-4, Р-40-8 и Р-40-9-1 никакого сверхвысокого давления в них не было, следовательно, устойчивое горение возможно и в данном диапазоне давлений. Единственное, что могло в них сильно отличаться от остальных двигателей – это форма канала в момент выхода на режим.

Была изменена схема воспламенения канала двигателя. Начальный прогрев топлива в канале теперь тоже осуществляется с помощью топлива, запасённого в добавочной толще свода топлива вверху топливной шашки. Идея эта принесла неожиданный сюрприз. Всё бы, как правило, нужно использовать высокотемпературные воспламеняющие составы, но как бы ни так. Газы высокотемпературного состава быстро остывают по длине канала и вызывают сильный его разгар вверху, что значительно ускоряет процесс выгорания топлива в верхней части топливной шашки. Это очень плохо, так как канал сильно меняет свою форму при разогреве и воспламенении из-за сильно неравномерного распределения температуры по длине канала. Этого я не учёл при переходе на воспламенитель с селитры на само топливо. Очевидно, решение на дополнительный запас по толщине горения.

КОНСТРУКТИВНЫЕ РЕШЕНИЯ

1. Соединение сегментов.

Изначально был авось - не прокатило. Сегменты просто соединялись, топливо на торцах предварительно плавилось, но герметичного стыка добиться, так не удалось. Потом было принято решение о последовательной заправке двигателя, сегмент за сегментом. Это требовало много времени, так как приходилось ждать, пока застынет топливо, чтобы заправлять следующий сегмент. Уход от этого решения за счёт применения склейки пригнанных торцов топлива клеем ТИТАН, также не дало надёжного результата по герметичности. Зато обеспечило отличную бронировку топлива в негерметичных местах на торцах. В итоге было решено перейти с секторных креплений между отдельными сегментами на кольцевые крепления в два слоя вместо одного. В итоге было проведено два испытания и существенных разгерметизаций корпуса пока не обнаружено.

2. Материал корпуса.

Силикатный ватман среднетемпературной пропитки используется вместо силикатного ватмана высокотемпературной пропитки. Это дало не только большую удельную прочность за счёт повышения несущей нагрузки материала, но и плотность его стала меньше. По предварительным замерам средняя плотность у среднетемпературного многослойного силикатного ватмана составляет 1,3г/см3 вместо 1,47г/см3. Оказалось, что мой корпус двигателя на самом деле весит ещё меньше, чем ожидалось.

Дополнительно измерены плотности:

Плотность графита 2,43г/см3;

Плотность цемента на жидком стекле 1,89г/см3.

Воспламенительный состав на селитре 0,5г/см3;

3. Конструкция соплового блока.

Сопло в двигателе Р-40-10 было основательно перепроектировано. Его рабочая геометрия была сохранена. Но теперь оно может включать различные огнеупорные материалы в критическом сечении. Первый испытуемый материал – чистый цемент, замешанный на жидком стекле. Он должен удерживать предположительно 1500°С не плавясь и не разрушаясь от механической и химической эрозий. В испытании двигателя Р-40-10 наплыв из этого материала, по всей видимости, вылетел, когда произошёл термический износ дивергентной части сопла, которая удерживает его от давления в камере сгорания. Пока трудно оценить его термостойкость, но после весьма продолжительного теплового выгорания, двигатель сумел выйти ещё раз на режим и выдать большую тягу. В испытании Р-40-10 тяга не зафиксирована, так как в лазерной указке быстро сели батарейки. Что ж поделать, сейчас везде обманывают на всём…

Р-40-11

В двигатель Р-40-11 будут внесены следующие изменения:

1.      Изменить разводку подводящих проводов так, чтобы медь больше не ускоряла горения топлива в первом сегменте.

2.      Пересчёт двигателя на меньшем базовом диаметре, выдал те же результаты по давлению. Поэтому диаметр канала будет уменьшен на 2мм по всей длине.

3.      Учитывая столь незначительный фактор влияния на процесс горения (см. пункт 1.) будет увеличен перепад свода топлива на 1мм с 5мм до 6мм. При этом так же должна сохраниться убыль этого перепада на 4мм с учётом выгорания верхней части конуса на воспламенение. Итого диаметры будут изменяться от 20мм до 8мм по длине. К моменту выхода двигателя на режим диаметр канала будет изменяться от 20мм до 16мм по длине.

Фотки

001

002

003

004

005

006

007

008

009

010

011

012

013

014

015

016

017

018

019

020

ИСПЫТАНИЕ

Видео – крупный план, 21,8МБ

Видео – шкала, 9,67МБ

001

В результате испытания двигателя Р-40-11 снова разрушилось цементное сопло. Разрушение было постепенным в течение всего процесса работы двигателя, при этом разрушение было наиболее интенсивным вначале. Двигатель не сумел набрать значительного давления и тяга была очень низкой. Горение устойчивое, хотя давление было очень низкое. В результате испытания на термостойкость и эрозионостойкость материал из цемента на жидком стекле показал очень плохой результат. Разгар сопла составил почти 4мм по диаметру! Материал стал разрушаться сразу ещё до набора рабочего давления, что сильно отодвинуло момент выхода на режим. После того, как было достигнуто большое давление, сопло размыло резко и быстро, всё погасло. Далее горение продолжалось на нерасчётном критическом сечении и на низком давлении с тягой примерно в 400÷500Г. Материал разрушался в основном от температуры, локально теряя прочность, от него отваливались маленькие частички и уносились с потоком. До него давно испытывалась глина. Она в массивном сопле держалась дольше, но видимо только за счёт большой массы, которая какое-то время 1÷2сек поглощала тепло в себя, но потом всё равно плавилась и резко смывалась. В качестве наплывов глина также быстро разрушалась, но ещё более резко, чем данная цементная композиция. Получается, что температура газов данного топлива превосходит температуру плавления цемента 1450°С (1050°С для глины). По предварительным расчётам в Flow Simulation на давлении примерно в 20атм, температура газов составляет 1700°С÷1900°С. Ситуацию усугубляет и то, что любой состав на нитрате натрия идентичный составу на нитрате калия имеет температуру горения больше на 200К÷300К. Поэтому то, что работает на классических карамелях, применительно к данному топливу может оказаться не пригодным.

Была использована новая конструкция сопла с возможностью исполнения термостойких материалов для критического сечения сопла.

Вывод: пока будет использован простой материал из ватмана на жидком стекле. Для него примерная скорость разгара сопла по диаметру составляет 0,5мм/с на режиме. Для того, чтобы пройти усреднено по критическому диаметру 8мм, начальный диаметр сопла будет 7мм или 7,5мм. Пока не точно, есть риск не вписаться в диапазон рабочих давлений по корпусу. Данный материал разрушается медленно и ровно, что даёт возможность его использования в столь чувствительном топливе к перепадам давления с высоким показателем в законе горения (µ = 0,8÷0,84).

РАСЧЁТ

Новый уменьшенный диаметр канала и уменьшенное критическое сечение проверялись на максимальное давление. Данные расчёта выполнены ориентировочно.

Эпюры распределение скоростей газа в сопловом блоке:

001

002

Эпюра распределение числа маха в сопловом блоке:

008

Эпюра распределения давления газа в сопловом блоке:

003

Эпюра распределения температуры газа в сопловом блоке:

004

Эпюра распределения температуры газа в канале в первом сегменте двигателя:

005

Эпюра распределения динамического давления газа в сопловом блоке:

006

Эпюра распределения скорости газа в камере сгорания двигателя:

007

Эпюра давления газа вдоль главной оси двигателя:

010

Эпюра скорости газа вдоль главной оси двигателя:

011

Эпюра числа маха вдоль главной оси двигателя:

012

Эпюра температуры газа вдоль главной оси двигателя:

013

Эпюра плотности газа вдоль главной оси двигателя:

014

Эпюра динамического давления вдоль главной оси двигателя:

015

Эпюра давления газа на стенки соплового блока:

022

Эпюра температуры стенки соплового блока:

023

Параметры в сечении на выходе из сопла:

009

Итого тяга двигателя составит 12860Г при расходе топлива 56,36г/с. Данный расчёт довольно приблизителен, так как нет точных данных о полном графике тяги и неизвестно полное разрушение сопла по диаметру. Расчёт выполнен по данным максимальной тяги в 9,5кГ полученной при испытании Р-40-9-1, при этом показатель в законе горения получился примерно µ = 0,8÷0,84, а рабочее давление 13÷14атм. Сейчас совершенно очевидно, что показатель в законе горения для этого топлива очень высокий, поэтому даже малейшие колебания диаметра критического сечения и прочие возмутители рабочего давления в камере сгорания сильно изменяют это самое давление и способны легко заглушить горение топлива. Тем не менее, данное топливо вполне способно стабильно гореть и при низком давлении.

Также обнаружен фактор, из-за которого сильно затрудняется воспламенение этого топлива в кольцевой шашке – провал в законе эрозионного горения. При низком давлении в момент воспламенения всей поверхности канала, поток газа в нижней его части наоборот замедляет приток тепла к поверхности. При этом минимальная зарегистрированная скорость горения этого топлива составляет 0,11мм/с. Топливо в кольцевой шашке под давлением в 3÷4атм может гореть с такой же скоростью, как и в торцевой при атмосферном давлении (0,28мм/c).

По ходу заправки сегментов двигателя была установлена причина сильного коробления поверхности натрий-сорбитной карамели – высокая исходная влажность состава. Чем она выше, тем сильней будет коробление поверхности. При этом если влажность была очень высокой, то коробление будет носить ещё и объёмный характер, сильно деформируя весь заряд. Гигроскопичный нитрат натрия легко впитывает пары воды из влажного воздуха, быстро насыщая поверхностный слой топлива влагой даже в разогретом состоянии. Но уже в атмосфере с средней и низкой влажностью, также легко испаряет влагу, при этом идёт беспорядочный рост кристаллов нитрата натрия и сорбита на поверхности, вызывающий её деформирование.

Решение данной проблемы очевидно – недопущение увлажнения топлива:

1.      Использование смешения компонентов топлива через расплав.

2.      Поддержание низкой влажности атмосферы при хранении и заправке.

3.      В случае низкой степени увлажнения поверхности использовать покрытие из бумаги сразу после заправки на поверхность ещё расплавленного топлива. Таким образом будет происходить упорядоченный рост кристаллов от поверхности бумажного листа. Но в случае сильного увлажнения поверхности топлива – это не поможет.

4.      В случае только поверхностной деформации открытых мест топлива, возможно применение исправления деформированной поверхности при помощи её повторного разогрева с помощью излучательных источников тепла.

Эпюра давления газа в сечении на выходе из сопла:

016

Эпюра динамического давления газа в сечении на выходе из сопла:

017

Эпюра плотности газа в сечении на выходе из сопла:

018

Эпюра скорости истечения газа вдоль главной оси двигателя в сечении на выходе из сопла:

019

Эпюра числа маха газа в сечении на выходе из сопла:

020

Эпюра температуры газа в сечении на выходе из сопла:

021