Главная | Двигатели => МА-40 => МА-40-5
Двигатель МА-40-5 (Р-40-23)
Введение Испытание двигателя Параметры двигателя
Двигатель после испытания Сборка двигателя Подготовка испытания двигателя Выводы

Введение В начало

Для изготовления этой версии двигателя было решено использовать давнишние технологии по изготовлению глиняного сопла, скрепленного с корпусом двигателя. В частности, последнее применение которых было на двигателе Р-20-16 в 2006г.

Наконец-то была сделана вся необходимая дополнительная оснастка для сопла, в которой с успехом быстро легко и просто было сделано новое каолиновое сопло с учётом усадки. Точность исполнения получилась очень высокая. Сопло включает в себя профилированные докритическую и закритическую сопловые части, выполненные целиком из глины.

Вполне вероятно, что сопло в двигателе Р-40-20 разрушилось не из-за давления, а из-за недостаточной степени просушивания. На этот раз температура была поднята до максимума с 400÷600°С до 800÷1000°С и сопло было прокалено над газовым пламенем. Так как при 600°С электроплитка вряд ли могла развить такую же температуру в глине. Следовательно, в ней могла остаться кристаллизованная вода, которая и разрушила сопло в двигателях Р-20-16 и Р-40-20. Теперь сушка сопла из каолиновой глины проводилась в следующей последовательности:

  1. Сначала спокойное высыхание на воздухе 1 сутки или при легком разогреве до 60÷80°С до тех пор, пока не исчезнет видимая влажность глины;
  2. Сушка при нагреве до 100÷120°С – 1,5÷2часа;
  3. Сушка при нагреве до 150÷170°С – 30÷40мин;
  4. Сушка при нагреве до 200÷250°С – 20÷25мин;
  5. Сушка при нагреве до 300÷400°С – 10÷15мин;
  6. Сушка при нагреве до 600÷700°С – 15÷20мин;
  7. Прокаливание при температуре 800÷1000°С – 10÷20мин.

Последний этап частично включает в себя кратковременный обжиг глины, после которого можно разглядеть появление первых маленьких кристаллов будущего фарфора. Проводить полноценный обжиг в течение 2-х суток не представляется возможным в домашних условиях из-за большой длительности процесса нагрева при высокой температуре.

Рисунок 1 - Формующий профиль и торцевая втулка формы.
Формующий профиль и торцевая втулка формы

Отличительные конструктивные особенности данной формы заключаются в следующем. Для того, чтобы получить ровный, не оборванный, край нижнего торца керамического сопла, сделана отдельная втулка, формирующая эту поверхность. В закрытом состоянии её можно проворачивать отдельно от центрального стержня в противоположном направлении, что позволяет слепить торцевую поверхность за счёт взаимного движения торцевой и сопловой поверхностей. В противном случае, когда они движутся строго вместе, это приводит к сильному залипанию глины в углу между ними и ровного края не получается сделать.

Рисунок 2 - Формующий стержень и пуансон формы.
Формующий стержень и пуансон формы

Форма состоит из двух частей, формующих весь профиль сопла изнутри. На стержень надевается втулка, и получается нижняя формующая часть (слева на фото) для создания формы сверхзвуковой части сопла и установки критического диаметра. На стержень надевается сверху пуансон (справа на фото), который прессует керамическую массу и формует докритическую часть профиля сопла.

Рисунок 3 - Форма в сборе перед формовкой.
Форма в сборе перед формовкой

Непосредственно перед прессованием и формовкой керамического сопла, весь профиль собирается вместе. Стержень вместе со втулкой соединяется с пуансоном вместе и а них налепляется глина так, чтобы всё вместе могло поместиться внутри формующего корпуса, который задаёт внешнюю форму сопла.

Испытание двигателя МА-40-5 (Р-40-23) В начало

Рисунок 4 - Догорание остатков топлива после отсечки тяги.
Догорание остатков топлива

Испытание двигателя Р-40-23 состоялось успешно, но небольшие огрехи всё же были. Главное удалось полностью исключить импульсный режим работы двигателя и дойти до конца его работы без разгерметизации корпуса. В конце из-за резкого уменьшения площади горения топлива произошло прогрессивное падение давления в камере сгорания до атмосферного, при этом небольшая часть топлива осталась в корпусе, не сгорев. Чуть позже она сгорела. Зато я точно рассчитал геометрию свода топлива так, что горение одинаково прекратилось по всей длине корпуса двигателя.

На режиме работы двигателя наблюдалось сильное и яркое свечение корпуса в районе дозвукового сужения. Каолиновое сопло раскалилось изнутри до ослепительно белого каления после отработки двигателя. Время работы двигателя на режиме составило 4с, как и рассчитывалось ранее по результатам испытания двигателя Р-40-13. Разгерметизации корпуса двигателя на режиме не обнаружено.

Рисунок 5 - Отклонение газовой струи при перерасширении сопла.
Отклонение газовой струи

Под конец работы двигателя были заметны искры – разлетающиеся в разные стороны раскалённые частицы каолинового сопла, увлекаемые газовым потоком из-за эрозии сопла. По всей видимости, процесс разрушения сопла идёт по механическому пути, а не по тепловому. И керамическую массу постепенно сдувает с внутренней поверхности сопла. Оценка степени разгара сопла показывает, что регрессия Кн при разгаре составляет 1,72, а прогрессия 1,85. Фактически происходит почти уравновешиванием этих процессов, что позволяет стабилизировать давление в КС на одном уровне.

Рисунок 6 - Ровная работа керамического сопла.
Ровная работа керамического сопла

Догорание небольших остатков топлива. Это, пожалуй, пока самый неприятный момент работы в этом двигателе, так как из-за этого наверняка возникают сильные потери в УИ. Возможно, что для решения этой проблемы ещё потребуется дополнительная оптимизация геометрии канала.

Рисунок 7 - Возникновение утечки газов из камеры сгорания.
Утечка газов из камеры сгорания

Ярко-белое свечение раскалённого сопла после отработки двигателя. Всего за 4с работы двигателя на режиме, внутренняя поверхность керамического сопла раскаляется до белого каления!

Параметры двигателя В начало

Данные о двигателе сведены в таблицу.

Таблица 1 - Параметры двигателя МА-40-5 под серийным номером Р-40-23.
Топливо
Двигатель Р-40-24
Окислитель NaNO3 (Нитрат натрия) - 58%
Окислитель примесь NH4NO3 (Нитрат аммония) - 1%*
Горючее связующее C6H14O6 (Сорбит) - 30%
Добавка S(сера) – 11%
Плотность, г/см3 1,87
Скорость горения при атмосферном давлении, мм/с 0,28
Скорость горения в двигателе (средняя), мм/с 2,5
Конструктивные параметры
Внутренний диаметр корпуса, мм 40
Средний диаметр канала, мм 16
Длина заряда без конусных частей, мм 160
Полная длина канала, мм 200
Критический диаметр сопла, мм 8
Критический диаметр сопла после отработки, мм 10,5
Степень расширения сопла по диаметру (начальная ÷ конечная) 2 ÷ 1,5
Масса корпуса двигателя, г 70
Масса топлива двигателя, г 355
Масса двигателя, г 425
Коэффициент массового совершенства 0,2
Расчётная нагрузка разрушения цилиндрических обечаек, кгс/см2 57
Расчётная разрывная нагрузка сегментов по оси для креплений, кгс/см2 64
Время работы на режиме, с 4,4

* Содержание нитрата аммония в нитрате натрия может доходить до 15%.

Двигатель после испытания В начало

Рисунок 8
Двигатель после отработки

Съёмка корпуса двигателя на месте сразу после испытания. В такой момент хочется увидеть поскорее, что с корпусом. Цел ли он? Есть ли прогары? Всё ли отработало как надо или же корпус на грани разрушения и испепеления. И первый осмотр двигателя после отработки оказывается очень радужным. Всё в порядке, всё на месте, наблюдается лишь лёгкое пожелтение корпуса.

Рисунок 9
Сопло двигателя после отработки

Сразу же заглянул в сопло, чтобы увидеть, как там обстоит дело с устойчивостью материалов. На холоде и в темноте самому видно плохо, а вот снимок с фотовспышкой отлично всё зафиксировал, правда, фокус немного съехал.

Рисунок 10
Тепловой огар корпуса

Дальнейший осмотр двигателя уже проводился в домашних условиях. В первую очередь был сфотографирован его корпус со всех сторон для наглядного представления степени его теплового разрушения после испытания. Видно, что лишь незначительными метами корпус сильно обуглился, а в целом не пострадал. Жёсткость корпуса достаточная, чтобы сопротивляться изгибным нагрузкам и нести стабилизаторы будущей ракеты на инерционном участке полёта, чего более чем достаточно.

Степень теплового разрушения корпуса двигателя несопоставимо отличается от корпуса двигателя Р-40-20 с аналогичным по массовому совершенству стеклопластиковому корпусу. Органическая связка не способна противостоять тепловому удару при такой тонкой стенке двигателя. На данный момент мной ведутся разработки новых видов тонкослойных ТЗП для ещё большего уменьшения толщины стенки корпуса двигателя. Ну и, конечно же, ничего не лопнуло и не взорвалось в конце работы двигателя, эти опасения и уверения не оправдались.

Рисунок 11
Масса отработанного двигателя

Следующая процедура осмотра двигателя – взвешивание. Теперь точно известно, какая реальная масса отработанного двигателя получается и можно будет уточнить баллистические расчеты будущих ракет для него. А масса корпуса двигателя получилась не намного больше исходной массы его корпуса при сборке (масса упорного кольца 8г). Значит, небольшое количество шлака осталось внутри двигателя, но не существенная.

Рисунок 12
Сопло после отработки двигателя

Дома, при более детальном осмотре сопла, стало видно, что оно довольно сильно забито шлаком, но это видимо из-за догорания остатков топлива после отработки двигателя.

Рисунок 13
Заглушка после отработки двигателя

Заглушка двигателя или его верхнее днище вместе с установочной оснасткой прекрасно сохранились. Внешних признаков разрушения нет.

Рисунок 14
Вскрытый корпус двигателя

При вскрытии корпуса низкое содержание шлакового остатка подтвердилось. Но нужно учитывать то, что большая часть остатков топлива, что не сгорела на режиме под давлением, догорала потом полминуты спустя. Это несколько осложняет расчёт реального УИ для двигателя и его массы по времени работы.

Рисунок 15
Отработанный сопловый блок

Один кадр интересней другого. После вскрытия двигателя, удалось увидеть сопловый блок изнутри со стороны критического сечения. Хорошо видно насколько сильно обгорело теплозащитное покрытие конусного днища и степень эрозионного разрушения керамического сопла.

Рисунок 16
Разрезанный сопловый блок

Дальше начал распиливать сопловый блок вдоль оси ножовкой. Очень хотелось уже поскорей увидеть целый сохранившийся экземпляр данного фрагмента двигателя после его прожига в разрезе наяву. В процессе распиливания из одной половинки вывалилось керамическое сопло и застряло в другой. На фото в левой половинке осталось сопло. Процесс распиливания сам по себе оказался весьма трудоёмким. Не так уж просто было распиливать бумажное днище с керамическим соплом. В итоге после распиливания, взору предстала реально ожившая картина чертежа соплового блока двигателя в разрезе. Всё было склеено и собрано так, как и задумывалось при проектировании. И даже в после отработки двигателя вся геометрия соответствовала задуманной ранее.

Рисунок 17
Вторая половинка соплового блока

Вторая половинка соплового блока с ещё пока не отвалившимся керамическим соплом. Продольная разрезка продолжается.

Рисунок 18
Разрезанный сопловый блок

Полностью распиленный сопловый блок. Теперь хорошо видна и степень разгара сопла. Сверхзвуковое расширение сопла еле просматривается, критическую часть просто вынесло. Хорошо заметно избыточное количество ТЗП. Видимо, на расчётном режиме работы двигателя требуется меньшее количество ТЗП, чем на нерасчётном продолжительном режиме.

Рисунок 19
Бумажный корпус керамического сопла

Для качественной оценки внутренней поверхности бумажного корпуса, выполненного из силикатного ватмана, сделал ещё одну фотографию, на которой видно насколько сильно обожжена бумага. И похоже, что толщина контуров керамического сопла выбрана правильно. Её по всем сечениям оказалось достаточно, чтобы бумага не перегрелась раньше времени сильнее, чем простое пожелтение. При этом фактически сопло отработало на более худшем тепловом режиме из-за долгого выхода двигателя на режим и догорания остатков топлива.

Рисунок 20
Замер критического диаметра сопла

В завершении процесса осмотра двигателя, был произведён замер диаметра критического сечения прямо по месту распила. Эрозия керамического сопла оказалась сопоставима с прогрессией топливной шашки. Разгар критической части сопла составил 2,5мм по диаметру с 8мм до 10,5мм. Фактически удалось получить сопло с программируемым уносом для данного двигателя, обеспечивающее достаточно высокое постоянство Кн на режиме.

Сборка двигателя В начало

Рисунок 21
Форма для керамического сопла

Сборка корпуса двигателя начиналась со сборки формы для сопла, и последующей формовки керамической массы в нём. Для этого была поднята давнишняя технология формования глиняных сопл в бумажной форме, разработанная ещё в 2001г и применявшаяся на первых двигателях серии МА-20. Чертежей формы найти не удалось спустя почти 10 лет, но каким-то необычайным образом сохранилась сама форма. Сильно пожелтевшая, она сохранила всю конструктивную информацию о себе, что и позволило быстро восстановить чертежи и всю технологию формовки.

Рисунок 22
Собранная форма с готовым соплом

Для формования сырой массы глины, последняя наносилась на центральный, формующий сверхзвуковую и критические части сопла, стержень, который потом вставлялся в бумажный цилиндрический корпус с зазором, в котором находился слой бумажной изоляции, препятствующий разбуханию бумаги корпуса.

Рисунок 23
Составные части формы

Основные составные части формы это слева направо: 1. Бумажная изоляция с керамической массой, 2. Цилиндрический корпус формы, 3. Торцевая втулка, 4. Формующий стержень, 5. И ещё формующий пуансон или поршень, который создаёт необходимое усилие прессования для заполнения всей формы глиной (на рисунке не показан).

Рисунок 24
Извлечение из формы готового сопла

После формования керамической массы, готовое сопло вытаскивается из цилиндрического корпуса за выступающий край бумажной изоляции наружу, где эта изоляции аккуратно раскручивается и сопло снимается в свободном виде и аккуратно ставится на 2-х дневную сушку при комнатной температуре. Только сушка в свободном состоянии может дать свободную усадку и глина не прилипнет к стенкам и сопло не растрескается при этом от усадки.

Рисунок 25
Готовое каолиновое сопло

В данном случае применялась каолиновая глина, которая впитывает наибольшее количество воды и при этом даёт максимальную усадку при высыхании, что сильно осложняет предварительный расчёт геометрических размеров прокаленного керамического сопла. Плюс сам процесс формования изделий из такой глины несколько проблематичен из-за налипания керамической массы на формующие элементы формы. Для устранения этого недостатка пришлось периодически смазывать формующий стержень и торцевую втулку небольшим количеством воды, чтобы получить правильную и ровную форму всех поверхностей сопла.

Рисунок 26
Готовое каолиновое сопло

В итоге из каолиновой глины удалось получить приемлемое по качеству керамическое сопло с ровными краями и достаточно острыми углами между сопрягаемыми поверхностями. Существенных раковин, трещин и прочих дефектов формовки не обнаружено.

Рисунок 27
Адгезионный слой

Согласно технологии изготовления этих сопл для двигателей МА-20 также использовалось адгезионное покрытие между соплом и корпусом, в которое оно вклеивалось, для того, чтобы обеспечить плотное клеевое соединение между жёсткой и не идеально ровной и совсем не поддающейся поверхностью керамического сопла и бумажного корпуса. Так, чтобы надёжно приклеить керамическое сопло к бумажному корпусу и заставить работать всю систему на наддув максимально эффективно.

Рисунок 28
Адгезионный слой

Адгезионный слой в данном случае выполняется из одного слоя газетной бумаги, пропитанной жидким стеклом.

Рисунок 29
Готовое сопло в корпусе

После нанесения адгезионного слоя на керамическое сопло, поверх приклеивается многослойный корпус сопла из ленты силикатного ватмана.

Рисунок 30
Готовое сопло в корпусе

С одной стороны лента ватмана сильно уползает на край, что обусловлено небольшой конусностью наружной поверхности керамического сопла. Выступающие излишки с торца подрезаются ножницами. В целом не критично, но это нужно учитывать при проектировании развёртки корпуса сопла.

Рисунок 31
Сборка соплового блока

После сборки сопла, оно устанавливается в коническое днище, образуя сборку соплового блока. Для соединения используются специальные клеевые лепестки на коническом днище в два слоя, которые образуют осевое крепление для сопла, прочно соединяя его с коническим корпусом. Лепестки при схватывании клея фиксируются плотно на внешней поверхности сопла с помощью нити, которая потом, через 10-15мин, снимается.

Рисунок 32
Сопловый блок изнутри

При сборке соплового блока, само сопло выставляется на строго определённой глубине или высоте расположения в коническом днище. Делается это с помощью специальной шайбы, которая изготовляется отдельно под данный типоразмер сопла. При этом сопло получается слегка утопленным внутрь конической обечайки на некоторое расстояние согласно чертежу.

Рисунок 33
Заливка зазора клеем ЭДП

Сам зазор, который образуется при сопряжении сопла и конического днища внутри соплового блока, заливается эпоксидной смолой ЭДП для герметизации и местной теплозащиты стенок камеры сгорания.

Рисунок 34
Теплозащитный состав

После того, как застынет эпоксидная смола или хотя бы загустеет достаточно сильно, для чего уже достаточно 6-8ч, наносится полностью весь теплозащитный слой камеры сгорания в сопловом блоке. Сам слой образуется при высыхании клея-герметика на основе полиакрилового полимера МВп-70.

Рисунок 35
Формирование теплозащитного покрытия

Теплозащитный состав наносится на внутренние стенки конического днища соплового блока с помощью спички и аккуратно и тщательно распределяется по всей поверхности так, чтобы исключить образование скрытых пузырей. После чего ещё аккуратно приравнивается и уплотняется с помощью пальцев. В заключении, для придания нужного профиля теплозащитному покрытию, по нему проводится формующая перегородка, которая снимает излишки состава, выравнивая поверхность ТЗП.

Рисунок 36
Формообразователь для ТЗП

Формообразующая перегородка, выполнена из бумаги, имеет специальный профиль, чтобы с учётом усадки клея ТЗП получить требуемую толщину теплозащиты в каждом конкретном месте соплового блока. Излишки герметика с неё просто снимаются сразу после использования, и её можно использовать много раз.

Рисунок 37
Готовое ТЗП в сопловом блоке

После высыхания герметика, толщина его слоя уменьшается примерно на 50-60%, и получается готовый профиль теплозащитного полупрозрачного полимерного покрытия, обладающего достаточно упругими свойствами, чтобы передавать нагрузку от давления газа в камере сгорания на корпус. Сам применяемый полимер в качестве ТЗП не является пределом возможностей, но его можно улучшить с помощью наполнителей, если в этом будет реальная необходимость. Зато он оказывается гораздо проще и доступнее в применении, чем другие фенолформальдегидные аналоги.

После высыхания ТЗП, на него приклеиваются радиальные перегородки из бумаги клеем TITAN.

Рисунок 38
Заправка соплового блока

После чего сопловый блок оказывается полностью собранным и готовым к заправке топливом. Для чего между перегородками вставляется формующая оправка с изоляцией и заливается топливо.

Рисунок 39
Верхнее днище двигателя

Собранное верхнее днище или заглушка двигателя. Представляет собой коническую обечайку, залитую на дне эпоксидной смолой. К внутренним стенкам приклеены перегородки, а между ними установлен воспламенитель, выполненный из газетной бумаги, пропитанной нитратом натрия. В таком виде образуется как бы отдельная камера внутри двигателя, топливо в которой почти полностью сгорает ещё на стадии воспламенения топлива.

Рисунок 40
Заливка топлива в первый сегмент двигателя

Топливо заливается между перегородок точно до их уровня и в таком виде застывает, охлаждаясь. До заливки топлива на воспламенителе установлена система зажигания из Z-образной нихромовой проволоки, плотно прилегающей к наружной торцевой поверхности воспламенителя. Подводящие провода заизолированы от коррозии, так как в топливе много серы, разъедающей металлы при длительном хранении, что может привести к нарушению сопротивления или даже всего контакта. Сам нихром изолирован тонким слоем лака и находится вне топлива.

Рисунок 41
Установка разделительной перегородки

После того, как топливо остынет, и пройдёт его свободная усадка, накладывается разделительная перегородка из 4-х слоёв ватмана с центральным отверстием. Перегородка укладывается прямо на топливо той стороной, которая предварительно промазана 1мм слоем силиконового герметика, чтобы забронировать всю свободную торцевую поверхность топлива и избежать его преждевременного выгорания к корпусу. В отверстие засыпается спичечный состав и фиксируется полиэтиленовой мембраной, чтобы не вываливался, так как засыпается без связки только для того, чтобы обеспечить надёжное зажигание и передачу огня с нихрома на воспламенитель.

Теоретически данная перегородка уже не нужна, так как с большой долей вероятности она не оказывает никакого сколько-нибудь существенного влияния на устойчивость горения топлива. Поэтому данное усложнение будет постепенной удалёно из двигателя, а пока на этой доработке не стал заморачиваться, так как нужно основательно переделывать чертежи и заново проверять допуски по деталям…

Рисунок 42
Заливка плоской эпоксидной заглушки

Заливка плоской заглушки на верхнем днище может быть сделана в самом конце, когда уже собран весь двигатель, так и в ещё пустую обечайку. Но удобнее пока в самом конце, так как залитое уже топливо залепило все щели и ничего дополнительно герметизировать не нужно.

Рисунок 43
Масса составных частей корпуса двигателя

В довершении два фото для представления того, какую массу имеет корпус двигателя и весь двигатель после окончательной сборки вместе с топливом.

Рисунок 44
Полная снаряжённая масса двигателя

Как видно, масса двигателя с топливо во много раз больше его массы корпуса, что есть очень хорошо, если не сказать превосходно или даже рекордно для подобного типа двигателей.

Подготовка испытания двигателей В начало

Рисунок 45
Установка двигателя на месте испытания

Установка двигателя на месте испытания. Двигатель располагается внутри специальной хомутовой пары, которая фиксирует двигатель в осевом направлении, не давая ему сорваться с места. Основная нагрузка от силы тяги приходится на кирпичную стену.

Рисунок 46
Отработанный двигатель

Темно было настолько, что фотоаппарат не мог даже при довольно яркой подсветке передать всё в кадре. Пришлось использовать фотовспышку, чтобы запечатлеть общую обстановку места испытания двигателя.

Рисунок 47
Подсветка на блоке питания

Для удобства всех процессов подготовки испытания использовалась светодиодная подсветка, установленная прямо на блоке питания, что очень помогало при работе в кромешной тьме.

Рисунок 48
Отработанный двигатель

После испытания двигателя осталась впечатляющая картина, расплавленного снега и льда, с которых ручьями стекала чёрная от угольного остатка вода. На короткий миг могло показаться, что наступила весна, но всё потом быстро снова замёрзло, так как холод был сильный.

Рисунок 49
Отработанный двигатель

Снежную шапку с подоконника просто сдуло наполовину, где проходила реактивная струя. Всё вычистило до кирпичей!

Выводы В начало

  1. Наконец-то удалось выявить реальную причину неустойчивой – импульсной работы двигателя, которая заключается в нестационарном скачкообразном разгаре сопла, что приводило к резким скачкам давления в камере сгорания, которые чаще всего заканчивались прогрессивным спадом давления в КС до атмосферного. Т.е. проблема была в анизотропных свойствах материала - силикатного ватмана, из которого делалось всё сопло послойно. Эта послойность и приводила к не стационарности работы двигателя.
  2. Разработано новое глиняное сопло по старой технологии, которое прекрасно отработало.
  3. Корпус двигателя справился с тепловой и силовой нагрузками.
  4. Есть небольшой избыток ТЗП, необходимо оптимизировать.
  5. Разгар сопла получился такой же, как и у сопловой вставки двигателя Р-40-21, что указывает на слабую эффективность применения толстого слоя ТЗП в предсопловой части в качестве аблирующего покрытия.
  6. Слишком резкое прекращение горение топлива в конце работы двигателя, не дающее полного его сгорания за один раз, необходимо исправить с помощью корректировки геометрии канала.
  7. Вероятно, должен быть хороший удельный импульс топлива у этого двигателя, теперь только на стенд!
SashaMaks © 27.01.2011
Любительские высотно-скоростные ракеты 1996-2016