Теплозащитные керамические покрытия камер сгорания ракетных двигателей твердого топлива

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Теплозащитные керамические покрытия камер сгорания ракетных двигателей твердого топлива

д.т.н., проф. И.М. Приходько, д.т.н., проф. В.Е. Ведь, А.Л. Винник, В.А. Дуреев

Аннотация

На основании анализа теплофизических характеристик керамических теплозащитных покрытий показано, что использование этих покрытий для защиты стенок камер сгорания ракетных двигателей твердого топлива с умеренными температурами горения твердого топлива приводит к существенному снижению массы конструкции

Анотація

У статті приведені характеристики керамічних теплозахисних покрить, показано, що використання цих покрить для захисту стінок камер згорання ракетних двигунів твердого палива, з помірними температурами горіння твердого палива, приводять до суттєвого зниження маси конструкції.

Abstract

In the article the characteristics of ceramic heat-shielding covers(coatings) are rotined, usage of these covers(coatings) for protection of walls of combustion chambers of solid-propellant rocket engines, with moderate combustion temperatures of solid fuels, results in an essential decrease of a structural weight.

Развитие современной техники, особенно энергетики, металлургии и ракетостроения привело к широкому применению теплозащитных покрытий (ТЗП). В последние годы все более широкое применение находят керамические ТЗП, используемые для защиты конструкций, работающих при высоких температурах [1].

Основными достоинствами керамических ТЗП являются стойкость по отношению к воздействию практически всех агрессивных сред, высокая прочность, износостойкость, твердость, низкая плотность и стабильность механических свойств в широком диапазоне температур [2].

Условно керамические ТЗП можно разделить на бескислородные и кислородсодержащие.

Основным недостатком бескислородных керамических ТЗП являются низкие величины линейного коэффициента термического расширения (ЛКТР) (51^-6 - 71^-6 1/К) в сравнении с ЛКТР конструкционных металлических материалов ( 121^-6 1/К) [2].

Преимуществами кислородсодержащих керамических ТЗП являются низкая теплопроводность, хорошая адгезия к конструкционным металлическим материалам и практически равные с данными материалам величины ЛКТР.

В настоящее время разработаны различные технологические методы, позволяющие придавать кислородсодержащим керамическим ТЗП заданные свойства, которые дают возможность варьировать их эрозионно-стойкие [3] и теплозащитные свойства [4,5,6].

В работе [4] приводятся зависимости коэффициента теплопроводности от температуры для алюмофосфатных композиций на основе корунда и кварца, взятых в соотношении 7:3 с волокнами Al₂O₃, составляющими 5, 15, 25 и 35%. При этом величина коэффициента теплопроводности наименьшая при содержании волокна Al₂O₃ равному 35% и изменяется практически линейно от 7,5 Вт/мК при 473 К до 0,03 Вт/мК при 973 К и выше.

В работе [5] приведены результаты двух экспериментов. В первом проводились термоциклические испытания (100 теплосмен) безобжигового керамического ТЗП, содержащего бикомпонентные армирующие нитевидные кристаллы оксидов и создавшее толщиной в 210^-3 м максимальный перепад температур по сечению покрытия в 558 К за 30 секунд работы в скоростном (325 м/с) газовом потоке с температурой Т=1073 К.

Во втором испытывалось такое же керамическое ТЗП, которое толщиной 210^-3 м, в стационарных условиях газового потока с температурой Т=1073 К и скоростью 34-40 м/с создало термическое сопротивление, вызвавшее градиент температур более чем в 773 К. Визуальный осмотр поверхности канала, после завершения 100 часов испытаний, трещин, дефектов и следов эрозионного уноса массы покрытия не выявил.

В настоящее время допустимые рабочие температуры корпуса ракетного двигателя твердого топлива (РДТТ) составляют 615-725 К [7]. При достижении такой температуры кислородсодержащим керамическим ТЗП, величина его коэффициента теплопроводности становится настолько мала, что покрытие практически не пропускает тепловой поток к несущей металлической стенке корпуса РДТТ. При этом толщина ТЗП из кислородсодержащей керамики, обеспечивающая допустимые рабочие температуры камеры сгорания РДТТ, может быть значительно меньше в сравнении с другими видами ТЗП.

В работе [8] приведена аналитическая зависимость для определения потребной толщины (_п) ТЗП при известном времени (_з) работы РДТТ и допустимой температуре (Т_д) несущей металлической стенки:

; (1)

где _п - коэффициент теплопроводности ТЗП;

- коэффициент теплоотдачи, равный сумме коэффициентов конвективной и лучистой теплоотдачи;

с_м - удельная теплоемкость материала несущей металлической стенки;

_м - плотность материала несущей металлической стенки;

_м - толщина несущей металлической стенки;

Т_г - температура газового потока;

Т_н - начальная температура ТЗП.

Анализ формулы (1) показывает, что при одинаковом времени работы РДТТ и толщине несущей металлической стенки наименьшее значение толщины ТЗП получается тогда, когда величина коэффициента теплопроводности ТЗП минимальная.

Воспользуясь формулой (1) найдем величину отношения толщины (_п) ТЗП из каучука с асбестовым наполнителем (_п = 0,232 Вт/м К), которое применяется для защиты стенок камеры сгорания твердотопливного ускорителя ракеты-носителя «Ариан-3» [9] и толщины (_к) ТЗП из безобжигового кислородсодержащего керамического материала (_к = 0,05 Вт/м К) при равных значениях , _м, _з, _м, Т_г, Т_д, Т_н.

.

Данный пример показывает, что при одних и тех же условиях толщина безобжигового кислородсодержащего керамического ТЗП будет в 4,64 раза меньше толщины ТЗП, применяемого на ускорителе.

При практически одинаковой плотности ( = 1200 кг/м³) вышеуказанных ТЗП, масса одного квадратного метра ТЗП из безобжиговой кислородсодержащей керамики в 4,64 раза меньше массы ТЗП из каучука с асбестовым наполнителем.

Следует также отметить, что запасы исходного сырья для производства керамических ТЗП неограниченны, а стоимость их в условиях серийного производства невелика. Кроме этого применение керамических ТЗП позволит снизить токсичность продуктов сгорания твердого топлива [2].

Таким образом, применение кислородсодержащих керамических ТЗП для тепловой защиты стенок камер сгорания РДТТ с длительным временем работы и умеренной (до 2000 К) температурой горения твердого топлива, позволит не только снизить массу и стоимость производства конструкции РДТТ, но и улучшить экологические показатели.

керамический теплозащитный топливо двигатель

Литература

1. Журавлев Г.И. Химия и технология термостойких неорганических покрытий. - Л.: Химия, 1975. - 200 с.

2. Санин Ф.П., Кучма Л.Д., Джур Е.А. Твердотопливные ракетные двигатели. Материалы и технологии. - Днепропетровск: ДГУ, 1999. - 320 с.

3. Ведь В.Е., Бут Е.Н. Оптимальный выбор высокотемпературных компаундов - покрытий элементов ГТД // Методы и средства машинной диагностики газотурбинных двигателей и их элементов: Тез. докл. Всесоюзной научн. конф. - Харьков, 1977. - С. 301-303.

4. Мацевитый Б.М., Ведь В.Е., Иванов В.А., Лушпенко С.Ф. разработка безобжиговых теплоизолирующих материалов для высокотемпературных покрытий металлов // Доповіді Національної академії наук України. - Київ: Президія Національної академії наук України, 1998. № 10. - С. 112-117.

5. Ведь В.Е. Оценка эффективности тепловой изоляции головок цилиндров двигателей внутреннего сгорания // Інтегровані технології та енергозбереження. - Харків: ХДПУ, 1999. № 2. - С. 81-85.

6. Ведь В.Е., Завгородний Ю.Н. Расчет температурных коэффициентов линейного расширения оксидных компонентов, применяемых в двигателестроении // Авиационно-космическая техника и технология. Вып. 9. - Харків: ХАИ, 1999. - С. 404-407.

7. Ерохин Б.Т. Теория внутрикамерных процессов и проектирование РДТТ. - М.: Машиностроение, 1990. - 560 с.

8. Приходько И.М., Винник А.Л., Дуреев В.А. Задача о минимуме веса теплозащищенной стенки камеры сгорания ракетного двигателя твердого топлива // Системи обробки інформації. Вип. 4(14). - Харків: НАНУ, ПАНМ, ХВУ, 2001. - С. 170 - 175.

9. Тимнат И. Ракетные двигатели на химическом топливе. Пер. с англ. - М.: Мир, 1990. - 294 с.

Размещено на Allbest.ru