Перспективы проектирования корпусных конструкций ракетных двигателей
В статье представлены современное состояние и проблемы проектирования корпусных конструкций ракетных двигателей, кратко описана конструкция твердотопливного ракетного двигателя, перечислены эксплуатационные нагрузки, определяющие его конструкцию.
| Рубрика | Производство и технологии |
| Вид | статья |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 17.03.2022 |
| Размер файла | 2,8 M |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Перспективы проектирования корпусных конструкций ракетных двигателей
Сарычев С.С.,
электроэрозионист 4-ого разряда АО "НПО Энергомаш имени академика В.П. Глушко"
Россия, г. Химки
Аннотация
В статье представлены современное состояние и проблемы проектирования корпусных конструкций ракетных двигателей, кратко описана конструкция твердотопливного ракетного двигателя, перечислены эксплуатационные нагрузки, определяющие его конструкцию. Особое внимание уделено обзору композитных материалов, их преимуществам и недостаткам.
Ключевые слова: ракетные двигатели, двигательная установка, космические аппараты, конструкция ракетного двигателя, функциональноградиентные материалы, композиты.
Annotation
The paper presents the current state and problems of designing hull structures of rocket engines, briefly describes the design of solid rocket engine, lists the operating loads determining its design. Particular attention is paid to the review of composite materials, their advantages and disadvantages.
Key words: rocked engines, propulsion system, spacecraft, rocket engine design, functionally graded materials, composites.
В настоящее время наблюдается стремительный прогресс в усовершенствовании структурного дизайна двигательных установок, представляющих сверхсложную конструкторскую задачу для инженеров.
Разработка конструкций ракетных двигателей является ключевым шагом для достижения целей аэрокосмической отрасли.
Корпус ракетного двигателя считается основным элементом, влияющим на лётно-технические характеристики ракеты. В конструктивном рассмотрении он может быть представлен как корпус высокого давления, создающий внутреннее рабочее давление.
В камере сгорания создаются крайне неблагоприятные условия с достаточно высокой температурой и внутренним давлением. Традиционные методы производства ограничивают возможности решения проблемы экстремальных условий в ракетных двигателях [1, с. 2].
Ракетный двигатель представляет собой типичную систему передачи энергии, в которой химическая энергия топлива преобразуется в тепловую энергию, сопровождаемую высоким давлением, а образующиеся газы проходят через сопло, где внутренняя энергия преобразуется в кинетическую, которая и создаёт движущую силу (тягу).
Первый твердотопливный ракетный двигатель изобрели в Китае ещё в XIII веке [2, с. 3]. Ввиду простоты конструкции, лёгкости изготовления и высокой производительности, а также надёжности по сравнению с другими ракетными двигателями, данный вид двигателя используется чаще остальных.
В твердотопливном ракетном двигателе топливо и окислитель образуют единую твёрдую структуру. Они смешиваются и хранятся в камере сгорания, что позволяет двигателю выполнять свою функцию вне зависимости от наличия или отсутствия воздуха.
Простая конфигурация ракетного двигателя состоит из следующих элементов (рисунок 1):
Рисунок 1. Схема твердотопливного ракетного двигателя [2 с. 3],
прим.: перевод с англ. автора
Корпус ракетного двигателя считается одной из важнейших конструкций в ракетостроении. Конструкция корпуса двигателя, в котором происходит сгорание топлива с достижением высоких температур от 2000 до 3500 °C и рабочим давлением от 3 до 30 Мпа, должна иметь соответствующую прочность и относительно малый вес [3, с. 176].
При проектировании корпуса ракетного двигателя наиболее важной проблемой является выбор материала, который бы обладал превосходными свойствами, удовлетворяя требованиям к производительности. Выбор материала основан на оценке отношения прочности к весу, удельной жёсткости, доступности материала, условий эксплуатации, стоимости и теплового расширения.
Конструкционные материалы корпуса ракетного двигателя делятся на два основных типа: обычные материалы (высокопрочная сталь или высокопрочные алюминиевые и титановые сплавы) и композитные материалы (углерод, стекло). Композитные материалы используются в большинстве новых корпусов ракетных двигателей из-за их высокого отношения прочности к весу, высокой ударной вязкости и гибкости конструкции, что способствует развитию отрасли ракетных двигателей.
Композитные материалы обладают высокой прочностью на растяжение и сжатие, что предоставляет возможность многократного использования в различных ситуациях. Композитные материалы обладают превосходными свойствами, такими как вес, жёсткость, прочность и т. д. Композитные материалы обладают следующими преимуществами по сравнению со стандартными материалами: ракетный двигатель твердотопливный
1. Высокое соотношение прочности и веса - с использованием композитных материалов могут быть изготовлены прочные и лёгкие конструкции. Благодаря этому свойству производятся огромные ракеты с очень высокой прочностью и относительно небольшим весом, а также самолеты, которые могут двигаться быстрее с меньшим весом и лучшим расходом топлива.
2. Композитные материалы дают возможность состыковки деталей, ввиду чего сложные монолитные металлические детали могут быть заменены композитной конструкцией, что сокращает время на сборку, а также общее время производства.
Следует отметить, что недостатком обычных композитных материалов является подверженность деформациям на дискретных стыках используемых материалов ввиду различий в их функциональных свойствах [1, с. 2]. Для устранения данного недостатка были разработаны функционально-градиентные материалы.
3. Высокая удельная жёсткость (отношение жёсткости к плотности) - жёсткость композитных соединений не уступает стали, при весе в пять раз меньше [4].
4. Высокая ударная вязкость - композитные материалы устойчивы к взрывным нагрузкам.
5. Композитные материалы имеют лучшие характеристики вибрации и шума, чем обычные материалы, поскольку композитная структура гасит вибрацию лучше, чем металлы. Это достоинство успешно используется при эксплуатации передней кромки крыла самолёта.
6. Высокий уровень химической и коррозионной устойчивости - внешняя поверхность композита изготовлена из пластика, ввиду чего обладает высокой устойчивостью к коррозии.
7. Долговечность при меньших экономических затратах.
Таким образом, двигательная установка является важнейшей частью конструкции ракет. Корпус ракетного двигателя должен иметь достаточную прочность и малый вес, чтобы увеличить дальность полёта, а также увеличить полезную нагрузку ракеты. Наилучшим методом снижения веса конструкции является возможность замены обычных материалов, используемых при производстве, композитными.
Использованные источники
1. Гришин А.Н. Функционально-градиентные материалы для ракетных двигателей // Аллея науки. - 2021. - № 12 (63). - С. 2.
2. Hossam I., Saleh S., Kamel H. Review of challenges of the design of rocket motor case structures // International Conference on Aerospace Sciences and Aviation Technology. - The Military Technical College, 2019. - Т. 18. - № 18. - С. 3.
3. Kammer D.C. Test-analysis model development using an exact modal reduction // International Journal of Analytical and Experimental Modal Analysis. - 1987. - Т. 2. - № 4. - С. 176.
4. Vinay H.B., Govindaraju H.K., Banakar P.A Review on Investigation on the Influence of Reinforcement on Mechanical Properties of Hybrid Composites // International Journal of Pure & Applied Sciences & Technology. - 2014. - Т. 24. - № 2.
Размещено на Allbest.ru
...Подобные документы
Обеспечение прочности и устойчивости корпусных конструкций глубоководного аппарата под действием внешних гидростатических нагрузок на заданной глубине погружения. Проект корпуса подводной лодки, определение нагрузок и основных конструктивных элементов.
курсовая работа [1,6 M], добавлен 06.01.2012Расчёт сменных сопловых вкладышей. Зависимость давления в камере сгорания от температуры окружающей среды. Расчёт центрального тела. Определение площади критического сечения и тяги двигателя. Виды оптико-механических систем измерения перемещений.
контрольная работа [442,6 K], добавлен 07.08.2013Общая характеристика реактивных топлив, их назначение и физико-химические свойства. Технология получения и перспективы производства реактивных топлив, их марки и классификация сырья. Особенности топлив, применяемых жидкостных ракетных двигателей.
контрольная работа [26,4 K], добавлен 11.06.2013Общая характеристика металлических листовых конструкций. Номенклатура резервуаров: эксплуатационные и производственные требования, предъявляемые к ним. Основные особенности листовых конструкций по сравнению с другими металлическими конструкциями.
презентация [6,2 M], добавлен 19.08.2013Использование клееного шпона. Его эксплуатационные характеристики. Виды конструкций с применением клееной древесины. Дерево как универсальный строительный материал, известный с древности. Преимущества большепролетных клееных деревянных конструкций.
реферат [28,4 K], добавлен 25.01.2015- Классификация воздушно-реактивных двигателей. Особенности проточной части различных типов двигателей
Принцип действия и классификация воздушно-реактивных двигателей, их схемы и разрезные макеты. Сведения о турбовальном трехвальном двигателе Д-136. Модули двигателя, максимальный взлетный режим. Компрессоры низкого и высокого давления, камера сгорания.
лабораторная работа [1,0 M], добавлен 22.12.2010 Технические характеристики и режимы испытания двигателя. Характеристика испытательных стендов авиационных газотурбинных двигателей. Выбор и обоснование типа и конструкции испытательного бокса, его аэродинамический расчет. Тепловой расчет двигателя.
дипломная работа [1,6 M], добавлен 05.12.2010Проектирование робототехнического комплекса для фрезерования корпусных деталей. Разработка самотечного лотка-ската, магазинного загрузочного устройства для подачи заготовок, приспособление для фиксации заготовки на станке, циклограммы работы РТК.
дипломная работа [2,2 M], добавлен 04.09.2013Основные элементы конструкций газотурбинных двигателей самолетов. Диски компрессоров и турбин. Оценка напряженности диска. Пределы упругости и текучести материала. Деформации наиболее нагруженных участков диска. Коэффициенты запаса по прочности диска.
курсовая работа [40,9 K], добавлен 14.06.2012Выбор электродвигателя и кинематический расчет. Расчёт цилиндрической косозубой передачи для шестерни и колеса. Определение диаметра вала и его расчет на выносливость. Составление компоновочной схемы. Расчет элементов корпусных деталей редуктора.
курсовая работа [141,5 K], добавлен 18.09.2011Исходные данные для расчета жидкостного ракетного двигателя. Выбор значений давления в камере и на срезе сопла, жидкостного ракетного топлива (ЖРТ). Определение параметров ЖРТ и его продуктов сгорания. Конструктивная схема, система запуска двигателя.
курсовая работа [2,7 M], добавлен 07.09.2015Механизмы, применяемые при монтаже конструкций. Назначение грузозахватных приспособлений. Основы расчета строповочных приспособлений. Состав операций при установке конструкций. Индивидуальные и групповые средства временного закрепления конструкций.
презентация [31,7 M], добавлен 20.05.2014Выбор твердого ракетного топлива и формы заряда ракетного двигателя, расчет их основных характеристик. Определение параметров воспламенителя и соплового блока. Вычисление изменения газового потока по длине сопла. Расчет элементов конструкции двигателя.
курсовая работа [329,8 K], добавлен 24.03.2013Сварка как основной технологический процесс в промышленности. Характеристика материалов сварных конструкций. Виды сварных швов и соединений. Характеристика типовых сварных конструкций. Расчет на прочность и устойчивость при разработке сварных конструкций.
курсовая работа [1,1 M], добавлен 23.09.2011Разработка прогрессивного технологического процесса изготовления корпусных деталей с обеспечением снижения их трудоемкости и себестоимости на основе рациональных заготовок, станков с ЧПУ, режущего инструмента и совершенствования организации производства.
дипломная работа [12,7 M], добавлен 07.06.2012Изучение методики проектирования и расчета параметров магистралей горючего и окислителя с помощь программы "Динамика КС". Исследование процессов моделирования запуска двигателя для ракеты Р5. Структурная схема гидравлического тракта от насоса до КС.
курсовая работа [321,3 K], добавлен 06.10.2010Классификация корпусных деталей. Технические условия на изготовление. Материал и заготовки корпусов. Черновая и чистовая обработка плоских поверхностей или плоскости и двух отверстий. Контроль точности обработанной детали. Точение торцевое и фрезерование.
презентация [3,9 M], добавлен 05.11.2013Номенклатура стальных конструкций. Достоинства и недостатки стальных конструкций. Требования, предъявляемые к металлическим конструкциям. Конструкции из металла. Балки и балочные конструкции. Колонны и элементы стержневых конструкций.
курсовая работа [45,5 K], добавлен 21.04.2003Достоинства и недостатки металлических конструкций. Классификация нагрузок и воздействий. Области применения и номенклатура металлических конструкций. Физико-механические свойства стали. Расчет металлических конструкций гражданских и промышленных зданий.
презентация [17,3 M], добавлен 23.02.2015Предназначение и принцип работы паротурбинных и газотурбинных двигателей. Опыт эксплуатации судов с ГТУ. Внедрение ГТД в различные отрасли промышленности и транспорта. Производство турбореактивного двигателя с форсажной камерой, схема его подключения.
презентация [2,7 M], добавлен 19.03.2015
