№ 5
ИЗВЕСТИЯ АКАДЕМИИ НАУК ЭНЕРГЕТИКА
2012
УДК 621.45.035.7
© 2012 г. ГУБЕРТОВ А.М.1, КОШЛАКОВ В.В.1, МИРОНОВ В.В.1, РУБИНСКИЙ В.Р.2, ПАШУТОВ А.В.3, АНТИПОВ Е.А3, БРАТУХИН Н.А.2, ВОЛКОВ Н.Н.1, ВОЛКОВА Л.И.1, ЦАЦУЕВ С.М.1, ТЛЕВЦЕЖЕВ В.В.1
ДЛИТЕЛЬНЫЕ ОГНЕВЫЕ ИСПЫТАНИЯ СОПЕЛ РАКЕТНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ НА ОСНОВЕ УГЛЕРОДНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
Приводятся результаты экспериментального исследования физико-химических процессов взаимодействия, разрушения и уносов углеродных композиционных материалов и защитных антиокислительных покрытий сопел жидкостных ракетных двигателей. Исследованы условия теплонапряженного состояния узла стыковки сопла из композиционного материала с металлической камерой сгорания ракетного двигателя в штатных условиях работы.
Введение. Развитие авиационной и ракетно-космической техники характеризуется непрерывным увеличением энергонапряженности двигателей и энергетических установок летательных аппаратов, совершенствованием их энерго-массовых характеристик и надежности. Это утяжеляет условия работы элементов конструкций данной техники при одновременном требовании к снижению их веса. Одним из перспективных и эффективных способов решения данной проблемы является использование неметаллических композиционных материалов (КМ) и защитных покрытий в конструкцию тепло-напряженных узлов ракетных двигателей (РД) и двигательных установок (ДУ).
Внедрение новых углерод-углеродных (УУКМ) и углерод-керамических (УККМ) композиционных материалов в сопловые блоки ракетных двигателей на жидких топ-ливах (ЖРД) основано на результатах исследований в области ракетного двигателе-строения и материаловедения (проводимых, в т.ч. в Центре Келдыша [1—6]), которые подтверждают эффективность и рациональность использование КМ в изделиях ракетно-космической техники.
Сочетание уникальных, физико-механических свойств КМ в рабочем диапазоне температур (до 2000 К и более), низкой плотности (до 1,4—1,6 г/см3), высокой эрозионной стойкости в высокотемпературных окислительных газовых потоках, возможности варьирования состава, структуры и технологии изготовления КМ (в зависимости от требуемого комплекса свойств материала) обуславливают целесообразность их применения для изготовления элементов и узлов ракетоносителей и двигательных установок нового поколения и модернизации существующих.
Продукты сгорания перспективных экологически чистых РД имеют высокий окислительный потенциал (кислород-водород, кислород-керосин и т.п.), что ограничивает допустимую температуру неохлаждаемой металлической стенки (-1300^1400 К), особенно при наличии мест пайки, сварки. Применение конструкционных эрозионно-стойких неметаллических КМ может существенно упростить решение вопроса об химической стойкости материала стенки к воздействию высокотемпературного потока, а в ряде случаев — быть единственно возможным решением проблемы. УУКМ и
1ГНЦ ФГУП Центр им. В.М. Келдыша, г. Москва; 2ОАО КБХА, г. Воронеж; 3ОАО "ЦНИИСМ", г. Хотьково.
Рис. 1. Зависимость удельной прочности от температуры для разных материалов
Рис. 2. Внешний вид установки с камерой ЖРД
УККМ обладают высокой прочностью — (стр, сж до 100 МПа и более) и сохраняют её (даже с некоторым увеличением) до температур ~2000 К, высокой эрозионной стойкостью (рис. 1). Стойкость УУКМ и УККМ к циклическим и динамическим нагрузкам также делает их перспективными для применения в элементах проточных трактов РД, в т.ч. в двигателях многократного использования.
В настоящей статье изложены результаты трехавтономных огневых испытаний (ОИ) камеры сгорания ракетного двигателя с укороченными соплами на основе углерод-углеродного композиционного материала с термостойким антиокислительным покрытием. Во время испытаний на соплах были установлены модели радиационных экранов и элементы низкоплотной тепловой изоляции из КМ, предназначенные для защиты внутренних агрегатов ДУ от теплового воздействия со стороны работающего двигателя и его продуктов сгорания.
Целью испытаний была проверка работоспособности композиционного материала и защитного покрытия сопла, узла стыковки сопла с металлической камерой при работе в составе камеры ракетного двигателя.
Внешний вид экспериментальной установки с камерой ЖРД и соплом из КМ показан на рис. 2.
Рис. 3. Внешний вид НРО № 1 до испытаний
Рис. 4. Внешний вид НРО № 2 до испытаний
Для определения температуры внешней поверхности испытуемых сопел использовались прижимные к внешней поверхности термопары и тепловизор, для бесконтактного измерения температуры поверхности исследуемых объектов (в диапазоне 700— 4000°С).
Объектами испытаний служили два сопла (сопловой насадок радиационного охлаждения (НРО) № 1 (рис. 3) и НРО № 2 (рис. 4)), которые были изготовлены из углеродного материала с различными типами антиокислительных покрытий.
НРО № 1 имеет четырехслойное покрытие внутренней поверхности:
— первый слой — карбид кремния ^С);
— второй слой — нитрид алюминия (АШ);
— третий слой — оксид алюминия (А1203);
— четвертый слой — оксид кремния ($Ю2).
НРО № 2 имеет трехслойное покрытие внутренней поверхности:
— первый слой — карбид кремния ^С);
— второй слой — нитрид алюминия (АШ);
Рис. 5. Внешний вид НРО № 1 после огневых испытаний
Рис. 6. Показания тепловизора
— третий слой — оксид алюминия (А1203).
При этом средняя толщина НРО № 1 составляет 4,04—7,41 мм, толщина НРО № 2 — 3,72-6,88 мм.
При визуальном осмотре НРО № 1 (рис. 5) после ОИ обнаружено, что в целом состояние рабочей поверхности удовлетворительное. Отмечены следующие особенности:
— локальное отслоение покрытия с наружной поверхности сопла;
Т, К
Рис. 7. Результаты определения температур внешней поверхности
15-9-2009 15:09:01
<ч
15-9-2009 15:09:15
5-9-2009 5:09:25
— унос покрытия с внутренней поверхности сопла по всей окружности на длине до 100 мм от малого диаметра сопла из КМ;
— оплавление кромки металлического сопла камеры РД.
На рис. 6 и 7 приведены результаты определенных температур внешней поверхности в разных сечениях сопла в течение испытания № 1 и сравнение с показаниями тепловизора.
Измеренные с помощью тепловизора значения температуры поверхности НРО №1 во время ОИ № 1 в области крепления насадка к камере составили ~1600 К, в области среза сопла ~1400 К. Анализ результатов показал существенное влияние засветки от огневого факела, что может привести к увеличению регистрируемых температур на ~100—200 К от реальных значений.
— унос покрытия с внутренней поверхности сопла до основного материала по всей окружности на длине до 100 мм от малого диаметра сопла из КМ;
— унос покрытия с внутренней поверхности сопла до основного материала сопла по всей окружности на расстоянии до 30 мм от среза сопла.
Следует отметить, что обнаруженные локальные повреждения не влияют на работоспособность сопла.
На рис. 8 приведены определенные с помощью тепловизора температуры внешней поверхности в разных сечениях сопла в течение испытания № 2, максимальная температура на внешней поверхности сопла при этом составила —1615 К.
Исследование состояния сопел после огневых испытаний (рис. 9, 10) в условиях воздействия высокотемпературного сверхзвукового потока продуктов сгорания и об-
Рис. 9. Огневое испытание НРО
°С 1250 1200 1150 1100 1050 1000 950 900 850 850
Г, к 1600
800
Горло
10 см от горла
Срез 1 Р 1
20
40
60 t, сек
Рис. 10. Внешний вид НРО №2 после огневых испытаний
0,5 0,4 Е 0,3 1 0,2 0,1 0
2
4
---
_______
<--------- 3 1
-------
1
3 4 5 № сечения
Рис. 11. Результаты обмера толщины сопел: 1 — средняя величина по НРО № 1; 2 — по НРО № 2; 3 — линейный, средняя величина по НРО № 1; 4 — линейный, средняя величина по НРО № 2
ласти контакта разнородных материалов позволили выделить основные физические факторы, влияющие на работу сопла.
Процессы интенсивного воздействия сверхзвуковых высокотемпературных потоков на холодную (еще не разогретую) стенку сопла приводит к отслоению защитного покрытия от материала подложки вследствие разных уровней КЛТР.
7
5 Энергетика, № 5
129
Химические процессы взаимодействия продуктов сгорания с материалом защитного покрытия и подложки приводят к уносу материала, вследствие этого толщина стенки сопла уменьшается.
Для оценки величины уноса материала сопел проводились обмеры толщины сопел до и после испытаний. Обмеры показали (рис. 9), что при длительности ОИ 100 сек унос материала больше на НРО № 2 — средняя величина уноса составляет от 0,15 до 0,48 мм. На НРО № 1 средняя величина уноса — от 0,01 до 0,21 мм.
Таким образом можно сделать вывод, что связка четырехслойного покрытия + $Ю2 более стойкая к воздействию продуктов сгорания экспериментального РД, чем трехслойное покрытие Б1С+ АШ + А1203.
При этом весовой унос массы НРО № 1 составил 165 г., а уменьшение массы НРО № 2 — 225 г., что согласуется с результатами обмеров толщин НРО.
Узел стыковки сопла из КМ с металлической камерой ЖРД в обоих испытаниях работал без замечаний, каких либо разрушений, оплавления или нарушения герметичности обнаружено не было.
Выводы. Проведены огневые испытания длительностью 100 сек сопел жидкостного ракетного двигателя при его работе в штатных условиях, они показали:
1. Процессы интенсивного воздействия сверхзвуковых высокотемпературных потоков на холодную (еще не разогретую) стенку сопла приводит к отслоению защитного покрытия от материала подложки вследствие разных уровней КЛТР.
2. Химические процессы взаимодействия продуктов сгорания с материалом защитного покрытия и подложки приводят к уносу материала, вследствие этого толщина стенки сопла уменьшается;
3. Узел стыковки сопла из композиционного материала с металлической камерой сгорания ракетного двигателя в штатных условиях — работоспособен.
ЛИТЕРАТУРА
1. Волков Н.Н., Волкова Л.И. Эффективность применения газовой завесы для повышения стойкости насадков из композиционных материалов // Авиакосмическая техника и технология. 1999. № 3.
2. Волков Н.Н., Миронов В.В., Баскаков В.Н. и др. Исследование эрозионной стойкости композиционных материало
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.