Ракеты... Лаборатория:

Керамические составы

Исследование керамических составов для ракетных сопел

материалы  методика  результаты  эрозия  выводы 

Страничка ракетостроения. Последнее обновление:
Давайте сразу расставим точки над i. Данные исследования не имеют задачи получения точных характеристик тех или иных керамических составов. Основная задача - получить представление о некоторых свойствах и возможности использования разных доступных любителю видов керамики для изготовления небольших керамических ракетных сопел. /14.01.2009, автор Козлов И./

Материалы
Для начала рассмотрены наиболее доступные глины:
  1. белая косметическая глина, иногда фигурирующая в статье под названием "Каолин";
  2. строительная шамотная глина "Печник" завода КБС;
  3. импортная готовая к употреблению глина для лепки "Modelar" фирмы JOVI;
  4. порошковая глина для лепки "Голубая волшебница" от ООО "Ленстройкерамика".

Их удалось купить, что называется, сходу. Косметическую в аптеке, строительную на рынке, "Modelar" в канцтоварах, "Голубую волшебницу" в магазине для художников. Стоят недорого.

Методика
Для изучения были сделаны по 4 экземпляра сопла по специально отработанной методике для проекта РК-3, которая позволяет с большой точностью воспроизводить геометрические параметры изделий. Это позволило набрать хоть небольшую, но статистику по каждой глине. Для некоторых экстремальных испытаний изготавливались дополнительные экземпляры.

Геометрия сопел замерялась штангенциркулем с точностью 0.1мм. С такой же точностью замерялся диаметр критического сечения с помощью набора сверл с шагом 0.1мм.

Сушка сопел проводилась в комнатных условиях в течение 2-х суток.
    Активная сушка и обжиг проводились в самодельной муфельной печи МПК-2, позволяющей получить температуру до 1200°C.
   Активная сушка велась при температуре 200±20°C в течение 2-х часов, после чего температура повышалась для обжига.
   Обжиг - при температуре 900-1050°C в течение 15-20 минут.
   Отдельные экземпляры были подвергнуты испытанию при повышенной температуре 1100-1150°C в течение 15-20 минут, для краткости названному "пережог". Контроль температуры до 900°C проводился тестером, выше 900°C осуществлялся приблизительно по цветовой гамме:
   830-900°C светло-красный
   900-1050°C оранжевый
   1050-1150°C темно-желтый

Результаты
   Напомню, что изначально сопла формировались в форме дающей следующую геометрию:
   — внешний диаметр D="22" мм
   — диаметр критики d="5" мм
   — длина L="30" мм;
   с целью получить в результате всех усадок такие размеры:
   — внешний диаметр D="20" мм
   — диаметр критики d="4.5" мм
   — длина L="28.5" мм;
   Поскольку усадка происходит нелинейно, измерялись минимальные размеры, т.е. те размеры, которые остаются после окончательной механической доработки сопла (кроме критики).

Первая усадка глины происходит в результате сушки. Размеры сопел в миллиметрах после сушки приведены в таблице 1.

Таблица 1. Размеры после сушки
Материал   D1 D2 D3 D4   L1L2L3L4   d1d2d3d4
Каолин   19.119.119.419.4   26.627.027.027.3   4.34.34.34.4
Шамот   19.819.919.920.0   28.128.228.228.5   4.44.44.54.5
Modelar   20.120.220.520.5   28.428.929.029.3   4.34.44.54.5
Голубая волшебница   20.220.220.320.3   28.428.929.329.7   4.44.44.54.7


Это, так сказать, сухие цифры. Некоторые результаты описать численно невозможно. Так, кроме того, что Каолин дал наибольшую усадку, и, очевидно, из-за этого, сопла из белой глины претерпели еще и заметное на глаз непропорциональное искажение формы.
   На 2-х соплах из 4-х Моделяра и Голубой волшебницы отмечены трещины в области критики.
   Лучше всего на данном этапе проявила себя Шамотная глина. Форма близка к расчетной. Трещин не отмечено./25.11.2008 kia-soft.narod.ru/
Следующая усадка происходит после обжига, таблица 2.
   Что интересно, разноцветные изначально глины, после обжига приобрели стандартный коричневый цвет только разной интенсивности.
   Сам обжиг прошел без эксцессов, однако стоит сразу отметить странную, на первый взгляд, тенденцию Шамотных сопел, совершенно противоположную усадке.
   Изменения размеров в результате обжига значительно скромнее, и опять-таки лидирует белая глина. Наиболее близок к заданным размерам стал Моделяр.

Таблица 2. Размеры после обжига
Материал   D1 D2 D3 D4   L1L2L3L4   d1d2d3d4
Каолин   18.418.418.718.7   26.226.626.626.8   4.34.34.34.4
Шамот   19.820.020.020.1   28.028.328.328.4   4.54.54.54.5
Modelar   19.719.820.020.3   28.428.428.628.8   4.34.44.44.5
Голубая волшебница   19.719.920.420.5   28.028.329.029.5   4.34.34.54.7

Поскольку печка МПК-2 без проблем выдает на-гора температуру около 1200°, т.е. практически реальную рабочую температуру двигателей на карамельном сорбитовом топливе, было решено подвергнуть часть сопел испытанию максимальным нагревом, пережогом. Результаты приведены в таблице 3.

Таблица 3. Размеры сопел до и после пережога
Материал   D Dпер   LLпер   ddпер
Каолин   18.416.3   26.223.3   4.33.6
Шамот   19.8деформация   28.0деформация   4.5деформация
Modelar   20.019.6   28.828.6   4.54.5
Голубая волшебница   20.419.2   29.528.5   4.74.5

Результаты пережога оказались, мягко говоря, неожиданными. Белая глина дала дополнительно такую усадку, что сопло перешло в разряд совсем другого калибра. Форма, правда, сильно не пострадала и его действительно можно применять, но только не для 20 миллиметровых движков. По-видимому, косметическая глина содержит много связанной воды. На это намекает и вес сопла 8.7 г, что заметно меньше среднего 13.5 г для остальных глин.

Что произошло с шамотным соплом видно из фотографии слева. Это еще приличный вариант. Некоторые сопла из шамотной глины после пережога вообще превратились в конкретный бесформенный керамзит. Может что-то в моей методике замеса и обжига не так, либо эта глина изначально не рассчитана на применение в чистом виде, но я все же склонен считать, что температура, указанная на упаковке (1600°C) - полная липа. Что там намешано в этом шамоте - неизвестно.
   Лучше всего при пережоге показал себя Моделяр, изменения геометрии незначительные. Волшебница тоже выглядела вполне достойно.
   Трещин и разрушений при пережоге для всех глин, кроме шамотной, не отмечено.

Эрозия
Исследованные сопла делались в рамках проекта РК-3 для форсированного двигателя третьей серии РДК-3ф. Этот мотор показал очень хорошие параметры при испытании на стенде ТСК-1. На нем было установлено новое сопло из глины Modelar. Был замерен диаметр критики:
    - до испытаний 4,5 мм,
    - после испытаний 5,1 мм.
    Таким образом эрозия материала сопла привела к разгару критики на 13%. Много это или мало? Вопрос скорее философский. Формально приличный разгар, и руки чешутся что-то предпринять. Но с другой стороны, характеристики тяги и импульса подсели несущественно на 1-1,5%. При этом максимальное давление в движке упало значительно с 41 до 34 атм, что можно рассматривать как положительный фактор. В этой связи считаю результаты испытания положительными, а сопло вполне функциональным.

В плане разгара критики каолин и шамотная глина показали себя хуже. Каолиновое сопло работало в таких же условиях, что и сопло из Моделяра, а шамотное даже в более легких. Эрозия составила соответственно:
   - каолин 4,5 - 5,3 мм (18%);
   - шамот 4,5 - 5,6 мм (25%).

Выводы
Все результаты представлены, так что выводы можете делать сами. Для себя я сделал такие:
  1. Наиболее подходящие глины для изготовления ракетных сопел из рассмотренных это Modelar и Голубая волшебница. Можно ожидать от них незначительного разгара критики или отсутствия такового для карамельных сорбитовых двигателей. Надо только учитывать не стопроцентный выход при изготовлении из-за возможных трещин.
  2. Применение белой косметической и строительной шамотной глины для этой цели крайне проблематично, по крайней мере, в чистом виде.
  3. Необходимо учитывать заметную усадку в процессе термической обработки. Для уменьшения усадки и растрескиваний необходимо исследовать смесевые керамические составы - глины с тугоплавкими наполнителями.
  4. Изначально выбранная мною для керамических сопел глина Modelar показала наилучшие характеристики по сохранению геометрии и термостойкости. Возможно, это связано с тем, что эта глина поступает в продажу уже замешанной в заводских условиях, к тому же не отечественных и не китайских /14.01.2009 kia-soft/.

P.S.
   Что ж, сопла готовы. Теперь они пошли в дело. Начал проверять в работе, в частности, на разгар. Понятно, что тут для даже минимальной статистики нужно время. Но первые данные уже есть.

***