Ракеты...  Ракетные двигатели:

"Полусопловой" ракетный двигатель РДК-Х3


топливо корпус заряд заглушка сопло зажигание характеристики летный вариант РДК-Х3-А7 заключение

Страничка ракетостроения. Последнее обновление:
Хотя речь пойдет о конкретном моторе, на самом деле статья посвящена скорее специфичной, но довольно интересной технологии ракетного двигателя на твердом топливе, получившее название среди любителей "полусопловой мотор", или "полусопловик". Такие моторы у меня в обозначении имеют префикс "РДК-Х". Полусопловик - это конечно жаргонизм, но довольно точно отражающий суть концепции. А суть в том, что бессопловой мотор (например, БРДК-3) со скрепленным зарядом дополняется простым соплом из эпоксидки, имеющим диаметр критического сечения равным диаметру канала в заряде. Т.е. в начале работы, сопла вроде как и нет, но по мере выгорания топлива начинает работать эпоксидное сопло. Оно конечно тоже выгорает, но не так активно, как заряд и эффект сопла присутствует. Эффект довольно полезный и позволяет решить многие проблемы бессопловых двигателей, в то же время сохранив все их преимущества.

Ничего нового в эпоксидном полусопле нет, они делались и раньше, но такие сопла имеют тенденцию к неравномерному разгару, что приводит к отклонению вектора тяги от оси двигателя. В связи с этим возникла мысль попробовать добавлять в эпоксидку какие-либо мелкодисперсные порошки, чтобы добиться равномерного разгара. В одном из своих экспериментов ракетчик Pashok подтвердил правильность этой гипотезы. Первые же мои пробы замесить в качестве наполнителя мелкий порошок алюминия ПАП-1 дали хороший и устойчивый результат. Таким образом, получилось легко выгораемое сопло, но четко выполняющее свою роль организации выходящей струи.

В результате, с появлением возможности сохранения правильной формы критики на соплах с большим разгаром, можно говорить о появлении новой технологии, или, по крайней мере, нового направления в любительском моторостроении. Полусопловик занимает промежуточное положение между бессопловым и классическим сопловым РДТТ.

Уже прошли испытания полусопловики разных калибров. В данной статье речь пойдет о наиболее массовом и отработанном у меня моторе РДК-Х3. Схема представлена на рис.1. Конструкция не сильно сложнее, чем бессоплового мотора. Звездочкой помечены размеры, которые могут быть изменены по конструктивной или функциональной необходимости.

Топливо

Ограничений по топливу здесь особых нет. Если состав работает в бессопловой схеме, он будет работать и в полусопловой. От топлива зависит только конечный диаметр критики после работы мотора. Чем горячее топливо, тем больше разгар сопла. Но на четкость формы критики это практически не влияет.

Мне удалось прожечь полусопловые моторы с разными ТРТ:
сорбитовой карамелью F3.
перхлоратным с нитратом аммония F2.
перхлоратным с нитратом бария АНУБИС.
Лучше всего показало себя топливо АНУБИС, но это понятно в условиях конкретной конфигурации РДК-Х3.

В 20-ти миллиметровый мотор реально запрессовать от 50 до 80 г топлива.

Корпус
Корпус делается из 2-х полос рисовальной бумаги формата А3. Альбомы для рисования такого формата есть в каждом магазине канцтоваров. Эта бумага толще офисной, но тоньше ватмана.

Отрезаем 2 полосы по длине и мотаем на оправку Ø20 мм на силикатном клею. Ширина полос 160-180мм, в зависимости от необходимости и планируемого канала. Для карамели лучше взять покороче, чтобы легче было закладывать топливо, для густого перхлоратного можно взять длиннее, чтобы использовать излишек корпуса для центровки каналообразующего стержня. Потом отрежем под размер.

Чтобы корпус не повело, лучше сушить прямо на оправке.

После высыхания, надо обязательно торцануть шкуркой или подровнять ножом, чтобы сделать четкий срез без клея и без сдвига слоев. Это обязательное условие для прочного сцепления сопла и заглушки с корпусом.

Заряд
После изготовления корпуса можно приступать к формированию заряда. Для этого надо подготовить систему прессовки и формирования. Я предлагаю самую последнюю и самую удачную из своих схем. Она принципиально похожа на применявшуюся для бессопловика БРДК-3-300, но проще в изготовлении и удобнее в использовании. Работоспособность уже неоднократно проверена, причем на разных топливах. Схема представлена на рис.2.

Подробности можно посмотреть в статье "Система формирования скрепленного канального заряда"

Заглушка
Заглушка делается из эпоксидной смолы по схеме ракетчика Serge77. Поэтому надо очистить торцы корпуса от клея и топлива. Берем кусок широкого скотча и плотно наматываем на корпус липучей стороной к верху оборота 2-3. Сдвигаем скотч по корпусу так, чтобы он торчал над срезом корпуса на 5-10 мм. Затыкаем канал в топливной шашке кружочком картона. Ставим корпус на попа, стороной, где будет заглушка, вверх. Заливаем эпоксидку в образовавшуюся ванночку так, чтобы её уровень был выше среза корпуса на 3-4 мм. Оставляем сохнуть.

Метод хорош тем, что эпоксидка пропитывает бумагу на самом срезе корпуса и намертво с ним соединяется. Соединение получается очень надежным и не требует никаких дополнительных мер.

По высыхании эпоксидки заглушка готова.

Сопло
Сопло формируется точно так же, как и заглушка. Отличие только в составе эпоксидки и формировании критики.

В эпоксидку добавляем 20% мелкодисперсного порошка. Я добавляю обычно ПАП-1. Некоторые добавляют гипс. Думаю можно взять, например, мел, цемент, глину, но не проверял.

Для формирования канала в сопле, берем металлический стержень, например, сверло Ø6 мм, одеваем на него подходящий кембрик или термоусадку. Слегка смазав маслом, вставляем в канал заряда. Стержень должен входить без зазоров плотно и ровно держаться в канале.

Т.е. в результате последовательность такая. Делаем ванночку из скотча, как в случае с заглушкой, вставляем стержень в канал, ставим движок вертикально на заглушку и заливаем эпоксидку с замешанным в ней порошком выше среза корпуса на 3-4 мм. Сушим. После высыхания вытаскиваем стержень и сопло готово.

Зажигание
Нам осталось только организовать зажигание. Тут никаких проблем. Берем запал ВЗК-2 и вставляем его через сопло в канал двигателя до самого упора в заглушку.

При необходимости ничто не мешает вмонтировать запал в заглушку и вывести контакты со стороны заглушки. Для этого перед заливкой заглушки запал ВЗК-2 вставляется в переднюю часть заряда и после этого заливается эпоксидкой, формирующей заглушку, как это уже делалось на моторе БРДК-3 и на моторе РДК-2х. Более поздние эксперименты показали, что даже нет необходимости очищать изоляцию на заливаемых смолой участках провода.

Характеристики
Характеристики каждого конкретного полусополового мотора зависят от заряда, его количества и состава. Можно посмотреть по ссылкам, данным выше в разделе "Топливо".

Надо только отметить, что полусопло позволяет улучшить показатели тяги и импульса мотора, по сравнению с бессопловыми аналогами. При этом увеличивается прогрессивный характер зависимости тяги от времени.

Но основные цели полусоплового мотора связаны не столько с энергетикой, сколько с организацией четкой и надежной работы. Полусопло прежде всего позволяет укрепить торцевую часть заряда, что дает возможность использовать заряды не отличающиеся очень большой прочностью, а значит расширяет диапазон применимых топлив.

Еще один недостаток бессопловиков это неравномерное выгорание торцевой части заряда. Следствием этого становится несанкционированное отклонение вектора тяги, крайне не желательное для ракетного мотора. Грамотно сделанное полусопло позволяет устранить этот недостаток.

Полусопло позволяет также легко герметизировать заряд при хранении.

Летный вариант РДК-Х3-А7
На базе экспериментального мотора РДК-Х3 уже создан рабочий, т.е. летный вариант мотора. Он получил название РДК-Х3-А7 (предварительное название было РДК-Х3-ТЗ7). Дополнительные обозначения означают топливо АНУБИС и время замедления пиротехнической системы выбрасывания парашюта 7 секунд. Схема представлена на Рис.3.

Собственно в наличии трассера-замедлителя и вышибного заряда и состоит основное отличие летного варианта мотора. На этом и остановлюсь подробно. Для начала замечу, что для организации трассера необходимо место, поэтому длина корпуса увеличена до 180 мм, без учета выступающих частей заглушки и сопла.

После запрессовки заряда АНУБИСА 65 г в корпусе, со стороны будущей заглушки в канал шашки вклеивается пробочка из того же топлива. Она формируется прессовкой в любой подходящей форме. Я просто взял сопло от аварийного мотора. Заложил в канал немного топлива, поджал торцом сверла и выдавил. Получается аккуратная пробочка длиной 5-6 мм. Подсушив её в течение суток, вклеиваем на эпоксидке POXIPOL. Это позволяет нам заткнуть канал для заливки трассера сверху шашки, а также избежать влияния состава трассера на работу основного заряда.

Теперь можно залить сверху состав трассера. Технология практически та же, что и в случае мотора РДК-3ФЭ, поскольку она даёт наиболее надежный результат. Только трассер не выполняется в виде отдельной шашки, а заливается прямо в корпус. Для заливки я взял обычную сорбитовую карамель с добавкой 1% окиси железа. Скорость горения такого состава 4,8 мм/с. Длина заливки должна составлять ~30 мм для времени замедления 7 с. Делаем немного длиннее - 33 мм, из-за особенностей технологии. После застывания трассера засверливаемся сверлом Ø3,5 мм на глубину 3 мм в торце трассера.

Вставив в углубление кембрик и, намотав скотч на корпус, получаем форму для отливки заглушки с каналом. Заливаем эпоксидку и сушим под лампой накаливания. Эпоксидка затвердевает примерно через час. Вытаскиваем кембрик и получаем готовую заглушку с каналом для передачи зажигания от трассера на вышибной заряд.

Мортирку можно организовать по-разному. Проще всего сделать углубление в самой заглушке. Я так и сделал засверлившись зенковкой. Надо только подобрать объем углубления под нужную навеску пороха.

Теперь можно заняться непосредственно организацией вышибной пиросистемы. В канал засыпаем и утрамбовываем гранулы дымного охотничьего пороха и фиксируем каплей нитропороха, разведенного ацетоном. После высыхания нитропороха укладываем небольшое количество легковоспламеняющегося состава. Это может быть спичечная обмазка или состав МИКС-1К.

Осталось засыпать вышибной заряд, например, дымный порох, и зафиксировать его скотчем. Прикрываем сверху куском широкого скотча и, подогнув края, фиксируем их полоской тонкого скотча.

Все, заглушка с вышибной системой готова.

Кроме того, на моторе РДК-Х3-А7 был использован немного другой вариант состава полусопла. Для отливки была использована высококачественная эпоксидка West System. Она очень жидкая, что позволило замесить в нее 50% наполнителя. Наполнитель тоже взял немного другой, а именно строительный гипс, или алебастр. Большой процент порошка гипса позволил заметно снизить разгар критики с 13,5 мм до 12,0 мм, что естественно положительно сказалось на характеристиках мотора.

Что касается последних, то есть характеристик, то они были получены в успешном испытании от 03.04.2011г на серьезно доработанном стенде ТСК-1М. График тяги показан на рисунке 4.

Мотор имел следующую конфигурацию:
Габариты
- L=188 мм
- D=23.5 мм
- M=124.5 г
Заряд топлива АНУБИС скрепленный
- L=125 мм
- D=20 мм
- M=65.7 г
- Lкан=119 мм
- Dкан=7 мм
Сопло ЭДП(WestSystem)+50%гипс
- L=14 мм
- D=7 мм

Результат может и не выдающийся, но весьма примечательный. Движок действительно летный. С мотора массой 125г удалось снять тягу 15кг! Удельный импульс 132 с тоже хорош, если учесть, что мотор не имеет жесткого сопла. Я уже не говорю о шикарном факеле, который с новым составом полусопла стал более острым, агрессивным, но не менее ярким. Голосок у этого малыша тоже не детский, запись, конечно, полностью его не может передать, но в натуре хватает за нерв.

Если учесть, что это третий мотор с таким зарядом, то уже можно говорить о надежности конструкции. Небольшие размеры, достаточная приемистость и тяга позволяют устанавливать его на все имеющиеся у меня на данный момент ракеты.

12.06.2011 состоялся удачный запуск ракеты Циклон-М с этим мотором. Старт был очень мощным, несмотря на приличный стартовый вес ракеты 505г. Звук был очень впечатляющим, факел тоже неплохо смотрелся. Мотор отработал по полной и вовремя сработала система спасения. Надежды, возлагаемые на него, мотор РДК-Х3-А7 полностью оправдал.

Заключение
Огневые испытания полусопловиков показало их хорошую работоспособность. Все положительные качества бессопловых моторов в основном сохраняются - легкость, дешевизна, технологичность, хороший визуальный эффект, безопасность. При этом усложнение технологии незначительно, надежность мотора выше, энергетика выше. Гибкость технологии позволяет использовать разные составы топлив, разные наполнители в соплах и получать разные энергетические характеристики моторов.

По данной технологии уже сделан летный вариант мотора, имеющий очень приличные характеристики.

Есть замечательный резерв у этой технологии. При необходимости усиления критики можно сделать это за счет установки жаропрочной шайбы. Такой вариант уже успешно проверен мной на моторе РДК-Х3 с топливом RLAN-M.

Очень интересное и перспективное направление. /17.03.2011 kia-soft/

P.S.
   Содержание может корректироваться по мере накопления экспериментальных данных.

***