Ракеты...  Проект РК-4: ... Ракетные двигатели

Двигатель РДК-4-300

перезаряжаемый ракетный мотор c дюралевым соплом

корпус сопло заглушка сборка характеристики ревизия доработка заключение

Страничка ракетостроения. Последнее обновление:
Двигатель РДК-4-300 является естественным продолжением линейки моторов РДК-4. Максимальная простота при хороших показателях тяги и веса, вот основные достоинства этих моторов. РДК-4-300 создан для ракет стартовой массой 1,5-2,0 кг. Такие ракеты могут иметь до 0,5 кг полезной нагрузки, что заметно облегчает решение задач проекта РК-4.

Несмотря на стандартность конструкции для серии РДК-4, он имеет некоторые новшества, о которых речь пойдет ниже.

Схема мотора показана на Рис.1.

Корпус
Корпус выполнен из дюралевой трубы диаметром 36 мм, длиной 440 мм и толщиной стенки 2 мм. На расстоянии 12 мм от торцов имеется по 6 отверстий под винты М5х8 крепления сопла и заглушки. Расчетное давление корпуса 80 атм.
Сопло
В сопле применено новое для данной серии движков решение. Корпус сопла выточен из дюраля, что дает приличную экономию веса, имеет две канавки под уплотнительные кольца и традиционную "ступеньку" для стыковки с теплоизоляцией. Новшество заключается в стальной вставке в зоне критического сечения сопла. Опыт многих ракетчиков и, в частности, metero, показал, что такая вставка вполне справляется с тепловыми нагрузками от карамельного топлива и наиболее проста и технологична в исполнении. По причинам, которые будут понятны далее, я не могу рекомендовать конструкцию сопла к повторению, но кому интересно может посмотреть рабочий чертеж сопла.
Заглушка
Заглушка тоже выточена из дюраля по вполне традиционной схеме. Имеет по аналогии с соплом два уплотнителя и ступеньку - тепловой замок. Конструкция заглушки понятна из общей схемы движка.
Сборка
Мотор в основной конфигурации рассчитан на 300 г сорбитовой карамели, или 5 шашек по 60 г, плюс одна шашка-трассер. Диаметр шашек 28 мм, длина 60 мм, диаметр канала 9 мм.

Теплоизоляция простейшая, но достаточно эффективная. Выполняется намоткой тонкого ватмана. Длина трубы 385 мм, толщина стенки 2мм. Подгонку толщины намотки делаю непосредственно после накрутки на шашки путем отрезания излишков.

Собственно сборка движка аналогична сборке двигателя РДК-4гр. Все компоненты перед сборкой показаны на фото. В качестве "разгонных" все те же шайбы из ВВС-1. В канал вставляется стопин из ВВС-1. В верхней части канала дополнительно вложен кусок стопина из ВВС-3 для активизации горения в верхней точке заряда. Кромки бронировок шашек перед сборкой промазываются силиконом, между шашками укладываются прокладки из ВВС-1 и обматываются теплоизоляцией. Этот пакет вставляется в корпус, но не до конца. Выступающий торец теплоизоляции промазывается силиконом, стыкуется с соплом и задвигается до установочного положения. Сопло фиксируется винтами. С другой стороны на трассер укладывается картонная шайба или несколько шайб, если нужна подгонка по длине заряда. Затем устанавливается заглушка, также с промазкой силиконом места стыка с теплоизоляцией.

Мотор собран.

Характеристики
Для испытания мотора с расчетной тягой до 40 кг пришлось изготовить специальный тягоизмерительный стенд ТСК-3. Испытания были проведены 18.04.2010 г. Процесс зафиксирован на видео. Результаты испытания и характеристики показаны на Рис.2. Результаты вполне достойные, если учесть, что движок 3 месяца дожидался стенда. Они позволяют поднять ракету массой 1,5 кг на высоту ~1,5 км, что более чем достаточно для любительских полетов.
   Мотор соответствует классу I238.
Ревизия
Ревизия двигателя не выявила каких-то серьезных недостатков, кроме не слишком неожиданной проблемы с конфузором сопла.
Мотор разбирался очень легко. На корпусе, заглушке нет следов чрезмерного теплового воздействия.
Теплозащита осталась практически цела.
Уплотнительные кольца не пострадали.

Что касается сопла, стальная вставка в критику полностью себя оправдала, разгара нет. Единственная проблема - частично выгорела дюралевая поверхность конфузора. Перед прожигом РДК-4-300 были опасения, что сопло может не выдержать. Они отчасти оправдались. Сопло выдержало и двигатель показал все, на что способен, но было заметно повреждена дюралевая поверхность конфузора.
   Проблема не стала какой-то неожиданностью, поскольку на практике я уже столкнулся с ней при испытаниях двигателя с графитовым соплом РДК-4ГР. Обычно при обсуждении проблем теплозащиты сопла основное внимание уделяется критической части сопла. Спору нет, критика - самый термонагруженный элемент. Но испытания РДК-4ГР показали, что вся поверхность конфузора подвергается мощному тепловому воздействию.
   Хотя первое испытания мотора РДК-4-300 прошли только 18.04.2010, конструкция была разработана и собрана ещё до появления движка с графитовым соплом, и потому не учитывала эту особенность.
   Проблема, на самом деле, достаточно очевидна и вполне решаема. Для этого можно применить простейшую защиту, например, в виде текстолитовой шайбы. Такие варианты встречаются у Накки и других ракетчиков.

Доработка
Доработке подвергся пострадавший конфузор сопла. Подгоревшую часть срезал на плоскость, так, чтобы срезать и часть стальной вставки в критику. На вставке образовалась тоже плоский участок с диаметром ~17 мм. Сверху наклеил на клей, типа 88-го, стандартную широкую стальную шайбу М10, сточив её внешний размер до внешнего диаметра шашки, т.е. до Ø29 мм. Шайба полностью закрыла всю алюминиевую часть конфузора, кроме краёв, куда заходит термоизоляция. Термоизоляция из тонкого ватмана в процессе сборки надевается на шайбу. Этот стык промазывается силиконом. Таким образом, края конфузора тоже надежно защищены.

Все остальное в моторе спроектировано правильно и осталось без изменений. Схема-чертеж сопла, так как оно получилось, показана на рис.2.

Двигатель РДК-4-300 с доработанным соплом был испытан 26.12.2010г на стенде ТСК-3. Мотор отработал без замечаний и подтвердил свои характеристики, показав даже немного лучший удельный импульс, который перевалил за знаковую величину 130 с.

Вес рабочего топлива 299,6г. При расчетах учтена часть трассера, поучаствовавшая в создании тяги. Полная тяга превысила 38 кг, что для мотора полным весом 810г неплохо.

После испытаний сопло вытащил без спец. средств просто руками. Осмотр сопла показал, что доработка проделана не зря. В такой конфигурации сопло осталось совершенно без изменений и может эксплуатироваться дальше.

Заключение

С проблемой эрозии сопла удалось справиться, причем очень простыми средствами без серьезных переделок. Получился очень приличный многоразовый мотор, достаточно легкий и тяговитый. Не хватает пока только ракеты под него...

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

***