Эффективность проведённых разработок

 

Разработка ракеты РСМ-52В, выполненная в основном ещё в СССР, явилась как бы финальным аккордом тех крупномасштабных работ в области боевой ракетной техники, проводимых нашей страной в конце ХХ века. Как известно, до начала 70-х годов в СССР практически не разрабатывались твёрдотопливные стратегические морские ракетные комплексы, хотя первая ракета с подводным стартом Р-21 была принята на вооружение в СССР в 1963 году. Это положение было обусловлено целым рядом объективных причин, к числу которых можно отнести и то обстоятельство, что до этого времени твёрдотопливные ракетные комплексы по своим техническим характеристикам значительно уступали жидкостным [14]. В то же время в США первые стратегические ракетные комплексы для подводных лодок сразу разрабатывались на твёрдом топливе («Поларис», «Посейдон»).

Успехи отечественной промышленности в разработке новых высокоэффективных твёрдых топлив (о чём рассказывалось выше), конструкционных и теплозащитных материалов, достигнутые к середине 70-х годов, а также накопленный опыт проектирования, изготовления и эксплуатации твёрдотопливных ракет, дали возможность практически приступить (более чем на десять лет позднее, чем в США) к разработке морских твёрдотопливных ракет, обладающих высокими тактико-техническими характеристиками. Поэтому представляет интерес провести качественное сравнение достигнутых в СССР и США характеристик БРПЛ на рубеже веков. Широко известны разработанные в США БРПЛ «Трайдент-1» и «Трайдент-2». Оценки российских специалистов показывают, что сопоставление по энергомассовому совершенству этих БРПЛ с БРПЛ РСМ-52В [22], определяемому величиной забрасываемой массы на дальность 10 тысяч километров (в килограммах), отнесённой к стартовой массе ракеты (в тоннах), дают следующие величины:

РСМ-52В - 37,7;

«Трайдент-1» - 34,7;

«Трайдент-2» - 37,2.

Из этих данных следует, что БРПЛ РСМ-52В не только не уступала по энергомассовому совершенству американским разработкам, но и несколько превосходила их.

Проведём обсуждение этих результатов. В соответствии с формулой К.Э. Циолковского [5] характеристическая скорость ракеты (V) равна:

V = U ln(1+ m / M),

где U - скорость истечения реактивной струи двигателя;

М - масса ракеты, оставшаяся после израсходования топлива;

m - масса топлива.

В этой формуле отношение массы рабочего запаса топлива к конечной массе ракеты (или её ступени) – m /M - называется числом Циолковского. Под характеристической скоростью летательного аппарата (ракеты) понимают скорость, которую приобрёл бы летательный аппарат под действием силы тяги ракетного двигателя в идеальном случае – при отсутствии других сил (притяжения планет, сопротивления атмосферы и т.д.) и движении по прямой.

Формула К.Э. Циолковского показывает, что скорость, приобретаемая ракетой, прямо пропорциональна скорости истечения реактивной струи, то есть основной характеристике ракетного двигателя – удельному импульсу тяги, который зависит в первую очередь от рода топлива и в меньшей мере от степени расширения сопла. Из неё также следует, что характеристическая скорость пропорциональна (под знаком натурального логарифма) запасу топлива. При cущественно ограниченном объёме для размещения ракеты в условиях подводной лодки очень важным фактором становится повышенный по сравнению с двигателями-аналогами ракет наземного базирования коэффициент объёмного заполнения камеры РДТТ БРПЛ топливом для увеличения массы запасённого топлива, а масса топлива определяется конструкцией заряда и достаточными по условиям его прочности механическими характеристиками топлива. Таким образом, используемое топливо и конструкции зарядов маршевых РДТТ обеспечивают решающий вклад в энергомассовое совершенство БРПЛ. В этом и заключается выдающаяся роль ФНПЦ «АЛТАЙ» как разработчика твёрдых топлив и конструкций зарядов в создании РДТТ для БРПЛ.

О ликвидации зарядов РДТТ после завершения срока

Службы ракеты

 

Конструктор РДТТ при разработке должен предусматривать рекомендуемые способы его утилизации (ликвидации) после истечения назначенного срока службы ракеты [30].

Эти вопросы не обсуждались при создании вышерассмотренных БРПЛ.

Время не стоит на месте, и наступила необходимость ликвидации БРПЛ РСМ-52, а следовательно, и зарядов твёрдого топлива [12]. Сама по себе ликвидация такого высококонцентрированного источника тепловой энергии, как крупногабаритный заряд РДТТ, является сложной научно-технической задачей.

Вместе с тем разработчикам предоставляется редкая возможность в процессе работ по ликвидации оценить и осмыслить состояние зарядов, представляющих собой конструкцию из полимерной композиции, свыше 20 лет находившейся под воздействием различных нагрузок.

В 2000 году ГРЦ «КБ им. академика В.П. Макеева» в кооперации с ПО «ЗМЗ» и ФНПЦ «АЛТАЙ» по контракту, заключенному с «Агентством по уменьшению угрозы» Министерства обороны США, начал работы по ликвидации твёрдотопливных баллистических ракет РСМ-52.

В ПО «ЗМЗ» осуществляется разборка ракеты на ступени, расснаряжение твёрдотопливных вспомогательных двигателей, а ФНПЦ «АЛТАЙ» проводит сжигание всех твёрдотопливных зарядов. Заряды маршевых двигателей I, II, III ступеней сжигаются без соплового блока с истечением продуктов горения через фланец заднего днища корпуса. Всего по состоянию на конец 2009 года ликвидировано более 160 маршевых двигателей.

В процессе проведения этих работ создана и внедрена технология сжиганий как единого научно-производственного процесса, включающего в себя системы: технологической подготовки, организации и проведения сжиганий; эксплуатационной и экологической безопасности; управления качеством.

Эта технология сжиганий РДТТ без соплового блока позволяет минимизировать факторы риска и гарантировать качество и безопасность работ. Сжигание маршевых РДТТ БРПЛ РСМ-52 без сопла проводится на открытом стенде ФНПЦ «АЛТАЙ» (рисунки 8.1, 8.2).

 

 

Экологическая безопасность стенда обеспечивается за счёт использования системы водного орошения струи продуктов сгорания и осаждения вредных компонентов (хлористый водород HCl и оксид алюминия Al₂O₃) в рабочей зоне стенда, а также вторичной нейтрализации полученных технологических стоков.

Орошение продуктов сгорания в темпе испытания (рисунок 8.3) проводится с помощью ряда кольцевых коллекторов, расположенных вдоль струи продуктов сгорания. Стоки отводятся в накопительный бассейн и нейтрализуются с помощью гашеной извести. Полученная при этом технически чистая вода возвращается в систему стенда, а твёрдая фаза, содержащая оксид алюминия, идет на дальнейшую переработку.

Оценки, проведенные Институтом водных и экологических проблем СО РАН, показали, что при соблюдении технологии сжигания РДТТ и экологически благоприятных метеоусловиях риск для населения г. Бийска и экосистем оценивается как весьма низкий.

 

 

 

Система эксплуатационной безопасности предусматривает в процессе подготовки каждого сжигания проведение анализа факторов риска с целью исключения возможности возникновения аварийных ситуаций при проведении работ. Топлива, используемые в зарядах маршевых двигателей БРПЛ РСМ-52, являются недетонационноспособными в аварийных ситуациях, связанных с нерасчётным ростом внутрикамерного давления. Но взрывной эффект простого разрушения корпуса как сосуда высокого давления может быть значительным. Расчётные оценки показывают, что тротиловый эквивалент разрушения работающего РДТТ может достигнуть несколько десятков килограмм тринитротолуола даже без учета опасности инициирования (при разрушении заряда) термических превращений топлива типа объёмного горения. Такой эффект может привести к серьезным повреждениям стапельной оснастки и стенда в целом. Поэтому задача предварительной оценки работоспособности заряда перед его сжиганием является практически очень значимой. Первая отечественная БРПЛ РСМ-52 на твёрдом топливе безотказно прослужила приблизительно 20 лет. При этом первоначально установленные гарантийные сроки (ГС) по зарядам твёрдого топлива были превышены почти вдвое. Поэтому реальное техническое состояние твёрдотопливных зарядов перед их ликвидацией представляет значительный практический интерес.

Опыт эксплуатации зарядов твёрдого топлива за пределами ГС ограничен, заряды первых твёрдотопливных ракет сухопутного
(РТ-2, РТ-2П) и опытной твёрдотопливной морской ракеты морского базирования (РСМ-45) были ликвидированы методом огневых стендовых испытаний РДТТ без проведения детальной оценки их технического состояния. Вместе с тем чрезвычайно важен набор статистического материала по зарядам, прошедшим длительную эксплуатацию как для организации их безопасного и безаварийного сжигания, так и для учета этих данных в новых разработках.

Заряды РДТТ относятся к неконтролируемым в процессе эксплуатации элементам ракетных комплексов, а результаты выборочных летных и стендовых испытаний, проводимых по программам подтверждения или продления сроков эксплуатации, лишь подтверждают их работоспособность на момент проведения испытаний, не давая информации для прогнозных оценок изменения свойств топлив и материалов в процессе длительной эксплуатации.

При разработке РДТТ поведение заряда на период ГС прогнозируется на базе критериев и гипотез, постулирующих на длительное время те или иные закономерности поведения как твёрдого топлива, так и изготавливаемых на его основе зарядов. Как правило, исходные данные для такого прогноза получены в условиях форсированных режимов нагружения и ограниченного времени испытаний. Объективность таких прогнозов на этапе опытно-конструкторских работ проверить не удается. В связи с чем для прогнозирования длительных физических процессов (миграционных, диффузионных, релаксационных, микроструктурных) при отработке новых поколений РДТТ и установлении продленных сроков для уже действующих, становится характерным использование тех же методических проработок, что и при создании первых поколений РДТТ.

Ошибки прогнозирования могут приводить к занижению или завышению сроков эксплуатации, а в ряде случаев и к отказам РДТТ при эксплуатации.

Проведение ряда работ на снятых с эксплуатации РДТТ позволяет уточнить методологию прогнозирования новых сроков эксплуатации и обеспечить преемственность принципов конструирования новых поколений РДТТ по всем целевым функциям отработки:

- расходно-энергетическим параметрам;

- прочности и механической надёжности;

- эксплуатационной безопасности.

Любую из выходных характеристик заряда можно представить в виде:

где Х ₀ – начальное значение Х;

 - случайные временные функции векторов внешних и внутренних параметров заряда, а также условий хранения, ограниченные функционалами, регламентированными конструкторской документацией на заряд;

t – время эксплуатации в пределах ГС.

Если t ≤ t _г (t _г – гарантийный срок, устанавливаемый при разработке), то необходимо, чтобы

где G _доп – область допустимых значений X_i для всех i -х контролируемых характеристик.

При ОКР это условие долговечности проверяется при форсированных испытаниях по соотношениям:

а) на образцах топлива:

 при  (не исследуется);

б) на зарядах в составе РДТТ:

 при .

Здесь  - режимы нагружения при форсированных испытаниях, - длительность испытаний.

Базовые функции F ₁ и F ₂  принимаются на основе температурно-временных аналогий (диффузионных, напряженного состояния и др.).

Изменение характеристик зарядов при эксплуатации носит случайный характер и в теоретическом плане может быть формализовано на основе марковского случайного процесса с дискретными состояниями и непрерывным временем. Однако идентификация параметров такого процесса по опытным данным представляет серьезную методическую проблему из-за ограниченности статистической информации.
В период работ по ликвидации зарядов целесообразно проведение дополнительных экспериментов для набора опытных данных по техническому состоянию зарядов. Важность таких работ отмечают американские специалисты в статье «Проблемы безопасной демилитаризации российских РДТТ» [41], изучая вопросы безопасности ликвидации РДТТ ракет РТ-23УТТХ (SS-24), произведенных в Советском Союзе и частично оставшихся на Украине после его распада. По их мнению, «твёрдотопливные двигатели… ввиду особенностей рецептуры топлив, представляют сложную проблему с точки зрения оценки их безопасности. Эти двигатели следует рассматривать как потенциально опасные в обращении с ними. Поскольку эти двигатели хранились долгое время, то результаты старения топлива еще более усложняют возможность оценки их безопасного функционирования». Опыт работ содружества ГРЦ «КБ им. академика В.П. Макеева» и ФНПЦ «АЛТАЙ» показал возможность безопасной ликвидации зарядов маршевых РДТТ ракеты РСМ-52 (SS-N-20), не менее сложной, чем ракета РТ-23УТТХ (SS-24).

В состав исследовательских работ за пределами ГС (для накопления статистического материала) могут входить:

- неразрушающий контроль сплошности заряда;

- визуальный осмотр и обмер геометрии канала зарядов;

- пенетрация открытых поверхностей заряда;

- препарация для определения физико-механических, баллистических, теплофизических, взрывчатых характеристик топлива, а также показателей его термостабильности;

- анализ газовой среды в свободном объёме РДТТ после эксплуатации;

- стендовый наддув;

- анализ внутрибаллистических параметров начального участка (~ 1–2 с) при сжигании без сопла (ввиду разгара фланца заднего днища далее зависимость внутрикамерного давления от времени малоинформативна в плане рассматриваемой задачи).

Работы, проведенные на зарядах маршевых РДТТ ракеты РСМ-52 (при продлении сроков их эксплуатации), показывают, что длительная эксплуатация оказывает неравнозначное влияние на характеристики твёрдых топлив. Действительно, физико-химическая структура топлив, теплофизические и взрывчатые характеристики, показатели термической стойкости, внутрибаллистические параметры (а следовательно, скорость горения) остаются практически неизменными в течение исследованных сроков эксплуатации. Наиболее сильно изменяются механические характеристики, что определяется с достаточной точностью по результатам пенетрации и препарации. В прилегающих к каналу и корпусу РДТТ зонах заряда могут происходить неоднородные и нестационарные изменения механических свойств, обусловленные термоокислительными и диффузионными процессами. Именно по механическим свойствам топлив проводится прогнозирование возможности (или невозможности) продления срока эксплуатации данного класса зарядов РДТТ. Для многих таких зарядов высокий исходный уровень механической надёжности позволяет их эксплуатировать даже при значительных изменениях механических характеристик.

Результаты экспериментальных исследований, проведенных с зарядами маршевых РДТТ БРПЛ РСМ-52 после приблизительно 20 лет их реальной эксплуатации, подтверждают правильность технических решений по двигателям, зарядам и топливам, заложенных при проектировании и отработке (под руководством Генерального конструктора академика В.П. Макеева [21]), а также позволяют минимизировать факторы риска при ликвидации зарядов методом сжигания в составе РДТТ без сопла.

8.6 Применение флегматизирующих покрытий
для регулирования расхода РДТТ

 

Нанесение на поверхность заряда твёрдого топлива специальных покрытий, уносимых под воздействием горячих продуктов сгорания и таким образом высвобождающих поверхность заряда для воспламенения и горения, является одним из способов программированного регулирования внутрибаллистических параметров, расхода и тяги РДТТ в начальный период его работы.

Поскольку покрытие экранирует часть поверхности заряда и не позволяет топливу гореть, его принято называть флегматизирующим [20]. Флегматизирующее покрытие может быть одно- или многослойным, постоянной или специально рассчитанной переменной толщины, активным или пассивным. Активным называют покрытие, химические реакции в конденсированной фазе которого протекают с суммарно экзотермическим эффектом.

Проблема регулирования расхода на начальном участке работы РДТТ флегматизацией части поверхности заряда возникла практически одновременно с началом развития твёрдотопливной техники. Первые публикации на эту тему относятся к началу 60-х годов в США
(Gibby H., 1964), в СССР (Райсберг Б.А., Скворцов И.Д., 1966).

Флегматизация части начальной поверхности горения заряда может являться весьма эффективным и перспективным направлением регулирования расхода не только на начальном участке работы РДТТ, но и для выравнивания диаграммы давления всего процесса работы РДТТ и снижения газодинамической напряжённости канала в начальный период [32].

Однако при внешней простоте способа практически все попытки его реализации в натурных двигателях ранее не давали положительных результатов. Как правило, все авторы рассматривали покрытие в виде некоторого профиля переменной толщины, при уносе которого и произойдёт требуемое изменение поверхности горения заряда. Практически же рассчитать, а тем более технологически реализовать такой профиль для программированного регулирования невозможно по следующим причинам:

- скорость уноса покрытия, являясь функцией коэффициента теплоотдачи, переменна как по всей его площади, так и во времени;

- все известные эмпирические зависимости для расчёта коэффициента теплоотдачи получены в определённых ограниченных условиях и в общем случае несут в себе весомый коэффициент незнания, найти коэффициент теплоотдачи решением уравнений теории пограничного слоя не удаётся ввиду чрезвычайной сложности задачи;

- даже предположив, что требуемая переменная толщина покрытия известна, реализовать такую топологически сложную поверхность невозможно технологически.

Поэтому область применения данного способа – снижение начального расхода с последующим плавным нарастанием, но его реализация приведёт к большим разбросам внутрибаллистических характеристик.

Как известно [14, 28], пуск современных баллистических ракет из шахтной пусковой установки осуществляется способом миномётного старта с использованием порохового аккумулятора давления (ПАД), дающего требуемый газоприход в подракетное пространство для выброса ракеты из транспортно-пускового контейнера (ТПК), с последующим запуском двигателя первой ступени. В конце 70-х годов прошедшего столетия была поставлена задача рассмотреть возможность старта БРПЛ из шахты непосредственно на маршевом двигателе первой ступени. Это означало, что на двигателе было необходимо обеспечить программированный выход на режим за время от 2 до 2,5 с, то есть реализовать плавное нарастание давления в камере сгорания до рабочего с применением флегматизации части поверхности заряда. Этим самым предполагалось имитировать рост давления в подракетном пространстве ТПК, обычно создаваемое ПАДом. Типичное время выхода на режим для маршевых РДТТ составляет до 0,3 с.

В период 1976–1979 гг. в ФНПЦ «АЛТАЙ» была проведена под научным руководством профессора Т.А. Боднаря при активном участии кандидата технических наук А.С. Попова широкомасштабная научно-исследовательская работа (НИР) по экспериментально-теорети-ческим исследованиям проблемы программированного регулирования расхода РДТТ с помощью флегматизирующих покрытий [32]. Целью указанной НИР являлось обеспечение программированного изменения расхода РДТТ в интервале от 0 до 2,5 с начального участка его работы. Эта задача была решена с помощью разработанных перфорированных флегматизирующих покрытий. Использовались различные виды перфораций: круглые или квадратные отверстия, прямоугольные и крестообразные отверстия.

При вариации геометрических параметров перфораций и расстояний между ними регулируется характер изменения площади поверхности горения заряда в зависимости от выгорающего свода (и нарастания давления). При комбинации круглых или квадратных перфораций можно получить характер нарастания площади поверхности (давления в камере) выпуклостью в сторону оси абсцисс декартовой системы координат (вторая производная зависимости площади поверхности горения от свода больше нуля). Для комбинации прямоугольных перфораций вторая производная равна нулю, то есть имеет место нарастание давления с постоянным темпом (линейная зависимость). При комбинации крестообразных сечений характер нарастания давления с вогнутостью в сторону оси абсцисс (вторая производная меньше нуля).

В предложенном способе программированного регулирования расхода изменение поверхности горения является только функцией сгоревшего свода заряда и геометрических параметров перфорации покрытия.

Толщина покрытия постоянна по всей площади флегматизируемой поверхности и должна иметь гарантированный запас к моменту смыкания соседних отверстий.

Проектными параметрами покрытия являются: площадь флегматизируемой поверхности, толщина флегматизирующего слоя, геометрические параметры применительно к конкретной конструкции заряда, материал покрытия, для которого должна быть известна (или определена) скорость уноса. Вид перфорации выбирается в зависимости от требуемого характера нарастания давления (расхода).

Для флегматизирующих покрытий оказались наиболее приемлемыми выпускаемые промышленностью листовые материалы на основе полимеров и резин. Из них по своим физико-механическим и теплофизическим характеристикам требованиям, предъявляемым к флегматизирующему покрытию, удовлетворяют невулканизированные каландрованные резины, например, резина 51-2058, выпускаемая в виде пластин толщиной от 0,6 до 2,0 мм с отклонением толщины около 10 %. Для неё были определены экспериментальные значения скорости уноса в зависимости от параметров теплообмена (коэффициента теплоотдачи).

В ФНПЦ «АЛТАЙ» была разработана технология нанесения покрытия как на готовый заряд, так и на технологическую оснастку с последующим изготовлением заряда с покрытием, созданы методика расчёта проектных параметров флегматизирующего слоя и методика расчёта параметров РДТТ с зарядами, имеющими перфорированные и комбинированные флегматизирующие покрытия.

После проведения большого количества экспериментов на модельных зарядах, первые крупногабаритные РДТТ с программированным выходом на режим были успешно испытаны в 1978 году. Впервые в мировой практике изготовлены и испытаны крупногабаритные заряды для РДТТ, предназначенные для обеспечения старта ракеты из шахты подводной лодки непосредственно на маршевом двигателе [39]. Всего было проведено 15 огневых стендовых испытаний маршевых РДТТ с зарядами типа «звезда», канально-щелевой формы, с гладким каналом и открытым задним торцом. На испытаниях получена хорошая сходимость расчётных оценок и опытных результатов.

Коротко остановимся на научно-техническом вкладе профессоров БТИ АлтГТУ в проведённые разработки. Кроме уже указанных по тексту учебного пособия профессоров Я.Ф. Савченко, Г.В. Саковича,
А.С. Жаркова, В.Ф. Комарова, В.И. Марьяша, И.Г. Кауфмана, А.А. Лобановой, С.В. Сысолятина, И.И. Анисимова, Т.А. Боднаря, свой вклад в разработку и отработку рассмотренных выше зарядов и топлив внесли также следующие профессора БТИ АлтГТУ:

1) В.С. Быстров [21] (научный руководитель отработки зарядов ракет РТ-2, РТ-2П, РСМ-45);

2) Б.И. Ворожцов [21] (научный руководитель работ по созданию методов контроля сплошности и определения физико-меха-нических характеристик топлив);

3) В.М. Аксененко [21] (создание методов химико-аналитичес-кого контроля при отработке топлив и зарядов);

4) А.И. Мишичев (создание методов расчёта и отработки прочности зарядов);

5) В.Е. Бажин (разработка технологического оборудования);

6) М.С. Дунин [21] (разработка оснастки и технологического оборудования);

7) С.Н. Козлов [21] (проектирование зарядов, создание вероятностных методов расчёта разбросов характеристик и надёжности РДТТ, разработка методических подходов к оценке эксплуатационной безопасности и экологических последствий утилизации зарядов);

8) Г.С. Игонин [21] (изучение cовместимости материалов, физической и химической стабильности топлив);

9) Ю.Б. Жаринов (разработка и отработка методологии прогноза характеристик и их разбросов на базе вероятностных методов);

10) Р.В. Рафиков (газодинамические процессы, прогноз и отработка энергетических характеристик);

11) В.А. Шандаков [21] (разработка топлив);

12) Ю.Г. Афанасьев (оценка влияния специальных воздействий);

13) А.М. Белоусов (синтез и технология полимеров);

14) Ф.А. Попов (программное обеспечение и вычислительная техника);

15) Э.А. Новосельцев (технологические процессы);

16) Н.И. Попок [21] (развитие методических основ определения пожаро- и взрывобезопасности технологических процессов, чувствительности топлив к различным воздействиям, эксплуатационной безопасности зарядов);

17) В.А. Абанин (разработка методов измерения тяги РДТТ с учётом боковой составляющей);

18) А.С. Лебедев (двухфазные течения и количественный прогноз конденсированных остатков в камере РДТТ);

19) В.Г. Ефимов (вейвлет-анализ результатов радиационной визуализации процесса горения заряда при стендовых испытаниях);

20) М.Г. Потапов [21] (разработка и применение средств измерений и контроля при испытаниях на новых физических принципах);

21) В.Н. Хмелёв (разработка методов контроля сплошности зарядов с бронирующими покрытиями);

22) В.Г. Казанцев (развитие численных методов расчёта проч-ности);

23) Ф.Ф. Спиридонов (численные задачи механики сплошной среды);

24) А.И. Осин (главный инженер Бийского химического комбината);

25) Ю.А. Кошелев (технологические процессы);

26) Г.А. Демидов (разработка автоматизированных методов обработки результатов испытаний).

 

ПРИЛОЖЕНИЕ А