RU2581636C1 - Missile nose cone - Google Patents

Missile nose cone Download PDF

Info

Publication number
RU2581636C1
RU2581636C1 RU2015105466/11A RU2015105466A RU2581636C1 RU 2581636 C1 RU2581636 C1 RU 2581636C1 RU 2015105466/11 A RU2015105466/11 A RU 2015105466/11A RU 2015105466 A RU2015105466 A RU 2015105466A RU 2581636 C1 RU2581636 C1 RU 2581636C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
shell
tzs
mass
layer
temperature
Prior art date
Application number
RU2015105466/11A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Валерий Иванович Трушляков
Яков Тимофеевич Шатров
Давид Борисович Лемперт
Юлия Вячеславовна Иордан
Владимир Евгеньевич Зарко
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Омский государственный технический университет"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Омский государственный технический университет" filed Critical Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Омский государственный технический университет"
Priority to RU2015105466/11A priority Critical patent/RU2581636C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2581636C1 publication Critical patent/RU2581636C1/en

Links

Images

Classifications

    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F42AMMUNITION; BLASTING
    • F42BEXPLOSIVE CHARGES, e.g. FOR BLASTING, FIREWORKS, AMMUNITION
    • F42B10/00Means for influencing, e.g. improving, the aerodynamic properties of projectiles or missiles; Arrangements on projectiles or missiles for stabilising, steering, range-reducing, range-increasing or fall-retarding
    • F42B10/32Range-reducing or range-increasing arrangements; Fall-retarding means
    • F42B10/38Range-increasing arrangements
    • F42B10/42Streamlined projectiles
    • F42B10/46Streamlined nose cones; Windshields; Radomes
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64GCOSMONAUTICS; VEHICLES OR EQUIPMENT THEREFOR
    • B64G1/00Cosmonautic vehicles
    • B64G1/22Parts of, or equipment specially adapted for fitting in or to, cosmonautic vehicles
    • B64G1/64Systems for coupling or separating cosmonautic vehicles or parts thereof, e.g. docking arrangements

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Fluid Mechanics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Laminated Bodies (AREA)

Abstract

FIELD: rocket and space technology.
SUBSTANCE: invention relates to aerospace engineering and can be used in head cowls (HC) of space rockets. HC for space rockets is a three-layer structure from polymer composite materials in form of a two-leaved shell variable curvature, comprises an outer bearing layer of coal-plastic, inner bearing layer, metal honeycomb is composed by weight and size of plates with thermite-igniting mixture (TIM) with an oxidising agent, which is potassium chlorate or potassium perchlorate, powdered metal, which is magnesium or aluminium, or titanium, or alloy, and binder, which is colloxylin. Weight of TIM depends on weight of HC shell, heat released during combustion of TIM, average temperature of structure of HC shell at moment of occurrence in dense atmosphere, temperature required for providing beginning of spontaneous combustion process design of HC shell.
EFFECT: invention allows burning of HC on trajectory descent in atmosphere, eliminating need to allocate area for falling HC.
10 cl, 1 tbl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к ракетно-космической технике и может быть использовано для сокращения районов падения, выделяемых для отделяющихся частей от ракет-носителей (РН) по траектории выведения полезных грузов на орбиты, например, районов падения створок головного обтекателя (ГО).The invention relates to rocket and space technology and can be used to reduce the areas of incidence allocated for separating parts from launch vehicles (LV) along the trajectory of launching payloads into orbits, for example, areas of incidence of the head fairing (HE) flaps.

Известен головной обтекатель для РН «Ariane-5» http://www.air-cosmos.com/2014/07/03/23589-des-ariane-5-bien-coiffees-jusqu-en-2019.Known head fairing for the launch vehicle "Ariane-5" http://www.air-cosmos.com/2014/07/03/23589-des-ariane-5-bien-coiffees-jusqu-en-2019.

Изготовленные конструкции оболочки ГО на основе композита для РН «Ariane-5» высотой 17 метров и диаметром 5,40 м имеют общую массу всего 2,4 т. Конструкция оболочки ГО для РКН «Ariane-5» состоит из основных алюминиевых сот и внешних слоев углепластика. Ранее широкое распространение при изготовлении ГО получили сплавы из алюминия и магния (AMg), например ГО для РН «Космос-3М».The fabricated GO shell structures based on the composite for the Ariane-5 LV with a height of 17 meters and a diameter of 5.40 m have a total mass of only 2.4 tons. The GO shell design for the Ariane-5 LV consists of basic aluminum honeycombs and outer layers carbon fiber reinforced plastic. Earlier, alloys made of aluminum and magnesium (AM g ), for example, GO for the Cosmos-3M LV, were widely used in the manufacture of GO.

Наиболее близким к заявляемому изобретению является головной обтекатель ракет-носителей, представляющий собой трехслойную конструкцию из полимерных композиционных материалов в виде двухстворчатой оболочки переменной кривизны, содержащей внешний несущий слой из углепластика и внутренний несущий слой с алюминиевым сотовым заполнителем (патент RU 2355583, МПК B32B 37/00, опубл. 20.05.2009).Closest to the claimed invention is a head fairing of launch vehicles, which is a three-layer structure of polymer composite materials in the form of a bivalve shell of variable curvature, containing an outer carrier layer of carbon fiber and an inner carrier layer with aluminum honeycomb (patent RU 2355583, IPC B32B 37 / 00, published on May 20, 2009).

К основному недостатку ГО по предлагаемому прототипу следует отнести тот факт, что после отделения от РН, когда скоростной аэродинамический напор уже практически не воздействует на полезную нагрузку, ГО при движении по траектории спуска не сгорает в слоях атмосферы и необходимо для ГО выделение значительных площадей районов падения. На РН устанавливаются две створки головного обтекателя, и они отделяются одновременно от РН в противоположные от продольной оси РН стороны, что приводит к еще большему району падения.The main disadvantage of GO according to the proposed prototype is the fact that after separation from the LV, when the high-speed aerodynamic pressure does not practically affect the payload, the GO does not burn in the atmospheric layers when moving along the descent trajectory and it is necessary for the GO to allocate significant areas of fall areas . Two flaps of the head fairing are installed on the launch vehicle, and they are simultaneously separated from the launch vehicle in opposite directions from the longitudinal axis of the launch vehicle, which leads to an even larger drop area.

Например, для РН «Протон» при пусках с космодрома Байконура по трем азимутам пуска площадь районов падения ГО составляет 3530 км2, для РКН «Союз» по 4 азимутам ~7540 км2 и т.д. Аналогичная ситуация имеет место для всех типов РН при пусках с космодрома Плесецк, Восточный (кн. Я.Т. Шатров. Обеспечение экологической безопасности ракетно-космической деятельности. Часть 2. Экологические производственные аспекты. Экологический мониторинг. Методические подходы, методики, результаты оценок экологической безопасности средств выведения., г. Королев Моск. обл., 2010 г.ЦНИИмаш, с.206-210).For example, for the Proton launch vehicle during launches from the Baikonur Cosmodrome in three launch azimuths, the area of GO fall areas is 3530 km 2 , for the Soyuz rocket launch vehicle at 4 azimuths ~ 7540 km 2 , etc. A similar situation exists for all types of launch vehicles during launches from the Plesetsk, Vostochny cosmodrome (Prince Ya. T. Shatrov. Ensuring the environmental safety of rocket and space activities. Part 2. Environmental production aspects. Environmental monitoring. Methodological approaches, techniques, results of environmental assessments safety of means of excretion., Korolev, Moscow Region, 2010, TsNIImash, p.206-210).

Техническим результатом предлагаемого технического решения является обеспечение сгорания ГО при движении по траектории спуска в слоях атмосферы, исключение факта падения ГО на поверхность Земли и тем самым исключение необходимости выделения района для их падения.The technical result of the proposed technical solution is to ensure the combustion of GO during movement along the descent trajectory in the atmosphere, eliminating the fact that GO falls on the Earth's surface and thereby eliminating the need to identify an area for their fall.

Указанный технический результат достигается за счет того, что в головном обтекателе, представляющем собой трехслойную конструкцию из полимерных композиционных материалов в виде двухстворчатой оболочки переменной кривизны, содержащей внешний несущий слой из углепластика и внутренний несущий слой с заполнителем между ними, заполнитель содержит термитно-зажигающую смесь (ТЗС), воспламеняющуюся при достижении поверхностью конструкции оболочки ГО температуры воспламенения ТЗС, а массу ТЗС определяют по формулеThe specified technical result is achieved due to the fact that in the head fairing, which is a three-layer structure made of polymer composite materials in the form of a bivalve shell of variable curvature, containing an external carrier layer of carbon fiber and an internal carrier layer with a filler between them, the filler contains a termite-igniting mixture ( TZS), flammable when the surface of the shell design reaches the ignition temperature of TZS, and the mass of TZS is determined by the formula

Figure 00000001
Figure 00000001

где mтзс - масса термитно-зажигающей смеси, кг;where m tcc is the mass of the termite-igniting mixture, kg;

mго - масса ГО, кг;m go - the mass of GO, kg;

Q - теплота, выделяющаяся при сгорании ТЗС, кДж/кг;Q is the heat released during the combustion of the heating element, kJ / kg;

ΔT=T1-T0, град.;ΔT = T 1 -T 0 , deg .;

T0 - средняя температура поверхности конструкции оболочки ГО на момент вхождения в плотные слои атмосферы, где следует начинать процесс сжигания ГО, K;T 0 is the average surface temperature of the GO shell structure at the time of entry into the dense layers of the atmosphere, where the GO combustion process should begin, K;

T1 - температура, необходимая для обеспечения начала самопроизвольного процесса горения конструкции ГО в плотных слоях атмосферы, K.T 1 is the temperature necessary to ensure the beginning of the spontaneous combustion process of the GO structure in dense atmospheric layers, K.

В состав ТЗС входят окислитель, например соли или оксиды металлов (KClO3, KClO4, CuO и др.) в смеси с порошкообразным металлом, одним или несколькими, например с порошками магния, алюминия, титана или их сплавов, а также, возможно, и связующее, например коллоксилин.The composition of TZS includes an oxidizing agent, for example, salts or metal oxides (KClO 3 , KClO 4 , CuO, etc.) mixed with a powdered metal, one or more, for example, powders of magnesium, aluminum, titanium or their alloys, as well as, possibly, and a binder, for example colloxylin.

ТЗС наносят на внутреннюю поверхность ГО или в соты оболочки, исходя из условия равномерности прогрева конструкции оболочки ГО при сгорании ТЗС и сохранения положения центра масс ГО.TZS is applied on the inner surface of the GO or in the honeycomb of the shell, based on the condition of uniformity of heating of the shell structure of the GO during combustion of the TSS and maintaining the position of the center of mass of the GO.

Сущность технического решения поясняется чертежами, гдеThe essence of the technical solution is illustrated by drawings, where

- на фиг. 1 приведена схема конструкции оболочки ГО на основе многослойного материала, содержащего металлические полые сотовые элементы 1 и внешние и внутренний несущие слои из композитного материала 2 и 3 соответственно;- in FIG. 1 shows a design diagram of a GO shell based on a multilayer material containing metal hollow honeycomb elements 1 and external and internal bearing layers of composite material 2 and 3, respectively;

- на фиг. 2 приведено возможное расположение ТЗС в сотах, например, из условия полного заполнения объема соты 4, часть сот остаются пустыми 5;- in FIG. 2 shows the possible location of the TSS in the cells, for example, from the condition of full filling of the volume of the cell 4, part of the cells remain empty 5;

- на фиг. 3 - вариант конструкция ГО, в которой ТЗС нанесена на внутренний несущий слой ГО, например, с помощью клеящих составов.- in FIG. 3 is an embodiment of the construction of GO, in which the TZS is applied to the inner supporting layer of GO, for example, using adhesive compositions.

Возможные варианты нанесения ТЗС в конструкции ГО обусловлены технологиями изготовления ГО и свойствами ТЗС, например, если в процессе изготовления материала оболочки ГО при спекании пакета используются высокие температуры, которые значительно превышают температуру воспламенения ТЗС, то предварительное размещение ТЗС в пустых ячейках (фиг. 2 поз. 4) недопустимо.Possible options for applying TZS in the construction of GOs are determined by the technologies for manufacturing GOs and the properties of TZSs, for example, if high temperatures that significantly exceed the ignition temperature of TZSs are used during the sintering of the package during sintering, then preliminary placement of TZSs in empty cells (Fig. 2 pos. . 4) is unacceptable.

Для получения предварительных проектных оценок массы ТЗС используется уравнение теплового баланса для установившегося режима, при котором внешние тепловые притоки и оттоки отсутствуют (адиабатический режим), при допущении идеальной теплопроводности конструкции оболочки ГО. В дальнейшем уточнение тепловых притоков осуществляется на основе учета полной системы теплопритоков, внутренней структуры конструкции оболочки ГО и т.д., например, с использованием программного комплекса НАСА для расчета параметров процесса сгорания тел при входе в атмосферу / кн. 1 General Input Requirements for Object Reentry Survival Analysis Tool (ORSAT) http://orbitaldebris.jsc.nasa.gov/reentrv/orsat.html.To obtain preliminary design estimates of the mass of the heat-condensing component, the heat balance equation is used for the steady state, in which there are no external heat inflows and outflows (adiabatic mode), assuming ideal thermal conductivity of the GO shell structure. Further refinement of heat inflows is carried out on the basis of taking into account the complete system of heat inflows, the internal structure of the GO shell structure, etc., for example, using the NASA software package to calculate the parameters of the body combustion process when entering the atmosphere / pr. 1 General Input Requirements for Object Reentry Survival Analysis Tool (ORSAT) http://orbitaldebris.jsc.nasa.gov/reentrv/orsat.html.

Для рассматриваемого случая уравнение теплового баланса принимается в видеFor the case under consideration, the heat balance equation is taken in the form

Figure 00000002
Figure 00000002

где c1,c2 - теплоемкости материала ГО и ТЗС соответственно,where c 1 , c 2 - heat capacity of the material GO and TZS, respectively,

ΔT - величина, на которую должна подняться температура ГО,ΔT is the value by which the temperature of GO must rise,

Q - теплота, выделяющаяся при сгорании ТЗС, кДж/кг.Q is the heat released during the combustion of the heat exchanger, kJ / kg.

ОтсюдаFrom here

Figure 00000003
Figure 00000003

В (2), (3) подразумевается, что:In (2), (3) it is understood that:

- все тепло, полученное при сгорании ТЗС, будет равномерно распределено между материалом ГО и продуктами сгорания ТЗС;- all the heat received during the combustion of the TZS will be evenly distributed between the GO material and the combustion products of the TZS;

- нет потерь тепла в окружающую среду;- no heat loss to the environment;

- масса конденсированных продуктов сгорания ТЗС практически равна исходной массе ТЗС.- the mass of condensed combustion products of the TZS is almost equal to the initial mass of the TZS.

Приведем (3) к виду

Figure 00000004
We bring (3) to the form
Figure 00000004

Оценим величину сомножителя в квадратных скобках:We estimate the value of the factor in square brackets:

при Q≈5000 кДж/кг, ΔT≈300°, а c2≈1 кДж/(кг·K), что соответствует широкой номенклатуре возможных составов ТЗС, знаменатель в правой части равен 0.94, а если Q ≈ порядка 10000 кДж/кг, то даже 0.97. Теплоемкость Al c1 - чуть выше 1 кДж/(кг·K°), а композитов ~1.3.at Q≈5000 kJ / kg, ΔT≈300 °, and c 2 ≈1 kJ / (kg · K), which corresponds to a wide range of possible TSC compositions, the denominator in the right-hand side is 0.94, and if Q ≈ about 10000 kJ / kg , then even 0.97. The heat capacity of Al c 1 is slightly higher than 1 kJ / (kg · K °), and that of composites is ~ 1.3.

Таким образом, если ставится задача определения массовой доли ТЗС (от массы ГО), необходимой для повышения температуры ГО на заданную величину AT при известной калорийности ТЗС (Q), то левая часть формулы (1) дает нижнюю оценку потребной величины массы ТЗС

Figure 00000005
Thus, if the task is to determine the mass fraction of TS (from the mass of GO), necessary to increase the temperature of GO by a given value AT at a known calorific value of TSS (Q), then the left side of formula (1) gives a lower estimate of the required mass of TSS
Figure 00000005

Разумеется, в реальной ситуации для повышения температуры на заданную величину ΔT потребуется больше ТЗС из-за:Of course, in a real situation, to increase the temperature by a predetermined value ΔT, more TSS will be required due to:

- наличия тепловых потерь,- the presence of heat loss,

- конечной величины коэффициента теплопроводности,- the final value of the coefficient of thermal conductivity,

- наличия небольшого количества газообразных продуктов сгорания ТЗС, которые покинут поверхность при несколько повышенной температуре.- the presence of a small amount of gaseous products of combustion of TZS that leave the surface at a slightly elevated temperature.

Кроме того, всегда есть разброс в величине удельной теплоемкости как продуктов сгорания ТЗС, так и материла ГО, при этом величины теплоемкости немного меняются и с изменением температуры и при смене материала ГО и ТЗС (например, теплоемкость углепластиков примерно в 1.5 раза выше, чем у алюминия, теплоемкость алюминия при 600 К на 11% ниже, чем при 800 К). Поэтому следует использовать ТЗС в массовом количестве выше, чем полученное теоретическим расчетом, вплоть до двух раз для обеспечения максимальной надежности процесса сжигания ГО. С учетом приведенного выше анализа требуемую величину массовой доли ТЗС к ГО можно приближенно определить как областьIn addition, there is always a variation in the specific heat of both the combustion products of the TZS and the GO material, while the values of the heat capacity vary slightly with temperature and with the change of GO and TZS material (for example, the heat capacity of carbon plastics is about 1.5 times higher than that of aluminum, the heat capacity of aluminum at 600 K is 11% lower than at 800 K). Therefore, TZS should be used in a mass quantity higher than that obtained by theoretical calculation, up to two times to ensure maximum reliability of the GO combustion process. Based on the above analysis, the required mass fraction of TZS to GO can be approximately determined as the region

Figure 00000006
Figure 00000006

что соответствует практике проектных расчетов в ракетно-космической технике при использовании коэффициентов запаса.which corresponds to the practice of design calculations in space rocket technology using safety factors.

Температура T0 поверхности конструкции оболочки ГО на момент вхождения в плотные слои атмосферы определяется на основе известных методик, например, из уравнения теплопроводностиThe temperature T 0 of the surface of the GO shell structure at the moment it enters the dense layers of the atmosphere is determined on the basis of known methods, for example, from the heat equation

Figure 00000007
Figure 00000007

можно записать

Figure 00000008
can write
Figure 00000008

где q - тепловой поток, определяемый в соответствии с формулой, приведенной на стр.115 кн. 2 (Инженерный справочник по космической технике. Изд. 2-е, перераб. и доп. под ред. А.В. Солодова. М., Воениздат, 1977. 430 с.);where q is the heat flux determined in accordance with the formula given on p. 115 kn. 2 (Engineering reference book for space technology. Ed. 2nd, revised and revised by A.V. Solodov. M., Military Publishing House, 1977. 430 p.);

Q - полное количество теплоты, полученное ГО на интервале времени, начиная с момента времени t1, соответствующего отделению ГО от РН до t2, когда задействуется ТЗС (см. там же, кн. 2);Q - the total amount of heat received by the HE in the time interval, starting from time t 1 , corresponding to the separation of the GO from the LV to t 2 when the TSS is activated (see ibid., Book 2);

Tотд - температура ГО на момент его отделения от РH, определяется аэродинамическим нагревом ГО при похождении плотных слоев атмосферы на участке выведения, зависит от параметров траектории выведения и, как правило, не превышает 350-400 K.T dec is the temperature of the GO at the time of its separation from PH; it is determined by the aerodynamic heating of GO when the dense layers of the atmosphere travel in the excretion section, depends on the parameters of the excretion trajectory and, as a rule, does not exceed 350-400 K.

По предварительным оценкам величина приращения температуры ГО за время полета на интервале времени (t1,t2)According to preliminary estimates, the magnitude of the temperature increment GO during the flight over a time interval (t 1 , t 2 )

Figure 00000009
Figure 00000009

в зависимости от траектории выведения первой ступени, времени полета ГО на внеатмосферном участке полета, скорости и угла входа и может составить до 50°, соответственно, температура T0 может составить ~400-450 K.depending on the trajectory of the removal of the first stage, the flight time of the GO in the extra-atmospheric portion of the flight, the speed and angle of entry, and can be up to 50 °, respectively, the temperature T 0 can be ~ 400-450 K.

Для начала процесса горения конструкции оболочки ГО (например, для существующих конструкций) можно принять температуру Tj, например, порядка 650-700 K, следовательно, за счет сгорания ПС температура конструкции оболочки ГО должна быть увеличена на 150-250°.To start the combustion process of the GO shell structure (for example, for existing structures), it is possible to take a temperature Tj, for example, of the order of 650-700 K, therefore, due to the combustion of the PS, the temperature of the GO shell structure should be increased by 150-250 °.

Для некоторых траекторий полета ГО из-за малого значения скорости набегающего потока воздуха при полете ГО на атмосферном участке спуска температура поверхности конструкции ГО может быть ниже температуры, которая возникает при движении РКН на участке выведения, когда ГО находится в составе РКН. В этом случае задействование ТЗС может осуществляться с помощью специального детонатора по команде, отсчитываемой от момента времени отделения ГО от РКН, когда температура поверхности ГО достигнет значения T0.For some GO flight paths, due to the small velocity of the incoming air flow during the GO flight in the atmospheric descent section, the surface temperature of the GO structure can be lower than the temperature that occurs when the rocket launcher moves in the launch site when the GO is part of the rocket launcher. In this case, the activation of the TSS can be carried out using a special detonator according to a command counted from the time of separation of the GO from the ILV when the surface temperature of the GO reaches T 0 .

В табл. 1 приведены результаты расчетов с использованием программного комплекса ТЕРРА, для различных составов ТЗС; показана зависимость прироста температуры ΔТ от процентного содержания ТЗС от массы ГО. В качестве примера взята конструкция оболочки ГО, изготовленная из сплава AMg-б. В том случае, если будут использованы конструкции оболочки ГО из композитов (углепластики), то его коэффициент теплоемкости примерно в 1.3 раза выше, чем у AMg-6, следовательно, и величины массы ТЗС будут, соответственно, больше.In the table. 1 shows the results of calculations using the TERRA software package for various compositions of TZS; The dependence of the temperature increase ΔТ on the percentage of TZS on the mass of GO is shown. As an example, the GO shell design made of AMg-b alloy is taken. In the event that the GO shell structures made of composites (carbon fiber reinforced plastic) are used, then its heat capacity coefficient is approximately 1.3 times higher than that of AMg-6, therefore, the masses of the TSS will be correspondingly larger.

Figure 00000010
Figure 00000010

Figure 00000011
Figure 00000011

В состав ТЗС могут входить и смеси порошкообразных металлов, например магния, алюминия, титана или их сплавов (например, смесь порошков алюминия и титана, см. табл. 1), вступающие при повышенной температуре в самопроизвольную экзотермическую реакцию с образованием интерметаллидов. Но теплота, выделяемая такими составами, существенно ниже, чем это имеет место в ТЗС, где тепловыделение есть результат окисления металлического порошка кислородсодержащим окислителем (например, хлоратами, перхлоратами, даже оксидами менее активных металлов, например оксидом меди). Так, например, для ТЗС, состоящей из смеси порошков алюминия и титана (63:37), величина Q составляет лишь 1.14 МДж/кг, тогда как у ТЗС на базе хлоратов и перхлоратов с порошками магния, алюминия, титана Q - величина от 7 до 11 МДж/кг. Потому при использовании ТЗС на базе смеси порошков алюминия и титана (63:37) для достижения величины ΔТ всего лишь 180° нужна масса ТЗС около 19% от массы ГО.MES can also include mixtures of powdered metals, for example magnesium, aluminum, titanium or their alloys (for example, a mixture of aluminum and titanium powders, see Table 1), which enter into a spontaneous exothermic reaction at elevated temperatures to form intermetallic compounds. But the heat released by such compounds is significantly lower than what occurs in TZS, where heat release is the result of oxidation of a metal powder with an oxygen-containing oxidizing agent (for example, chlorates, perchlorates, even oxides of less active metals, for example, copper oxide). So, for example, for a TSS consisting of a mixture of aluminum and titanium powders (63:37), the Q value is only 1.14 MJ / kg, while for a TSS based on chlorates and perchlorates with powders of magnesium, aluminum, titanium, Q is a value from 7 up to 11 MJ / kg. Therefore, when using TSS based on a mixture of aluminum and titanium powders (63:37), to achieve a ΔТ value of only 180 °, a TSS mass of about 19% of the mass of GO is needed.

Введение небольшого количества связующего в композицию ТЗС может быть полезным для создания жесткой структуры покрытия или специального слоя ТЗС, чтобы он надежно держался на поверхности ГО. Небольшое количество связующего, способное обеспечить необходимые механические характеристики ТЗС, несущественно влияет на необходимую массу ТЗС. В том случае, если ТЗС будет вводится внутри сотовой конструкции оболочки ГО, то он может не использоваться.The introduction of a small amount of a binder into the composition of TZS can be useful to create a rigid coating structure or a special layer of TZS, so that it is firmly held on the surface of GO. A small amount of binder, able to provide the necessary mechanical characteristics of TZS, does not significantly affect the required mass of TZS. In the event that the TSS will be introduced inside the cellular structure of the GO shell, then it may not be used.

Как следует из результатов, приведенных в табл.1, при использовании разных составов ТЗС требуется различное значение массы ТЗС для обеспечения заданного прироста температуры, в частности при использовании ТЗС на базе хлората или перхлората калия и порошков металлов для повышения температуры системы «конструкция оболочки ГО+ТЗС» на 300° требуется масса ТЗС менее 4% от массы конструкции оболочки ГО.As follows from the results given in Table 1, when using different compositions of TZS, a different value of the mass of TZS is required to ensure a given temperature increase, in particular when using TZS based on chlorate or potassium perchlorate and metal powders to increase the temperature of the system TZS "at 300 ° requires a mass of TZS less than 4% of the mass of the shell structure GO.

После отделения от РН створки ГО в полете вращаются, поэтому можно допустить, что температура поверхности конструкции оболочки ГО усредненная.After separation from the LV, the HE flaps rotate in flight, so it can be assumed that the surface temperature of the GO shell structure is averaged.

В соответствии с приведенными расчетами в табл. 1 для повышения температуры на ~300° для приведенного примера ГО для РН «Ариан» требуется разместить ТЗС, например, KClO3+Al (122.5: 54, Q=9,7 МДж/кг) 3.2% от массы ГО ~2.4 т, что соответствует ~ 7.3 кг на 2 створки ГО, что лежит внутри интервала (5).In accordance with the above calculations in table. 1 to increase the temperature by ~ 300 ° for the given example of GO for the Arian rocket it is necessary to place a TSS, for example, KClO 3 + Al (122.5: 54, Q = 9.7 MJ / kg) 3.2% of the weight of GO ~ 2.4 t, which corresponds to ~ 7.3 kg per 2 leaflets of GO, which lies within the interval (5).

Площадь внутренней поверхности одной створки ГО ~3.14·2.7·17~144 м2, т.е. на 1 м2 внутренней поверхности конструкции одной створки оболочки ГО надо разместить 38.7 кг/144 м2 ~ 0.27 кг/м2 ТЗС.The area of the inner surface of one leaf of GO ~ 3.14 · 2.7 · 17 ~ 144 m 2 , i.e. 38.7 kg / 144 m 2 ~ 0.27 kg / m 2 of TZS should be placed on 1 m 2 of the inner surface of the structure of one leaf of the GO shell;

Следует отметить такой факт, что оболочки конструкций створок ГО изготавливаются на специализированных заводах по сложной технологии изготовления композиционных материалов (например, научно-производственное предприятие «Технология» г. Обниск Калужской области), далее они поступают на завод-изготовитель РН (например, ФГУП ГК НПЦ им. Хруничева М.В., г. Москва, Омск - филиал), где на них устанавливается ряд систем: замки для фиксации створок в полете, системы отделения, проверка совместимости с полезной нагрузкой, а также осуществляется анализ обеспечения динамики безударного отделения от РН в полете, обеспечение условий эксплуатации ГО как на заводе-изготовителе РН, так и эксплуатации на техническом и стартовом комплексах РН, в полете РН, а также условий его утилизации в районах падения.It should be noted that shell casings of GO flaps are manufactured at specialized factories using sophisticated technology for manufacturing composite materials (for example, the Technological Research and Production Enterprise in Obnisk, Kaluga Region), and then they are delivered to the launch vehicle manufacturer (for example, FSUE GK SPC named after MV Khrunichev, Moscow, Omsk - branch), where a number of systems are installed on them: locks for fixing the shutters in flight, separation systems, compatibility check with the payload, and analysis is also carried out h ensure the dynamics of shock-free separation from the LV in flight, ensure operating conditions of HE both at the launch vehicle manufacturer, and operation at the technical and launch complexes of the LV, in flight of the LV, as well as conditions for its disposal in the fall areas.

С точки зрения реализации размещения ТЗС непосредственно в конструкции ГО, с учетом его производственного цикла, это может быть в следующих вариантах:From the point of view of the implementation of the placement of TZS directly in the design of GO, taking into account its production cycle, this can be in the following options:

- размещение ТЗС внутри пустых сот (фиг. 2 поз. 5) даже без использования связующего компонента, например коллоксилина, но этот вариант размещения ТЗС предусматривается в процессе изготовления трехслойной оболочки на специализированных предприятиях, а в ряде случаев технология получения композиционного материала предусматривает спекание слоев композиционного материала и металлических сот при повышенной температуре, давлении, что может привести к инициализации ТЗС или изменению ее физико-химических характеристик;- placement of TZS inside empty cells (Fig. 2, item 5) even without the use of a binder component, for example colloxylin, but this option for placing TZS is provided for in the process of manufacturing a three-layer shell at specialized enterprises, and in some cases the technology for producing composite material involves sintering layers of composite material and metal honeycombs at elevated temperature, pressure, which can lead to the initialization of TZS or a change in its physico-chemical characteristics;

- размещение ТЗС в виде пластин, например, 78 шт. по 1 кг, которые фиксируются по внутренней поверхности ГО (фиг. 3 поз. 6) так, чтобы не сместить центр масс ГО, или 156 шт. по 0.5 кг и т.д. уже на готовом ГО в сборочном цехе на заводе-изготовителе РН с учетом конкретной компоновки полезной нагрузки;- placement of TZS in the form of plates, for example, 78 pcs. 1 kg each, which are fixed on the inner surface of the GO (Fig. 3, pos. 6) so as not to shift the center of mass of the GO, or 156 pcs. 0.5 kg each, etc. already at the finished GO in the assembly shop at the launch vehicle manufacturer taking into account the specific layout of the payload;

- равномерная фиксация ТЗС по внутренней поверхности конструкции оболочки ГО ~ 270 г/м2 для приведенного примера по аналогии нанесения краски, что может быть сделано как на предприятии-изготовителе ГО или заводе-изготовителе РН.- uniform fixation of TZS on the inner surface of the shell structure of GO ~ 270 g / m 2 for the given example by analogy with applying paint, which can be done either at the manufacturer of the GO or the manufacturer of the launch vehicle.

Рекомендации для размещения ТЗС на внутренней поверхности ГО.Recommendations for placing TZS on the inner surface of GO.

1. Нанесение ТЗС на внутреннюю поверхность ГО должно обеспечиваться с учетом минимального изменения моментно-центровочных характеристик системы «конструкция оболочки створки ГО+ТЗС».1. The application of TZS on the inner surface of the GO must be ensured taking into account the minimum change in the moment-centering characteristics of the system “sheath shell design of the GO + TZS”.

Эта рекомендация обусловлена тем, что процессы динамики отделения створки ГО от РН очень сложны, т.к. это осуществляется при работе маршевого двигателя, должно быть обеспечено условие безударности процесса пролета относительно корпуса РН после отделения створок ГО. Доработка системы отделения ГО при установке ТЗС должна быть минимальной.This recommendation is due to the fact that the processes of dynamics of separation of the GO leaf from the LV are very complex, because this is carried out during the operation of the main engine, the condition of the shocklessness of the flight process relative to the LV body after separation of the GO flaps should be provided. Refinement of the GO separation system during the installation of TZS should be minimal.

2. Должна быть обеспечена подача тепла от ТЗС ко всей поверхности конструкции оболочки ГО для ее оперативного нагрева, воспламенения и сгорания за минимальное время полета с целью минимизации тепловых потерь за счет уноса тепла набегающим потоком воздуха, ограниченным интервалом времени поступления максимального количества тепла от аэродинамического потока.2. A heat supply must be provided from the TSS to the entire surface of the GO shell structure for its operational heating, ignition, and combustion for a minimum flight time in order to minimize heat loss due to heat entrainment by the incoming air flow, limited by the time interval for the receipt of the maximum heat from the aerodynamic flow .

3. Не должно происходить отслаивания ТЗС от поверхности ГО на всех этапах эксплуатации ГО, вплоть до его сгорания.3. There should be no delamination of the TZS from the surface of the GO at all stages of operation of the GO, up to its combustion.

Использование предлагаемого технического решения позволит:Using the proposed technical solution will allow:

- существенно сократить затраты на эксплуатацию районов падения РН за счет отсутствия необходимости как выделения дополнительных площадей для падения ГО, так и поиск и утилизацию ГО;- significantly reduce the cost of operating the areas of fall of the LV due to the lack of the need for the allocation of additional areas for the fall of civil defense, and the search and disposal of civil defense;

- увеличить массу выводимого полезного груза за счет снятия ограничения по координатам точки падения ГО при выборе программы тангажа, например, для РН «Союз-2.1.в» увеличение массы полезного груза за счет снятия ограничений по району падения ГО составляет 4-5% (~120 кг) с учетом увеличения массы ГО на 70 кг (3% от массы полезного груза).- increase the mass of the output payload by removing the restriction on the coordinates of the GO drop point when choosing a pitch program, for example, for Soyuz-2.1.v LV, increase in the payload mass by removing restrictions on the GO drop region is 4-5% (~ 120 kg), taking into account the increase in GO mass by 70 kg (3% of the payload mass).

При традиционной схеме выведения РН с космодрома Восточный для обеспечения падения ГО в разрешенный район предусматривается сброс ГО через ~150 с после достижения скоростного аэродинамического напора равного нулю, что приводит к дополнительным потерям в массе полезного груза до 120 кг.In the traditional scheme for launching the launch vehicle from Vostochny Cosmodrome to ensure the GO fall into the permitted area, it is planned to discharge the HE in ~ 150 s after reaching a high-speed aerodynamic pressure equal to zero, which leads to additional losses in the payload mass of up to 120 kg.

Claims (10)

1. Головной обтекатель (ГО) для ракеты космического назначения, представляющий собой трехслойную конструкцию из полимерных композиционных материалов в виде двухстворчатой оболочки переменной кривизны, содержащей внешний несущий слой из углепластика, внутренний несущий слой с заполнителем между ними, отличающийся тем, что заполнитель содержит термитно-зажигающую смесь (ТЗС), воспламеняющуюся при достижении оболочкой ГО заданной температуры воспламенения.1. The head fairing (GO) for a space rocket, which is a three-layer structure made of polymer composite materials in the form of a double-wing shell of variable curvature, containing an external carrier layer of carbon fiber, an internal carrier layer with a filler between them, characterized in that the filler contains termite igniting mixture (TSS), which ignites when the GO shell reaches a predetermined ignition temperature. 2. ГО по п. 1, отличающийся тем, что масса ТЗС удовлетворяет соотношению
Figure 00000012

где mго, mтзс - масса конструкции оболочки ГО, ТЗС соответственно, кг;
Q - теплота, выделяющаяся при сгорании ТЗС, кДж/кг;
ΔТ=Т10, град.;
Т0 - средняя температура конструкции оболочки ГО на момент вхождения в плотные слои атмосферы, где следует начинать процесс сжигания ГО, K;
T1 - температура, необходимая для обеспечения начала самопроизвольного процесса горения конструкции оболочки ГО, K.
2. GO according to claim 1, characterized in that the mass of the TSS satisfies the ratio
Figure 00000012

where m go , m TZS is the mass of the shell structure of GO, TZS, respectively, kg;
Q is the heat released during the combustion of the heating element, kJ / kg;
ΔT = T 1 -T 0 , deg .;
T 0 - the average temperature of the GO shell structure at the time of entry into the dense layers of the atmosphere, where the GO combustion process should begin, K;
T 1 is the temperature necessary to ensure the beginning of the spontaneous combustion process of the structure of the shell GO, K.
3. ГО по п. 1, отличающийся тем, что ТЗС размещена в сотах металлического сотового заполнителя, расположенного между внешним и внутренним несущими слоями оболочки ГО.3. GO according to claim 1, characterized in that the TZS is located in the honeycomb of a metal honeycomb core located between the outer and inner bearing layers of the GO shell. 4. ГО по п. 1, отличающийся тем, что заполнитель выполнен в виде сформированных одинаковых по массе и размеру пластин ТЗС, зафиксированных на внутреннем несущем слое оболочки ГО.4. GO according to claim 1, characterized in that the aggregate is made in the form of formed TZS plates of the same mass and size, fixed on the inner supporting layer of the GO shell. 5. ГО по п. 1, отличающийся тем, что заполнитель выполнен в виде слоя ТЗС, нанесенного на внутренний несущий слой оболочки ГО.5. GO according to claim 1, characterized in that the filler is made in the form of a layer of TZS deposited on the inner supporting layer of the GO shell. 6. ГО по п. 1, отличающийся тем, что в состав ТЗС входят окислитель и порошкообразный металл.6. GO under item 1, characterized in that the composition of the TLC includes an oxidizing agent and a powdered metal. 7. ГО по п. 6, отличающийся тем, что в качестве окислителя используют смеси хлората калия или перхлората калия, а в качестве порошкообразного металла - порошки магния, или алюминия, или титана, или их сплавов.7. GO according to claim 6, characterized in that mixtures of potassium chlorate or potassium perchlorate are used as an oxidizing agent, and powders of magnesium, or aluminum, or titanium, or their alloys are used as a powdered metal. 8. ГО по п. 6, отличающийся тем, что в состав ТЗС входят смеси порошкообразных металлов магния, алюминия, титана или их сплавов, вступающих при повышенной температуре в самопроизвольную экзотермическую реакцию с образованием интерметаллидов.8. GO according to claim 6, characterized in that the composition of the TZS includes mixtures of powdered metals of magnesium, aluminum, titanium or their alloys, which, at elevated temperatures, enter into a spontaneous exothermic reaction with the formation of intermetallic compounds. 9. ГО по п. 6, отличающийся тем, что в состав ТЗС дополнительно входит связующее.9. GO under item 6, characterized in that the composition of the TZS additionally includes a binder. 10. ГО по п. 9, отличающийся тем, что в качестве связующего ТЗС содержит коллоксилин. 10. GO under item 9, characterized in that as a binder, the TLC contains colloxylin.
RU2015105466/11A 2015-02-17 2015-02-17 Missile nose cone RU2581636C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2015105466/11A RU2581636C1 (en) 2015-02-17 2015-02-17 Missile nose cone

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2015105466/11A RU2581636C1 (en) 2015-02-17 2015-02-17 Missile nose cone

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2581636C1 true RU2581636C1 (en) 2016-04-20

Family

ID=56194909

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2015105466/11A RU2581636C1 (en) 2015-02-17 2015-02-17 Missile nose cone

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2581636C1 (en)

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2652027C1 (en) * 2017-03-10 2018-04-24 Николай Евгеньевич Староверов Air-fired missile
RU183218U1 (en) * 2018-03-13 2018-09-13 Александр Витальевич Лопатин The power structure of the spacecraft
CN109494449A (en) * 2018-07-13 2019-03-19 中国航空工业集团公司济南特种结构研究所 A kind of conformal antenna cover
RU2705258C1 (en) * 2018-12-10 2019-11-06 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Омский государственный технический университет" Nose fairing of carrier rocket
RU2718558C1 (en) * 2019-03-14 2020-04-08 Владимир Дмитриевич Куликов Cumulative rocket-assisted projectile

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3521564A (en) * 1965-10-22 1970-07-21 Mb Assoc Miniature rocket
RU2150411C1 (en) * 1998-04-24 2000-06-10 Криворотов Александр Семенович Multistage rocket for change of trajectory of motion of asteroid
US8894783B2 (en) * 2003-03-07 2014-11-25 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy Metal augmented charge

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3521564A (en) * 1965-10-22 1970-07-21 Mb Assoc Miniature rocket
RU2150411C1 (en) * 1998-04-24 2000-06-10 Криворотов Александр Семенович Multistage rocket for change of trajectory of motion of asteroid
US8894783B2 (en) * 2003-03-07 2014-11-25 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy Metal augmented charge

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
ОСТ 92-5156-90. Конструкции трехслойные с обшивками из углепластика и алюминиевым сотовым заполнителем клееные, введен в действие 01.07.1991. *

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2652027C1 (en) * 2017-03-10 2018-04-24 Николай Евгеньевич Староверов Air-fired missile
RU183218U1 (en) * 2018-03-13 2018-09-13 Александр Витальевич Лопатин The power structure of the spacecraft
CN109494449A (en) * 2018-07-13 2019-03-19 中国航空工业集团公司济南特种结构研究所 A kind of conformal antenna cover
RU2705258C1 (en) * 2018-12-10 2019-11-06 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Омский государственный технический университет" Nose fairing of carrier rocket
RU2718558C1 (en) * 2019-03-14 2020-04-08 Владимир Дмитриевич Куликов Cumulative rocket-assisted projectile

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2581636C1 (en) Missile nose cone
Muravyev et al. Progress in additive manufacturing of energetic materials: Creating the reactive microstructures with high potential of applications
Staley et al. Fast-impulse nanothermite solid-propellant miniaturized thrusters
Glavier et al. Nanothermite/RDX‐based miniature device for impact ignition of high explosives
Staley et al. Effect of nitrocellulose gasifying binder on thrust performance and high‐g launch tolerance of miniaturized nanothermite thrusters
Gnemmi et al. Conception and manufacturing of a projectile-drone hybrid system
Caveny et al. Solid rocket enabling technologies and milestones in the United States
Singh et al. Solid rocket propellants: science and technology challenges
US20160356245A1 (en) Rocket motor produced by additive manufacturing
Connell Jr et al. Enhancement of solid fuel combustion in a hybrid rocket motor using amorphous Ti–Al–B nanopowder additives
Johnson Thermal protection materials and systems: An overview
Kovac et al. Multi-stage micro rockets for robotic insects.
Trushlyakov et al. Development of proposals for the synthesis of polymer composite materials capable of combustion after the mission
Plumlee et al. Development and simulation of an embedded hydrogen peroxide catalyst chamber in low‐temperature co‐fired ceramics
Markandan et al. Recent developments in ceramic microthrusters and the potential applications with green propellants: a review
RU2705258C1 (en) Nose fairing of carrier rocket
Johnson Thermal protection materials and systems: Past, present, and future
Leverone Performance modelling and simulation of a 100km hybrid sounding rocket.
Trushlyakov et al. Polymer materials for combustion of discarded parts of aerospace vehicles
Arkhipov et al. Analyzing the Possibility of Burning the Launcher Nose Cone Elements
Sokolowski et al. Development of a Three-Stage Suborbital Rocket System to Lift Research Payloads
Czysz et al. Commercial Near-Earth Launcher: Propulsion Choices
RU2700150C1 (en) Method for minimization of exclusion zones for carrier rocket separating parts and device for its implementation
Scigliano et al. Design Analysis of the Hexafly-int Thermal Protection System
Parameswaran et al. A Simulation Tool for the Performance Prediction of Rocket Propellants: Combined Effect of Density and Specific Impulse