Применение взрывчатых веществ в космической промышленности

1. Применение взрывчатых веществ в космической промышленности

Применение взрывчатых веществ в космической
Имя докладчика
промышленности
Фролова Дарина, ГИ-22-04

2. Содержание

1.
Историческая справка
2.
Виды ракетного топлива
3.
Содержание
4.
5.
Стартовые системы и аварийные
сбросы
Системы отделения ступеней
ракеты
Применение и устройство
пироболтов и пиропатронов
2

3. Раздел 1 Историческая справка

Подзаголовок

4. XX век. К.Э. Циолковский

Первый
тип
ракеты
дальнего
действия был описан Циолковским в
его работе «Исследование мировых
пространств
реактивными
приборами», опубликованной в 1903
году.
Внешние очертания ракеты 1914 года
близки к ракете 1903 года, но устройство
«взрывной трубы» (т.е. сопла) реактивного
двигателя усложнено. В качестве горючего
Циолковский рекомендует использовать
углеводороды (например, керосин, бензин).

5. А-4

Двигатель А-4, который использовался на Фау2, стал частью смертоносного оружия, а также
стал первой системой способной пересечь
линию Кармана и достичь космоса.

6.

Королев и его команда советских и бывших
немецких инженеров приступили к
реинжинирингу ракеты Фау-2 и двигателя А4 и
их восстановлению. Так построили двигатель РД100, который был почти клоном А4, по крайней
мере внешне.
А-4
РД-100

7.

В то же время Королев и Глушко
хотели сделать модифицированную
версию РД-100, в которой не было бы
прямого участия немцев и
использовались бы только советские
детали. Это был двигатель РД-101.
РД-1
РД-101
РД-100

8.

К концу 1949 года появятся
модификации РД-102 и РД-103,
которые были последними двигателями
на базе А4. Эти двигатели имели
значительно укороченные опорные
рамы двигателя и регенеративное
охлаждение, при котором часть
топлива или воды пропускалась через
трубы вокруг камеры сгорания для
охлаждения двигателя.
РД-102
РД-103

9.

КС-50 был первым двигателем, способным работать
на керосине, что потенциально обеспечивало гораздо
более высокие характеристики с отрицательным
побочным эффектом гораздо более высоких
температур. Также это был последний двигатель,
разработанный при непосредственном участии
немецких инженеров
КС-50

10.

РД-107
РД-108

11.

На двигателях РД-107 и РД-108
было впервые осуществлено
регулирование по тяге и
соотношению компонентов
топлива при их работе их на
основном режиме, что позволило
существенно повысить
эффективность ракеты как за счет
обеспечения более полной и
синхронной выработки
компонентов топлива из баков,
так и за счет обеспечения полета
ракеты с заранее рассчитанной
оптимальной скоростью по всей
траектории полета.

12.

Глушко пытался создать РД-110, новый двигатель,
способный развивать тягу почти 1200 кН на уровне моря. РД110 должен был летать на новой ракете Р-3, у которой для
устойчивости отсутствовали внешние аэродинамические
стабилизаторы.
Двигатель РД-110 был очень надежным, способным
работать непрерывно и с очень стабильным запуском. Но,
несмотря на это, он так и не был испытан, вероятно, из-за
проблем с охлаждением.
РД-110

13.

В результате Глушко разработал
РД-0109, который имел меньшую
массу и повышенную надежность
благодаря новой облегченной
камере сгорания. Благодаря этим
усовершенствованиям он смог
вывести Юрия Гагарина на орбиту
12 апреля 1961 года! Одним
интересным аспектом двигателя на
этой ступени является то, что он
начинает свою последовательность
зажигания до разделения ступеней.
Этот процесс называется
«стадирование горячего пожара» .

14.

Для ракеты “Энергия” перед Глушко стояла
задача разработать самый мощный из когда-либо
созданных жидкостных ракетных двигателей.
Сначала он разработал двигатель РД-150 для
проекта в 1974 году. Этот двигатель никогда не
летал, но Глушко использовал его конструкцию в
качестве чертежей для РД-170, увеличив его с
одной камеры до четырех.
Несмотря на это, РД-170 оказался весьма
проблематичным. Например, однажды двигатель
взорвался так сильно, что части турбонасосного
агрегата разлетелись на несколько километров.
Компоненты топлива: окислитель - жидкий
кислород, горючее - керосин.

15.

16.

БУЛАВА

17.

ТОПОЛЬ М

18. Раздел 2 Виды ракетного топлива

18

19. Ракетное топливо

— вещества,
используемые в ракетных
двигателях различных конструкций
для получения тяги и ускорения
ракеты посредством энергии
химической реакции (горения).

20. Жидкое ракетное топливо

Состоит из двух компонентов: окислителя и горючего, которые находятся в ракете в жидком
состоянии в разных баках. Смешивание их происходит в камере сгорания жидкостного
ракетного двигателя, обычно с помощью форсунок.
Жидкие ракетные топлива делятся на высококипящие, то есть находящиеся в жидком
состоянии при температуре выше 298К (24,85 °C), и низкокипящие, которые для хранения и
использования нужно охлаждать ниже 298К. Низкокипящие топлива, хотя бы один из
компонентов которого должен находиться при температуре ниже 120К (−153,15 °C)
называются криогенными.
20

21. Монотоплива

Перекись водорода
Окислителем и восстановителем является одно и
то же вещество. При работе ракетного двигателя
1
МДж
H 2O2 H 2O O2 2,85
на монотопливе происходит химическая
2
кг топл.
реакция самоокисления-самовосстановления с Гидразин
4
1
МДж
N 2 H 4 NH 3 N 2 4,85
участием катализаторов, либо двигатель
3
3
кг топл.
работает только за счёт фазового
МДж
N
2
C
3
H
0,84
НДМГ
2
2
перехода вещества монотоплива, например
кг топл.
CH
N
NH
3 2
из жидкого состояния в газообразное.
2
4
1
МДж
N 2 CH 4 C 2,72
3
2
кг топл.
21

22. Твердое ракетное топливо

1.
Дымные пороха
В состав дымных порохов включены калийная селитра (70...80 %),
сажа (до 20 %), сера (до 10 %).
Основные характеристики:
22

23. Твердое ракетное топливо

Смесевые топлива
Они создаются вокруг небольшого количества эффективных твёрдых
окислителей, которые комбинируют с разнообразными горючими
веществами.
Наиболее известные окислители:
•перхлораты: аммония (NH4ClO4), лития (LiClO4), калия (KClO4);
•нитраты (селитры): калия (КNО3), аммония (NH4NO3) и другие;
•динитрамид аммония (NH4N(NO2)2).
В качестве горючего используются:
•металлы или их сплавы (алюминий, магний, литий, бериллий), гидриды
металлов;
•полимеры и смолы (полиэтилен, полиуретан, полибутадиен, каучук, битум);
•другие вещества, например полисульфиды, бор, углерод;
23

24. Стартовые системы и аварийные сбросы

24

25. Система аварийного спасения

Систе́ма авари́йного спасе́ния (САС) — бортовая
система для спасения экипажа космического корабля в
случае возникновения аварийной ситуации на ракетеносителе (РН), при которой вывод корабля на
запланированную орбиту становится невозможен, или
при создании угрозы для жизни.
Основные требования: высокая скорость срабатывания
и способность увести корабль или отсек с экипажем
на безопасное расстояние от носителя при любых
обстоятельствах вплоть до взрыва или неуправляемого
падения.

26. Состав САС

автоматика САС (блоки автоматики, программно-временное
устройство, блоки питания, гироприборы, бортовая кабельная
сеть);
двигательная установка системы аварийного спасения (ДУ
САС);
двигатели головного обтекателя (РДГ);
механизмы и агрегаты САС, размещаемые на головном
обтекателе (решётчатые стабилизаторы, ложементы, верхние
опоры, механизмы аварийного стыка, противопожарная
система, средства отделения блистера оптического визира).
26

27. Сценарии работы

В зависимости от момента аварии, спасение экипажа
предусмотрено по одной из трёх основных программ,
соответствующим трём основным участкам полёта:
на первом участке (начиная с момента за 10-15
минут до старта ракеты и до сброса головного
обтекателя с двигательной установкой САС);
на втором участке (на временном промежутке
между 161 и 522 секундами полёта);
на третьем участке (с 522 секунды, но до
достижения целевой орбиты космическим
аппаратом).
27

28. Сценарий первого участка полёта

выключаются
двигательные
установки ракетыносителя
космический корабль
разделяется по стыку
между спускаемым
аппаратом и приборноагрегатным отсеком
фиксируются силовые
связи, удерживающие
СА и бытовой отсек
внутри головного
обтекателя.
происходит отделение
спускаемого аппарата
от бытового отсека
включаются рулевые
двигатели увода
Одновременно с
раскрытием
стабилизаторов
запускается основной
твердотопливный
двигатель.
Разделяется поперечный
стык в средней части
головного обтекателя и
раскрываюся решетчатые
стабилизаторы.
включается система
управления спуском
ввод парашютной
системы
включается
сигнализация на пульте
космонавтов
28

29. Сценарий второго участка полета

в момент аварии
включается сигнализация
на пульте космонавтов
аварийно выключаются
двигательные установки
ракеты-носителя
бортовые системы
спускаемого аппарата
переводятся в аварийный
режим работы
отделялся бытовой отсек
При дальнейшем
снижении система
приземления работает по
штатной программе
система управления
спуском разворачивает
спускаемый аппарат
разделялся спускаемый
аппарат и приборноагрегатный отсек
29

30. Третий участок полета

При аварии после 522 секунды и до выхода на орбиту производится разделение отсеков
космического корабля по штатной схеме, но спуск проходит по баллистической траектории,
при этом перегрузки могут превышать 10g.
30

31. Случаи срабатывания

Произошло аварийное отключение
двигателей второй ступени на 165й секунде после отделения боковых блоков
первой ступени от центрального блока
второй ступени. За несколько секунд до
этого был штатно отстрелен основной
двигатель САС, поэтому эвакуацию
спускаемого аппарата обеспечивали
дополнительные твердотопливные
двигатели, расположенные в головном
обтекателе.
31

32. Посадочный модуль

32

33. Системы отделения ступеней ракеты

02.02.20ГГ
ЗАГОЛОВОК ПРЕЗЕНТАЦИИ 33

34. Принцип действия многоступенчатой ракеты

Варианты компоновки ракет. Слева
направо:
1. одноступенчатая ракета;
2. двухступенчатая ракета с поперечным
разделением;
3. двухступенчатая ракета с продольным
разделением.
4. Ракета с внешними топливными
ёмкостями, отделяемыми после
исчерпания топлива в них

35. Поперечное разделение

Ступени размещаются одна над другой и
работают последовательно друг за другом,
включаясь только после отделения
предыдущей ступени. Такая схема даёт
возможность создавать системы, в принципе,
с любым количеством ступеней. Недостаток
её заключается в том, что ресурсы
последующих ступеней не могут быть
использованы при работе предыдущей,
являясь для неё пассивным грузом.
Трёхступенчатая ракета с поперечным
разделением «Сатурн-5» без переходников
(демонстрационный экземпляр)
35

36. Продольное разделение

При продольном разделении первая ступень
состоит из нескольких одинаковых ракет (на
практике — от 2 до 8) или разных, работающих
одновременно и располагающихся вокруг корпуса
второй ступени симметрично. Такая схема
позволяет работать двигателю второй ступени
одновременно с двигателями первой. Ракета с
продольным разделением ступеней, теоретически,
может иметь неограниченное количество ступеней,
работающих параллельно, но на практике
количество таких ступеней ограничено двумя.
Компоновка «Спейс-Шаттла».
Первая ступень — боковые
твердотопливные ускорители.
Вторая ступень — орбитальный
корабль с отделяемым внешним
топливным баком. При старте
запускаются двигатели обеих
ступеней.
36

37. Продольно-поперечное разделение

Позволяет совместить преимущества обеих схем, при
которой первая ступень разделяется со второй
продольно, а разделение всех последующих ступеней
происходит поперечно. Пример такого подхода —
отечественный носитель «Союз-2».
Трёхступенчатая ракета-носитель
с продольно-поперечным разделением
«Союз-2».
37

38. Применение и устройство пироболтов и пиропатронов

38

39. Пироболт (разрывной болт) 

Пироболт – это крепежный болт, в стержне которого рядом с
головкой создается полость, заполняемая бризантным
взрывчатым веществом с электродетонатором.
При подаче импульса тока на электродетонатор происходит
взрыв, разрушающий стержень болта, в результате чего его
головка отрывается. Количество взрывчатки в пироболте
тщательно дозируется. При разделении ступеней на
электродетонаторы всех пироболтов, соединяющих разделяемые
части, одновременно подается импульс тока, и соединение
освобождается.
Пироболт на космическом
корабле "Орион".

40. Основные пиротехнические смеси, используемые НАСА

Марганец / хромокислый барий / хромат свинца
RDX / нитроцеллюлоза
Карбид бора / азотнокислый калий
Цирконий / перхлорат калия
Азид свинца
Гексанитростильбен
40

41. Конструктивные варианты пироболтов

Разрывной (split / frangible) болт — конструкция с тонким
«надрезом»/профилем в месте разрушения; заряд разрывает болт в этом месте,
две части улетают в стороны.
Выстреливающий элемент (pin-puller / pyropin) — заряд
выталкивает/вытягивает центральный штифт, высвобождая зажим
(альтернатива полному разрыву болта).
Тонкостенные болты с картриджем — внутри болта находится картридж с
зарядом; после детонации болт ломается по заранее рассчитанным точкам.
41

42. Пиропатрон (пиротехнический патрон)

Пиропатрон (пиротехнический патрон) — техническое средство для
приведения в действие различных исполнительных устройств (запуска
ракетного двигателя, воспламенения порохового заряда катапультируемого
кресла и др.).
Наиболее распространены пиропатроны с проволочными мостиками
накаливания, в которых проводники замкнуты тонкой проволочкой,
нагревающейся при прохождении тока и зажигающей воспламеняющий
состав. Использование в одном пиропатроне двух мостиков накаливания,
подсоединённых к двум парам проводников, повышает надёжность его работы.
42

43. Основные пиротехнические смеси

Бездымный порохгрупповое название
метательных взрывчатых
веществ на основе нитрата
целлюлозы.
Зернёный
семиканальный пироксилиновый
порох 4/7 Цфл
(флегматизированный церезином) разновидность бездымных порохов,
43

44. Устройство пиропатрона

Простейший широко распространённый
пиропатрон ПП-З конструктивно состоит из
латунной облуженной гильзы, изолятора,
центрального контакта, двух нитей накала (для
надёжности) и заряда бездымного пороха.
Более мощный пиротехнический патрон латунный
ППЛ, конструктивно исполнен в виде холостого
патрона 6,18×60R с электровоспламенителем и 3,5
граммами зернёного
семиканального пироксилинового пороха 4/7 Цфл
(флегматизированного церезином).
44

45. Применение пироболтов и пиропатронов

Отделение ступеней ракеты
Выпуск антенн, панелей, солнечных батарей
Отделение спускаемых аппаратов и сбрасываемых модулей
45

46. Характеристики и требования

Надёжность и однократность
Энергетика заряда — подбирается строго, чтобы обеспечить разделение без избыточного
осколочно-ударного воздействия на соседние элементы.
Электрические требования — определённый ток/напряжение для инициирования.
46