Разработка технологического процесса изготовления камер сгорания для ЖРД малой тяги (14 кгс) с применением композиционных материалов

Актуальность

Актуальность проекта – помощь студенческой команде МГТУ им. Н.Э. Баумана в создании РН «Мечта-1», которая будет представлять нашу страну на международных соревнованиях студентов-ракетостроителей.

Цель

Разработать технологический процесс производства из композиционных материалов (КМ) камеры сгорания для студенческой РН «Мечта-1» и проверить её работоспособность.

Задачи

1. Изучить методы и технологии производства ракетных камер сгорания.
2. Изучить технологии производства КМ.
3. Разработать эскизный проект камеры из КМ.
4. Выбрать технологию изготовления изделия.
5. Выбрать материалы для наполнителя и связующего.
6. Разработать подробный технологический процесс.
7. Спроектировать специализированное оборудование – намоточный станок и оправку.
8. Изготовить станок с помощью лазерного ЧПУ-станка и оправку с помощью 3D-принтера.
9. Провести намотку теплозащитного покрытия (далее ТЗП).
10. Провести сушку и отверждение ТЗП.
11. Провести намотку армирующего слоя.
12. Провести механическую обработку.
13. Проанализировать качество намотки.

Оснащение и оборудование, использованное при создании работы

• Лазерный ЧПУ-станок
• Самодельный намоточный стенд
• Персональный компьютер с установленным ПО (Autodesk Inventor 2020, Corel Draw)
• 3D-принтер Maestro Classic и пластик ABS

Описание

Ракетные камеры сгорания (КС) – это часть ЖРД (жидкостного ракетного двигателя), в которой смешиваются окислитель и горючее, вследствие чего и происходит воспламенение. Настоящие детали ракетных двигателей выполняются из нержавеющих и высокопрочных сталей, титановых и медных сплавов. Обычно температура деталей из медных и титановых сплавов не превышает 800 К, а стальные детали нагреваются до 1400 К.

Композиционные материалы, или композиты, – это материалы, состоящие из двух компонентов: связующего и наполнителя. Для того чтобы изготовить композит, необходимо нанести матрицу на наполнитель, вследствие чего полученный КМ приобретёт как свойства связующего, так и свойства наполнителя.

Перед командой была поставлена задача, в соответствии с ней разработан эскиз и выбран метод изготовления КС – намоточный метод. Саму камеру решили делать двухслойной (гетероматричный композит): первый слой – внутренняя часть, теплозащитное покрытие (ТЗП), которое и должно выдерживать гигантские температуры, а второй – силовая стенка, которая берёт на себя давление.

Изготовили намоточный станок. Намоточный станок состоял из 3 основных блоков: держатель для катушки наполнителя, направляющий блок для пропитки нити в ёмкости со связующем и стенд.

По предоставленным нам моделям камеры сгорания описали профиль, указали особенности крепления. Переработанные модели камеры (САПР AutoDesk Inventor 2020) отправили в сборку оснастки и далее – в печать.

Проведены две намотки КС. Камеры получились неидеальными, но эти образцы позволили нам понять ошибки и наметить пути их исправления, разработать технологический процесс. В дальнейшем мы будем изготавливать КС, избегая ошибки прошлых моделей. Кроме того, необходимо решить проблему крепления камеры сгорания в РН «Мечта-1».

Результаты работы/выводы

Наша команда смогла изготовить несколько моделей камер сгорания, разработать технологический процесс создания КС из углеродных композитных материалов. Также мы нашли проблемы, с которыми могут столкнуться неопытные инженеры, и способы их решения. В перспективе мы хотим заинтересовать большее количество людей технологиями композитных материалов и изделиями из них. Современное освоение космоса без композитных материалов немыслимо.

Перспективы использования результатов работы

Эта камера сгорания будет использоваться в ракете-носителе «Мечта-1», а также разработанный технологический процесс поможет энтузиастам создавать собственные камеры сгорания.

Сотрудничество с вузом/учреждением при создании работы

МГТУ им. Н.Э. Баумана

Награды/достижения

Открытая городская научно-практическая конференция «Курчатовский проект – от знаний к практике, от практики к результату» – призёр;

Открытая городская научно-практическая конференция «Наука для жизни» – призёр

Мнение автора

«Мы считаем, что наша работа не только поможет небольшим проектам студенческих команд или энтузиастов, но и положит начало дальнейшему развитию космических технологий и освоению космоса!»