производственный процесс обеспечивает выполнение основных функций, таких как гомогенизация продукта, желатинизация и обеспечение заданной формы.
Гомогенизация. Различные ингредиенты существуют в различном физическом состоянии: волокна нитроцеллюлозы, жидкий нитроглицерин, аморфные порошкообразные или кристаллические баллистические катализаторы. Должно быть гарантировано получение тщательно перемешанной смеси. Для этого могут быть использованы различные методы: пластификация, шнековая экструзия и вальцевание. Все эти три метода используются при переработке двухосновных топлив без растворителя.
Пластификация с помощью растворителя используется на первой фазе производства литьевых двухосновных топлив.
Желатинизация. Желатинизация нитроцеллюлозы нитроглицерином приводит к набуханию и частичному растворению волокнистой структуры нитроцеллюлозы.
Повышение температуры ускоряет желатинизацию. Вальцевание экструдируемых двухосновных топлив, например, выполняется при высокой температуре (100 °С), пластификация заливочных порохов при температуре от 30 до 40 °С, литьевые двухосновные топлива (CDB) отверждаются при температуре, близкой к 60 °С.
Желатинизация также ускоряется за счет механического воздействия при смешении заливочных порохов и, в частности, при вальцевании экструдируемых двухосновных топлив. И, наконец, далее процесс ускоряется за счет использования системы растворителей на основе ацетона и спирта либо простого эфира и спирта при изготовлении заливочных порохов. Эти растворители будут изменять состояние нитроцеллюлозы и кинетику абсорбции нитроглицерина в нитроцеллюлозу.
3.5. Процесс производства экструдируемых двухосновных твердых ракетных топлив (ЕDB)
Приготовление пасты: пропитывание нитроцеллюлозы нитроглицерином. Поскольку транспортировка нитроглицерина запрещена, то смешение нитроцеллюлозы и нитроглицерина вы-
99
полняется в отделении, где нитроглицерин производится. Применяемый процесс, называемый «пропиткой», заключается в помещении нитроцеллюлозы в водную суспензию, перемешиваемую сжатым воздухом, подаче (заливке) нитроглицерина, который диспергируется на капли, при суспендировании в воде при эффективном перемешивании. Эти капли нитроглицерина абсорбируются на волокнах нитроцеллюлозы, с которыми они контактируют. Получаемый продукт, называемый пастой, затем гомогенизируется и частично обезвоживается, причем остаточное содержание воды составляет порядка 30 %, что требуется по закону транспортирования.
Сушка пасты. Будучи слишком влажной для использования
впроизводственном процессе, паста обезвоживается в центрифуге
втечение нескольких минут, уменьшая содержание воды приблизительно до 20 %.
Пластификация. Содержание воды в пасте точно не известно и не постоянно по всему объему массы. Дальнейшая операция смешения необходима для получения гомогенного продукта. Содержание воды также измеряется, что позволяет рассчитать массу сухой нитроцеллюлозы и точно определить количество компонентов, которое необходимо добавить в процессе операции пластификации. Эти компоненты добавляются последовательно в процессе пластификации, в небольших количествах вводятся твердые вещества и путем впрыска жидкие. Приблизительно после 30 мин предварительно перемешанная паста выгружается из пластифицирующей машины. Эта паста представляет собой гомогенную массу, проанализированную и используемуюв дальнейшем технологическомпроцессе.
Желатинизация: операция вальцевания. Удаление воды из пасты и желатинизация нитроцеллюлозы нитроглицерином достигается двойным воздействием давления и нагрева на двух фазах вальцевания.
Втечение приблизительно 6 мин агломерационное вальцева-
ние является основным процессом в желатинизации топлива и обеспечении баллистических свойств. Так как вальцы вращаются с разными скоростями, то эта операция также называется дифференциальным ламинированием.
100
Листы, получаемые при дифференциальном вальцевании, еще содержат слишком много воды. Дальнейшее вальцевание в течение приблизительно 15–20 мин завершает желатинизацию и позволяет удалить избыток воды. Это выполняется на вальцах, вращающихся с одинаковыми скоростями, и эта операция называется окончательным или финишным вальцеванием.
Вальцевание с целью измельчения полотна. Прежде чем поместить в цилиндр экструзионного пресса ламинированные листы, их следует отвальцевать до размера несколько меньшего, чем диаметр втулки пресса. Очень важно при проведении этой операции избежать теплопотерь.
Экструзия. Независимо от того, какой экструзионный пресс используется для переработки двухосновных топлив (горизонтальный или вертикальный), он всегда имеет втулку с обогреваемой рубашкой, в которой циркулирует горячая вода (70–80 °С),
ипоршень, движущийся внутри втулки. Он снабжается кольцевыми отверстиями для выхода воздуха. Крайне необходимо избежать капсюляции воздуха в отвальцованной таблетке, которая подается в пресс, потому что воздух может сильно нагреваться при адиабатическом сжатии и вызывать воспламенение топлива.
Втулки пресса имеют различные размеры: диаметр их может достигать 380 мм и они могут вмещать до 90 кг топлива. Днище втулки представляет собой вид фильтра с отверстиями – «ситовое полотно» (решетка), через которое материал продавливается во вторую втулку, расположенную непосредственно под экструзионным устройством. Это экструзионное устройство состоит из фильеры, которая определяет внешнюю форму вкладного заряда или элемента топлива (цилиндр, звезда, квадрат, прямоугольник и т.д.)
иимеет одну или несколько игл для создания канала в пределах требуемой формы заряда. При производстве больших зарядов экструзионный пресс снабжается одной фильерой или прессинструментом, а для небольших и среднего размера зарядов экструзионный пресс может снабжаться значительным количеством фильер (до 12). Операции выполняются в следующем порядке:
101
1)отвальцованная таблетка вводится во втулку пресса;
2)поршень опускается до достижения поверхности топлива (подвод поршня);
3)выполняется вакуумирование для удаления включенного или окклюдированного воздуха;
4)поршень приводится в движение с регламентируемой скоростью, чтобы осуществить процесс экструзии.
Чтобы гарантировать хорошую стабильность размеров экструдируемых элементов, необходимо обеспечить весьма точное регулирование и контроль обогрева пресс-инструмента или фильеры, чтобы поддерживать равномерную и постоянную температуру. Качество технологического процесса зависит от точности контроля операций экструзии. Чтобы определить тепловые и механические механизмы, участвующие в процессе экструзии, следует выполнить реологические исследования.
Для того чтобы воспроизвести термомеханику течения внутри пресс-инструмента (фильеры), была разработана модель, в которой
учитывается изменение вязкости как функции температуры и напряжения сдвига, которому подвергается топливо. Тепловые явления, однако, не происходят внутри топлива, а проявляются на его поверхности. Создается пограничный слой, и его характеристики управляют процессом течения и/или дефектами, вызываемыми разрывами. Известные законы, применимые к расплавленным полимерам, не принимают во внимание этот пограничный слой. Следовательно, даже если моделирование является довольно сложным, знание о появлении пограничного слоя определяет выбор геометрии пресс-инструмента. Например, профили, которые обладают склонностью разрушать или возмущать этот пограничный слой, должны быть исключены.
На выходе из экструзионного пресса полоса или элемент топлива разбухает из-за сброса давления. Чем выше давление экструзии, тем больше будет разбухание. Чтобы гарантировать воспроизводимость разбухания, давление экструзии устанавливается для каждого из составов, и кривая скорости опускания поршня также контролируется.
102
Обычно гидравлическое давление, которое создается, составляет приблизительно 18 МПа, обеспечивая давление, воздействующее на материал в пределах 70–100 МПа.
Кольца безопасности (или срезные кольца) ограничивают создаваемое давление и могут срезаться в случае воспламенения.
Разрезка. Экструдируемые секции разрезаются на элементы несколько большей длины, чем длина изготавливаемого заряда.
Машинная обработка. Полосы топлива или секции, которые подвержены разбуханию в большей или меньшей степени, в зависимости от условий экструзии, после охлаждения имеют определенную усадку. В связи с этим трудно получить размеры с требуемыми допусками без применения механической обработки.
Обеспечение окончательной длины производится после завершения охлаждения, иногда даже после периода старения. Подрезка обычно выполняется с помощью фрезы. С использованием токарных станков, фрез, сверл снаружи и изнутри заряд может быть точно доработан в соответствии с требованиями.
Большая часть режущего инструмента охлаждается жидкостью при механической обработке, а образующаяся стружка удаляется с помощью вакуума.
Бронирование. Большая часть зарядов для ракетных двигателей должна быть забронирована по внешней поверхности, а в некоторых случаях – по внутренней поверхности. Имеются различные методы бронирования, которые зависят от формы и размеров зарядов. Они также зависят от природы бронирующего материала. Типичными материалами являются:
1)наполненные и ненаполненные сложные полиэфиры, заливаются в качестве бронепокрытий с низкой вязкостью и применимы к литьевым процессам;
2)силиконовые полимерные смолы, подаются методом инжекции в формы, в которые помещены твердотопливные заряды;
3)полиуретановые бронепокрытия, в настоящее время становятся довольно популярными, которые инжектируются вокруг твердотопливного заряда, поверхность которого покрыта праймером.
103
3.6. Другие процессы изготовления зарядов из топлив
Описанный выше процесс является процессом, широко применяемым для производства зарядов из топлива без растворителя. Значительное количество энергии вкладывается в материал, придавая изготавливаемым таким способом топливам отличные баллистические и механические свойства. Однако имеются некоторые изменения в производстве топлива (каландрование и штамповка); новые технологии (например, шнековая экструзия), широко используемые в производстве пластмасс, заменяют общепринятые процессы.
Каландрование. Каландрование позволяет получить листы или полосы практически постоянной толщины от 0,075 до 2 мм и с текстурированной поверхностью, включая ребра, рубцы, зубцы, решетки и другие вариации. Листы топлива с финишных экструзионных вальцев, описанных ранее, пропускаются через каландровые вальцы.
Каландр является мощной валковой машиной, в которой валки имеют поверхность, созданную для производства топлива. Валки также обогреваются и имеют переменные скорости вращения.
Штамповка (или горячее формование). Штамповка является процессом горячего формования или термоформования кусков твердого ракетного топлива или заготовок, полученных с помощью прессовой или шнековой экструзии. Эти заготовки вначале разрезаются, чтобы иметь приблизительно тот же самый вес и размер, что
ибудущий заряд. Операция проводится в несколько этапов:
1)заготовка или кусок топлива помещается в форму, которая состоит из фильеры с желаемым внешним профилем, и штампом с дополнительным требуемым геометрическим профилем;
2)форма закрывается, температура повышается до 80–90 °С – температуры формования, и создается давление 3 кПа;
3)штамп перемещается внутри полости фильеры для сжатия
иперемещения размягченного топлива для получения требуемой окончательной формы;
4)штамп удаляется из фильеры.
104
Преимущество этого процесса заключается в том, что он позволяет получить геометрические формы, которые не могут быть получены экструзией, такие как заряды, в которых канал открыт только с одного торца, типа голова–конец (head–end) и другие сложные образцы.
Шнековая экструзия. Технологический процесс производства экструдируемых двухосновных твердых ракетных топлив (EDB) включает в себя много последовательных фаз, которые являются экономически невыгодными при серийном производстве.
Различные попытки были сделаны, чтобы заменить процесс производства экструдируемых двухосновных твердых ракетных топлив на непрерывный и более экономически выгодный процесс (используя растворители и без них).
Наиболее сложные попытки были сделаны по использованию технологии, широко применяемой в производстве пластмасс, т.е. процесса шнековой экструзии. После значительного периода адаптации этот процесс в настоящее время используется для промышленного массового производства зарядов из экструдируемых двухосновных топлив.
Два экструдера используются последовательно: они спроектированы для того, чтобы выполнить следующие операции: агломерационное вальцевание, окончательное вальцевание и экструзию. Пластификация остается единственной операцией, которая сохраняется вследствие важности точного измерения количеств различных ингредиентов в составе топлива. Эти шнековые экструдеры включают в себя:
систему контроля и регулирования температуры в шнеке
ив пресс-инструменте;
установку выхлопных каналов (exhaust ducts), чтобы обеспечить удаление воды и газов;
пресс-инструмент или фильеру на конце экструдера, используемые для формования материала.
Первый экструдер используется с регулируемым шнеком; это гарантирует желатинизацию влажной смеси. Смесь, превратив-
105
шаяся в гранулы, подается непрерывно во второй экструдер. Эти гранулы или таблетки могут быть также получены в непрерывном процессе вальцевания. Второй экструдер, который используется с двумя параллельными шнеками, завершает гомогенизацию смеси и гарантирует формование материала.
Несмотря на экономические преимущества этот процесс является опасным, и работа должна выполняться дистанционно.
Современные продукты. Имеется очень широкий выбор двухосновных экструдируемых топлив. Размеры зарядов могут быть от тонких прутков (наружный диаметр 1,5–5 мм) до большого диаметра (около 500 мм).
Многие экструзионные профили, включая заряды торцевого горения, были созданы с множеством перфораций, с наружной формой в виде звезды с цилиндрическими и звездообразными центральными каналами. Вес зарядов изменяется от нескольких граммов, в случае элементов для воспламенения, до нескольких десятков килограммов для ускорителей ракет класса земля–воздух.
Цикл производства топлив относительно короткий. Операции смешения, вальцевания и экструзии могут быть выполнены за один день. Это делает процесс технологичным для крупномасштабного производства.
3.7. Производство литьевых двухосновных твердых ракетных топлив (CDB)
Этот процесс включает в себя две основные фазы:
1. Производство заливочного пороха, который содержит нитроцеллюлозу и твердые ингредиенты, а также часть инертных пластификаторов и иногда нитроглицерин. Этот порох поступает
ввиде небольших цилиндров с диаметром и длиной около 1 мм.
2.Фаза заливки и отверждения. Заливочный порох помещается в форму. Заливочный растворитель, состоящий главным образом из десенсибилизированного нитроглицерина, заполняет промежутки между зернами. Нагрев при средней температуре приводит к пенетрации заливочного растворителя в зерна пороха, приводя к получению гомогенного твердотопливного заряда.
106