3.7.1. Производство литьевого пороха
Подготовка сырьевых материалов. Сырьевые материалы используются без какой-либо специальной обработки. Однако нитроцеллюлоза, хранимая во влажных условиях, подвергается обезвоживанию с помощью этилового спирта.
Если заливочный порох содержит нитроглицерин, то необходима операция предварительного смешения. Она состоит в пропитке обезвоженной нитроцеллюлозы раствором нитроглицерина в ацетоне. Эта операция проводится в смесителе, оборудованном одной медленно вращающейся вертикальной мешалкой.
Пластификация. Все ингредиенты смешиваются вместе в соответствующих растворителях, чтобы получить экструдируемую пасту. Хотя различные растворители могут быть использованы для этой операции, однако наиболее часто используются смеси простого эфира и спирта или ацетона и спирта.
Пластификация, которая имеет место в горизонтальном смесителе с Z-образными мешалками, позволяет получить однородную смесь всех ингредиентов пороха и обеспечивает возможность начала желатинизации нитроцеллюлозы в присутствии летучих растворителей и пластификаторов. На желатинизацию влияют различные факторы:
1.Количество растворителя, оно регулируется в зависимости от состава и качества нитроцеллюлозы. Соотношение растворителя и пасты оказывает значительное влияние на сольватацию/желатинизацию нитроцеллюлозы и в результате на баллистические и механические свойства конечного продукта.
2.Состав желатинизирующего растворителя, т.е. относительных пропорций простого эфира и спирта или ацетона и спирта.
3.Порядок введения ингредиентов. Нитроцеллюлоза, если ее
необходимо предварительно смешать с нитроглицерином, вводится вначале, а операция смешения начинается с растворителем, так чтобы приготовить пасту, готовую для последующей гомогенизации различных ингредиентов: пластификаторов и баллистических катализаторов.
107
4.Температура, поддерживается ниже температуры кипения растворителя, примерно в диапазоне 30–40 °С.
5.Продолжительность операции смешения, обычно менее
чем 4 ч.
Экструзия. После смешения паста уплотняется во втулке экструзионного пресса, который, в отличие от прессов для топлив без растворителя, не требует тщательного теплового контроля и системы вакуумирования. Операция контролируется таким образом, чтобы гарантировать постоянную скорость экструзии, потому что эта скорость оказывает прямое влияние на размер экструдируемых прутков (диаметром около 1 мм). Характеристики пасты при экструзии являются, в основном, функциями ее состава и степени желатинизации.
Удаление растворителей. Шнуры, получаемые на экструзионном прессе, помещаются в печь, чтобы удалить большую часть остаточных растворителей. В результате этого шнуры (прутки) получаются определенной твердости, что облегчает их резку.
Резка. Качество резки, обычно осуществляемой с помощью гильотины, является очень важным, потому что оно прямо влияет на объемную плотность или плотность упаковки пороха. Обычно длина отрезаемого элемента эквивалентна диаметру шнура, т.е. составляет 1 мм.
Окончательная сушка. Большая часть растворителей удаляется в ходе предыдущих операций; однако остаточные растворители поглощаются нитроцеллюлозными волокнами, и простого теплового воздействия может быть недостаточно для их полного удаления. Следовательно, следующий этап может включать в себя вымачивание продукта в течение нескольких дней в горячей воде (60–80 °С). Горячая вода ускоряет удаление растворителей. Вода имеет малое химическое сродство к нитроцеллюлозе и может быть легко удалена при сушке горячим воздухом (60 °С). Доля летучего материала в порохе уменьшается до величины, близкой к 1 %.
Окончательная обработка. После фазы сушки заливочный порох часто покрывается графитом. Это уменьшает его электростатические заряды и улучшает его текучие свойства. Эта опера-
108
ция также позволяет осуществить шлифовку зерен, т.е. удаление шероховатости поверхности, увеличение объемной плотности или плотности упаковки зерен пороха. Эта операция проводится либо периодическим способом в смесительном аппарате башенного типа или в машине для графитования, либо непрерывным способом в бункере с бесконечным шнеком.
Отдельные мешки заливочного пороха смешиваются вместе для получения большой гомогенной партии. Эта операция весьма важна, потому что однородность свойств литьевого топлива в большей степени определяется свойствами заливочного пороха (порошка).
Контроль свойств. Определенное число характеристик заливочного пороха систематически контролируется:
содержание влаги и летучих компонентов в конечном продукте ограничивается 0,7 % влаги и 1,8 % летучих компонентов;
кажущаяся или гравиметрическая плотность, которая определяет объемную степень упаковки зерен в порохе и, следовательно, прямо связана с составом топлива;
химический состав и, в частности, количество стабилизаторов баллистических катализаторов и графита;
термостабильность, которая контролируется с помощью теста по тепловой обработке образца, в котором температура повышается до 108,5 или 120 °С, и определяется время, требуемое для эмиссии окислов азота;
теплота взрывчатого превращения, которая определяет конечные энергетические свойства топлива.
3.7.2. Получение заливочного растворителя (среды)
Заливочный растворитель является смесью нитроэфиров
иинертных пластификаторов. Последние называются десенсибилизаторами, потому что они уменьшают чувствительность к удару
итрению нитроэфиров.
Широко используемые растворители получаются смешением нитроглицерина и триацетина, который получается хорошим десенсибилизатором нитроглицерина (рис. 3.2).
109
Рис. 3.2. Чувствительность по методу падения 30 кг груза заливочного растворителя как функция количества триацетина
Чтобы удовлетворить требованиям применения параметров и достичь желаемого совершенства, выбраны следующие значения:
содержание десенсибилизатора от 21 до 27 %;
содержание стабилизатора (от 0,5 до 1 %).
Кроме того, следует учитывать и природу стабилизатора. Заливочный растворитель получается введением нитроглице-
рина в предварительно приготовленную смесь, содержащую триацетин и стабилизатор. Процесс обезвоживания проводится тепловой обработкой, под вакуумом, с одновременным барботажем осушенного воздуха через смесь. При этом можно достичь содержания влаги менее чем 500 ррm (500 частей на миллион).
3.7.3. Производство литьевых двухосновных твердых ракетных топлив
Целью этого производства является получение гомогенного продукта путем желатинизации заливочного пороха с помощью заливочного растворителя.
Заполнение форм. Заливочный порох загружается в заливочную форму, которая состоит из следующих частей:
1) основания, которое обеспечивает позиционирование заливочной обечайки (корсета), чтобы гарантировать хорошее распределение заливочного растворителя;
110
2)металлической заливочной обечайки или трубы, которая обеспечивает получение наружной формы заготовки твердотопливного заряда;
3)металлической иглы, чтобы отформовать центральный канал зарядов с радиальным режимом горения;
4)верхней сборки для уплотнения формы, которая включает в себя систему вакуумирования и систему для наблюдения, позволяющую вести контроль за подачей заливочного растворителя.
Плотность упаковки заливочного пороха обычно должна быть около 65 %. Она является показателем:
размера зерен заливочного порошка, теоретические расчеты показывают, что упаковка зерен является оптимальной, когда отношение длины к диаметру близко к единице;
способа, с помощью которого заливочный порошок (порох) вводится, для лучшего заполнения форм используются различные способы: применение вибрации, последовательно установленных сит, решеток по спирали в загрузочной воронке;
характеристики самого заливочного порошка; плотность
исостояние поверхности, в свою очередь зависит от производственных условий, качества нитроцеллюлозы, содержания нитроглицерина в составе порошка (пороха).
Сразу после заполнения формы порохом следует операция дегазации, выполняемая при разрежении и при температуре окружающей среды и продолжающаяся в течение нескольких часов,
что способствует удалению остаточных летучих растворителей и воздуха, содержащегося в форме.
Заливка. Заливка заключается в инжекции заливочного растворителя в нижнюю часть основания формы, служащей в качестве распределительной камеры, и последующего прохождения растворителя через слой пороха (порошка).
Промежутки между зернами заливочного пороха заполняются заливочным растворителем или желатинизирующей жидкостью. Исследование моделирования этой фазы позволило обнаружить значительные вариации в поведении, в зависимости от состояния желатинизации и природы заливочных порохов.
111
Отверждение. После заливки содержимое формы подвергается процессу отверждения. Это ускоряет желатинизацию нитроцеллюлозы заливочным растворителем. Диффузии растворителя помогает присутствие молекул триацетина, которые обладают значительным сродством к нитроцеллюлозе. Это явление соответствует более или менее активным взаимодействиям между пластификатором и нитроцеллюлозой и вызывает небольшой экзотермический эффект.
Процесс отверждения состоять из одной фазы отверждения либо из двух различных.
Предварительное отверждение 24–72 ч при температуре приблизительно 40–45 °С позволяет зернам пороха абсорбировать максимальное количество растворителя, оно необходимо, чтобы привести их в набухшее состояние. В течение фазы предварительного отверждения заливочные пороха становятся достаточно желатинизированными и сросшимися друг с другом частицами, что позволяет удалить избыточный заливочный растворитель. Это необходимо, чтобы избежать риска разложения нитроглицерина в избыточном количестве жидкости в течение второй операции отверждения.
Второй фазой является собственно процесс отверждения, который завершается миграцией растворителя в середину волокон нитроцеллюлозы.
Втечение процесса отверждения после нескольких дней весь заряд приобретает гомогенную структуру. Топливо достигает своих конечных механических и баллистических свойств. Продолжительность всей операции более чем 72 ч при температуре от 50
до 65 °С (рис. 3.3).
Впроцессе отверждения топливо подвергается объемным изменениям, которые зависят от условий дегазации пороха и растворителя. Эти изменения соответствуют, главным образом, заполнению микропор гранул заливочного пороха (рис. 3.4).
Разборка формы. Разборка формы заключается в удалении иглы из твердотопливного заряда и извлечения заряда из заливочной трубы.
112
Рис. 3.3. Зависимость механических свойств литьевых двухосновных твердых ракетных топлив от условий отверждения (время – температура)
Рис. 3.4. Зависимость объема литьевых двухосновных твердых ракетных топлив от условий кондиционирования заливочного пороха и растворителя: 1 – заливка и отверждение при 40 °С, давление атмосферное; 2 – кондиционирование пороха 4 ч, растворителя – 2 ч при 40 °С и 5 мм рт. ст.
113
Механическая обработка. Концы твердотопливного заряда должны быть удалены из состава, который несколько отличается структуры заряда, что обусловлено тем фактом, что они находились вблизи избыточного растворителя на фазе предварительного отверждения. Заряд затем разрезается на соответствующие размеры путем использования тех же приемов, что и в случае экструдируемых двухосновных топлив.
Бронирование. Бронирование двухосновных литьевых твердых ракетных топлив является таким же, как и в процессе, описанном для экструдируемых топлив.
В некоторых случаях используются другие приемы, когда возможно это сделать (небольшие или среднего размера снаряды с относительно постоянным и простым внешним профилем). Эти приемы включают в себя заливку топлива прямо в чехол бронепокрытия, используемый в качестве изолятора литьевой формы. Эта операция имеет следующие два преимущества:
1)механическая обработка уже не нужна, потому что заряды заливаются прямо в требуемый размер (за исключением длины заряда);
2)не требуется конечная операция бронирования.
3.7.4. Другие процессы
Изменение состава литьевых двухосновных твердых ракетных топлив для улучшения энергетических характеристик привело к некоторым видоизменениям процесса. На фазе предварительного смешения в нитроцеллюлозу вводится нитроглицерин. Исключается фаза удаления воды, так как высокое содержание пластификаторов приводит к исключению применения летучих растворителей.
Метод шнековой экструзии может упростить процесс получения заливочного пороха. Характеристики топлив, полученных с таким заливочным порохом, подобны характеристикам топлив, полученных по обычному процессу.
Современные изделия. Метод литья позволяет получать твердотопливные заряды фактически без ограничения по форме, за ис-
114