Материал: Ракетные твердые топлива. Ракетные двигатели на твердом топливе

ключением высоты заливаемого продукта, хотя их высота (длина) может достигать 2 м.

В настоящее время производится много различных типов твердотопливных зарядов, такие как заряды торцевого горения, заряды с цилиндрическими и звездообразными каналами, с комбинированными профилями: с частично разрезанными щелями или состоящими из двух частей. Их масса может изменяться от нескольких граммов до десятков килограммов.

Поскольку метод изготовления литьевых двухосновных топлив тщательно отработан, он может быть использован для серийного изготовления зарядов, например, зарядов для маршевых двигателей противотанковых ракет.

3.8.Характеристики двухосновных твердых ракетных топлив

3.8.1.Физико-химические характеристики

Плотность. Плотность двухосновных топлив зависит от плотности их сырьевых материалов: нитроглицерина (1,60 г/см3), нитроцеллюлозы (1,650–1,652 г/см3). Однако на нее влияет также плотность добавок: неэнергетических с низкой плотностью пластификаторов и высокоплотных баллистических модификаторов. Плотности обычно составляют: от 1,55 до 1,66 для экструдируемых двухосновных топлив; от 1,50 до 1,58 для литьевых двухосновных топлив.

Коэффициент линейного термического расширения. Этот коэф-

фициент определяет геометрические изменения зарядов как функции температуры и, следовательно, позволяет произвести оценку допусков, требуемых для внутренних размеров камеры сгорания. Этот коэффициент является характеристикой смеси нитроцеллюлозы, нитроглицерина ипластификатораи равен приблизительно 1,2·10–4.

Удельная теплоемкость. Являясь характеристикой матрицы нитроцеллюлоза – нитроглицерин, удельная теплоемкость составляет приблизительно 0,350 кал/(г· С) для всех двухосновных топлив.

115

Теплоемкость. Производная от удельной теплоемкости и плотности эта величина составляет 0,570 кал/(г·см3).

Удельная теплопроводность. Это свойство управляет теплообменом внутри заряда, подвергаемого различным тепловым воздействиям. Справочное значение 10·10–4 Вт/(см· С) означает, что эти топлива являются изоляционными материалами.

Теплота взрывчатого превращения (взрыва). Теплота взрывча-

того превращения прямо связана с энергетическим уровнем. Она зависит от относительных соотношений различных ингредиентов топлива и составляет 700–1100 кал/г для экструдируемых двухосновных топлив; 500–900 кал/г для литьевых двухосновных топлив. Низкие значения соответствуют составам с высоким содержанием инертных пластификаторов, используемых в газогенераторах.

Таблица 3 . 2

Теплота взрывчатого превращения ингредиентов двухосновных твердых ракетных топлив

116

Окончание табл. 3 . 2

Теплота взрывчатого превращения топлива равна суммарной величине характеристик каждого из компонентов. В табл. 3.2 приведены теоретические значения этой характеристики для основных компонентов двухосновных топлив.

3.8.2. Механические характеристики

На протяжении всего срока службы РДТТ подвергаются различным воздействиям (ускорение, вибрация, удар, тепловой эффект и др.), которые влияют на механические характеристики топлива, определяющие его механические возможности.

Твердость. Твердость является быстрым и простым способом оценки механических свойств материала. Обычно твердость топлива при 20 С составляет около 55 по А. Шору.

Поведение при растяжении и сжатии. Двухосновные топли-

ва характеризуются высоким модулем упругости и механическими свойствами, обеспечивающими их использование во вкладных зарядах, иногда с очень тонким сводом.

Эти характеристики обычно определяются при выполнении опытов по одноосному растяжению. Образцы JANNAF в форме

117

двойной лопатки наиболее широко используются. Полная характеристика механических свойств топлив требует выполнения большого числа опытов на растяжение, чтобы проверить поведение материала в широком диапазоне времени и температуры (табл. 3.3). Общий вид основных кривых ( m, E, , m) экструдируемого двухосновного ракетного твердого топлива приведен на рис. 3.5.

Таблица 3 . 3

Сравнение механических свойств экструдируемых и литьевых двухосновных твердых ракетных топлив

Рис. 3.5. Основные кривые для экструдируемых двухосновных твердых ракетных топлив

118

3.8.3. Баллистические характеристики

Скорость горения. Скорость горения гомогенных топлив зависит, главным образом, от баллистических модификаторов в составе. Диапазон скоростей горения экструдируемых двухосновных твердых ракетных топлив при 20 С составляет 5–40 мм/с, в то время как диапазон скоростей для литьевых – от 3 до 20 мм/с (рис. 3.6).

Эффект «плато» обнаружен в диапазоне давлений, который зависит от скорости горения. Следовательно, при 5 мм/с давление, при котором проявляется «плато», составляет около 5 МПа, в то время как при 40 мм/с – в области 30 МПа.

Рис. 3.6. Область зависимостей скорости горения от давления для экструдируемых (а) и литьевых (б) двухосновных твердых ракетных топлив

Температурный коэффициент. Температурный коэффициент выражает чувствительность скорости горения топлива к температуре перед горением. В случае гомогенных твердых ракетных топлив баллистические характеристики изменяются довольно сильно

взависимости от состава:

πk = 0. Скорость горения не зависит от температуры. Это явление наблюдается, в частности, у экструдируемых двухосновных топлив с низким уровнем энергетики (ниже чем 900 кал/г).

πk < 0. В этом случае по мере того, как температура состава до горения повышается, скорость горения уменьшается. Такое

119

значение πk характерно для литьевых двухосновных топлив с низким энергетическим уровнем (порядка 700 кал/г).

πk > 0. Это наиболее частый случай для этих семейств топлив. Получаемые величины πk находятся в пределах 0–0,3 %/К; несколько более высокие значения были обнаружены у высокоэнергетических топлив (выше чем 1100 кал/г).

3.8.4. Параметры, влияющие на скорость горения

Скорость горения зависит главным образом от природы каталитической системы. Помимо этого основного фактора имеются другие параметры, заслуживающие внимания.

Регулирование. Определенные элементы, такие как ацетиленовая сажа, лишь при небольшом изменении используемых количеств могут значительно изменить скорость горения. Это свойство используется для гарантии лучшей воспроизводимости отдельного состава, независимо от различных мешек сырьевых материалов.

Размер частиц баллистических модификаторов. Некоторые катализаторы могут влиять на скорость горения путем изменения их размера частиц. Это довольно важное явление наблюдается при использовании определенных окислов (CuO, например). Размер частиц катализаторов составляет порядка нескольких микрон.

3.8.5. Процесс производства двухосновных топлив

Технологический процесс может также оказывать влияние на баллистические свойства двухосновных топлив, поскольку они зависят от гомогенности распределения катализаторов и степени желатинизации топлива.

У экструдируемых двухосновных твердых ракетных топлив продолжительность операции агломерационного вальцевания (выполняемой при наличии влаги) может быть значительной в некоторых случаях для обеспечения конечных баллистических свойств. Наблюдается уменьшение показателя в законе скорости горения и проявление эффекта «плато» за счет увеличения продолжительности этой операции вальцевания.

120

Явление желатинизации у литьевых двухосновных твердых ракетных топлив связано, главным образом, с химическим действием растворителя, используемого для производства заливочного пороха. Поэтому количество растворителя, вводимого в смеситель, в частности ацетона, вероятно, оказывает влияние на характеристики конечного продукта. Большое количество ацетона ускоряет желатинизацию, исчезает волокнистая структура нитроцеллюлозы. Заливочный порох в достигнутом состоянии желатинизации обладает меньшим сродством к заливочному растворителю, что приведет к затруднениям проникновения его внутрь элементов заливочных порохов. Конечное топливо в результате этого будет более гетерогенным, и баллистические свойства, которые связаны с гомогенностью и состоянием желатинизации, будут изменяться.

Способы переработки экструдируемых и литьевых двухосновных топлив были проверены в производстве топлив. Из-за эффективных механических и тепловых воздействий при вальцевании экструдируемые двухосновные топлива становятся лучше желатинизируемыми и более гомогенными. Сравнение баллистических свойств (рис. 3.7) показывает, что экструдируемые двухосновные твердые ракетные топлива имеют более высокую скорость горения.

Рис. 3.7. Влияние производственного процесса на баллистические характеристики экструдируемых и литьевых двухосновных твердых ракетных топлив

121

Эффект «плато» двухосновных составов достигается использованием каталитических систем, изменяющих энергетический уровень состава.

Скорость горения в области «плато» связана с эффектом сверхили суперскорости, вызываемым баллистическими модификаторами. В результате этого более высокий энергетический уровень приводит обычно к более высокой скорости горения.

Энергетический уровень также оказывает значительное влияние на температурный коэффициент, который увеличивается с повышением энергии состава.

3.8.6. Энергетические характеристики

Энергетические характеристики обычно выражаются через удельный импульс (в секундах). В качестве альтернативы необходимости систематических экспериментальных измерений на стандартном заряде применяются упрощенные подходы, используемые для определения следующих энергетических характеристик топлива:

теоретического удельного импульса, определяемого на основе термодинамических расчетов;

теплоты взрывчатого превращения, соответствующего измерению калорийности при горении топлива.

Теоретическое совершенство. Теоретическое совершенство данного состава может быть рассчитано по следующим параметрам: атомарный состав топлива (С, Н, О, N и др.); химическое равновесие в камере сгорания; условия горения (расширение газов).

Теплота взрывчатого превращения. Теплота взрывчатого пре-

вращения позволяет осуществить простое измерение энергетического уровня. Операция проводится в калориметрическойзакрытойбомбе и заключается в измерении повышения температуры определенного количества воды при сжигании заданного количества топлива.

Величина теплоты взрывчатого превращения состава может быть также определена путем расчета взвешенной алгебраической суммой калориметрических свойств компонентов.

122