Материал: Ракетные твердые топлива. Ракетные двигатели на твердом топливе

Испытание на самовоспламенение (cook-off). Этот тест ис-

пользуется для определения самой низкой температуры самопроизвольного воспламенения после продолжительной выдержки при этой температуре. Эта температура составляет около 110 С для всех двухосновных топлив.

Механическая чувствительность. Горение топлива может также вызываться механическими факторами: ударом и трением. Различные тесты применялись для того, чтобы оценить уровень воздействия, необходимого для воспламенения, включая:

чувствительность к трению: среднее зафиксированное значение силы трения составляет порядка 20 Н;

чувствительность к удару.

Несколько тестов было разработано, чтобы оценить уровень воздействия, необходимого для того, чтобы определить чувствительность к удару топлив. Два из них используются наиболее широко:

1)тест с использованием 30 кг груза: способ предусматривает падение 30 кг груза на пластину топлива: высота падения определяет количество расходуемой энергии;

2)тест определения чувствительности к удару: стальные падающие грузы различного веса падают с различных высот на образец топлива, помещенный между двумя втулками.

139

Значения чувствительности, полученные в этих тестах, устанавливают уровень ударного воздействия, которому не должно подвергаться топливо (падение зарядов, удары и т.д.).

Чувствительность к электрическому импульсу. Как установ-

лено, двухосновные топлива не чувствительны к электрической энергии ниже 600 мДж.

Детонационная способность. Детонация является экзотер-

мической реакцией химического разложения, которая в сочетании с появлением ударной волны сама распространяется по материалу. Эта случайная скорость разложения является весьма рискованной для двухосновных топлив. Существует несколько критериев, которые позволяют нам характеризовать детонационную способность, например:

показатель детонационной способности. При сравнении результатов, полученных для смесевых топлив, – одна карточка двухосновные топлива проявляют значительно повышенную склонность к детонации: 90–100 карточек;

критический диаметр, он значительно меньше, чем у смесевых топлив.

140

Глава 4 ПЕРСПЕКТИВНЫЕ ТВЕРДЫЕ РАКЕТНЫЕ ТОПЛИВА

НА ОСНОВЕ ЭНЕРГОЕМКИХ ПОЛИМЕРНЫХ СВЯЗУЮЩИХ

4.1. Определение семейства твердых ракетных топлив на основе перспективных

энергоемких полимерных связующих

Это семейство включает в себя все твердые ракетные топлива, состоящие из энергетического (энергоемкого) связующего с нитроэфирами, в которое включены наполнители (окислители и, если необходимо, металлические горючие). Из-за их состава эти твердые ракетные топлива являются промежуточными между семейством двухосновных твердых ракетных топлив (нитроцеллюлоза + нитроглицерин или другой жидкий нитроэфир) и семейством смесевых твердых ракетных топлив (инертное связующее + окислитель и горючее). Два различных процесса могут быть использованы для их производства:

1.Процесс литья с растворителем, который использует технологию традиционных двухосновных твердых ракетных топлив. Продукты, получаемые по этому процессу, называются смесевыми модифицированными литьевыми двухосновными твердыми ракетными топливами (СМСDB) или эластомерными модифицированными литьевыми двухосновными твердыми ракетными топливами, если они включают в составотверждаемыйизоцианатами эластомер.

2.Процесс литья, подобный процессу, используемому для производства смесевых твердых ракетных топлив. Эти продукты называются поперечно сшитыми двухосновными твердыми ракетными топливами (XLDB) или HEПЕ (NEPE) (связующее на основе простого полиэфира с нитроэфиром, имеющее высокий уровень содержания наполнителей (nitrate ester-polyether binder including high level of fillers) и относятся к высокоэнергоемким топливам.

141

4.2. Преимущества перспективных твердых ракетных топлив на высокоэнергетическом

полимерном связующем

Необходимость улучшения совершенства обычных топлив для тактических и стратегических ракет положила начало разработке этого семейства топлив.

Хронологически топлива CMCDB стали производиться в промышленном масштабе раньше, чем XLDB. Их производство началось в США в 1950-е гг. Они были логическим продолжением двухосновных твердых ракетных топлив, которые значительно изменились со времен Второй мировой войны. Фактически переход от одноосновного литьевого пороха (нитроцеллюлозы) к двухосновному пороху (нитроцеллюлоза + нитроглицерин) позволил достичь заметного энергетического совершенства, а также создать топлива для прочно скрепленных зарядов, что значительно улучшило их механические свойства.

Включение наполнителей, таких как нитрамины, перхлорат аммония и алюминий, в двухосновные литьевые пороха было еще одним шагом к улучшению энергетических характеристик.

Разработка твердых ракетных топлив CМCDB, однако, привела к ряду ограничений, в частности при использовании их в стратегических ракетах, что обусловлено сложным производственным процессом. Этими ограничениями являются:

невозможность достижения высоких содержаний наполнителей в составах смесевых твердых ракетных топлив;

трудности, связанные с производством больших прочно скрепленных зарядов с высоким содержанием наполнителей и сложной геометрической формы.

Из-за потенциальных преимуществ этих твердых ракетных топлив составы были перепроектированы с целью применения новых производственных процессов. За счет замены нитроцеллюлозы на синтетические полимеры, обеспечивающие введение больших количеств пластификатора, а также обеспечения высокого содержания наполнителей, позволило использовать технологический процесс,

142

разработанный для смесевых твердых ракетных топлив. С созданием топлив XLDB и НЕПЕ (NEPE) был начат новый этап в направлении улучшения совершенства стратегических и тактических ракет. Это семейство топлив привело к достижению самого высокого энергетического уровня и внедрению промышленной технологии.

4.3. Сырьевые материалы

4.3.1. Основные положения

Приготовление состава топлива может, как кажется первоначально, являться простой операцией, заключающейся в смешении добавок со связующим. В действительности это довольно сложная операция, требующая, чтобы конструктор заряда учел все ограничения, связанные с конструкцией твердотопливного заряда и особенностями технологического процесса, например:

обеспечение требований по совершенству (баллистические, механические свойства, надежность ибезопасностьпри обращении);

специальная отработка технологического процесса, чтобы получить хорошее качество и воспроизводимые по свойствам топлива при минимальной стоимости и с высоким уровнем безопасности.

Эмпирические знания, наследуемые по традиции, с одной стороны, и появление лучших технических инструментов, с другой стороны (компьютерные программы, например), помогают определить лучшие возможные решения рассматриваемых проблем. Тем не менее, прежде чем цель может быть успешно достигнута, мы должны допустить, что при хорошо отработанном технологическом процессе сырьевые материалы, т.е. основные ингредиенты топлива, являются хорошо изученными. Это подразумевает:

с одной стороны, полную характеризацию каждого из сырьевых компонентов;

с другой стороны, знание их поведения относительно друг друга, т.е. исследование их химической совместимости. Поскольку топлива состоят большей частью из высокоэнергетических компонентов, то существует проблема оценки реакционной способности ингредиентов, которые должны быть смешаны.

143

В связи с этим предварительные анализы химической совместимости являются обязательными для любой новой системы.

Основываясь на полученных результатах, разработчик заряда должен решить, включать или не включать эти компоненты.

Принцип тестов по химической совместимости обычно основан на измерении газовыделения из испытуемых под вакуумом образцов в зависимости от времени и температуры. Дополнительные тесты (измерение энтальпии разложения; анализ газообразных продуктов разложения; применение хемилюминесценции для проверки нитрованных производных) могут понадобиться, чтобы подтвердить решение, если встретятся какие-нибудь трудности.

4.3.2. Компоненты полимерного связующего. Состав перспективных энергетических полимерных связующих

Связующее смесевых модифицированных литьевых двухосновных твердых ракетных топлив (СMCDB). Основные компо-

ненты связующих СMCDB следующие:

полимер – нитроцеллюлоза;

энергетический пластификатор – нитроглицерин;

десенсибилизирующие пластификаторы – триацетат глицерина (или триацетин);

другие инертные пластификаторы (если необходимо) – алифатические или ароматические сложные эфиры;

стабилизаторы – централит, 2-нитродифениламин.

В процессе с заливочным растворителем окончательный состав связующего формируется в двух фазах:

1)получение заливочного пороха со связующим, состоящим из нитроцеллюлозы и, возможно, части энергетического пластификатора;

2)дополнительный пластификатор вводится в операции, где растворитель (нитроэфир + десенсибилизатор) заливается в форму, заполненную заливочным порохом.

144

В зависимости от количества пластификатора может возникнуть необходимость сшить нитроцеллюлозную сетку, чтобы обеспечить хорошее механическое поведение топлива.

Связующее поперечно сшитых двухосновных твердых ракетных топлив (XLDB) или НЕПЕ (NEPE). Основными ингре-

диентами топлив XLDB и НЕПЕ являются:

полимеры – нитроцеллюлоза, сложные полиэфиры, простые полиэфиры, поликапролактоны и др.;

энергетические пластификаторы – нитроглицерин, 1,2,4- бутантриолтринитрат, триэтиленгликольдинитрат и др.;

неэнергетические пластификаторы – по необходимости;

отверждающие агенты – полиизоцианаты;

химические стабилизаторы.

При процессе литья связующие всегда являются сильно пластифицированными, поэтому должны поперечно сшиваться.

Форполимеры должны обладать определенными свойствами:

должны быть жидкими на этапе предварительной переработки (форполимер и энергетический пластификатор);

должны обеспечивать высокую степень пластификации без проявления каких-либо эксудационных явлений после поперечного сшивания;

должны обеспечивать высокую степень наполнения (приблизительно 77–80 %) и при этом сохранить литьевые свойства при формировании зарядов сложных геометрических форм. В этом случае применима реологическая теория течения топливных масс смесевых топлив;

после поперечной сшивки должны сохранить свои эластомерные свойства и, таким образом, быть способными выдержать значительные деформации в более или менее широком диапазоне температур. Это обусловлено тем фактом, что топлива XLDB используются, главным образом, для изготовления прочно скрепленных зарядов.

4.3.3. Полимеры

Нитроцеллюлоза. Физико-химические и энергетические свойства полимера зависят от содержания нитроцеллюлозы. Нитроцеллюлозы, используемые в ракетной технике имеют содержа-

145

ние азота в диапазоне от 11,5 % (теплотворная способность 800 кал/г) до 13 % (теплотворная способность 1010 кал/г). Однако в случае топлив CMCDB содержание азота близко к 12,5 % и это обеспечивает выполнение соответствующими нитроцеллюлозными полимерами следующих требований:

включение твердых наполнителей (таких как окислители, горючие);

введение большого количества пластификаторов.

Однако нитроцеллюлозы являются полукристаллическими полимерами, которые в отличие от сложных полиэфиров или полибутадиенов не обеспечивают гибкости цепей, которая облегчает введение высокого содержания наполнителей (70–80 %). Для топлив CMCDB, основным полимером которых является нитроцеллюлоза, содержание твердой фазы, совместимой с удовлетворительным механическим совершенством, ограничивается приблизительно 45 %.

Неэнергоемкие форполимеры. Форполимеры, которые должны быть жидкими при температуре переработки и которые способны после поперечной сшивки обеспечить высокое содержание пластификатора и твердой фазы, изготавливаются на основе гидроксилсодержащих сложных и простых полиэфиров. При взаимодействии с изоцианатами они будут образовывать полиуретановые сетки.

Некоторые форполимеры, которые представляют интерес для твердых ракетных топлив XLDB или НЕПЕ, представлены в табл. 4.1. Пока наиболее широко используемыми форполимерами являются полиэтиленгликольадипинат, полидиэтиленгликольадипинат, полиоксиэтиленгликоль (ПЭГ). При температуре окружающего ПЭГ обычно находится в твердом состоянии в виде кристаллической структуры. Однако он легко плавится при температуре, совместимой с использованием энергетического пластификатора (50–60 °С). При добавлении высоких концентраций пластификаторов кристаллическая структура ПЭГ исчезает. Молекулярная масса форполимеров колеблется приблизительно от 1500 до 5000. На практике подбор форполимеров по молекулярной массе является функцией специальных свойств топлив (особенно, механических характеристик).

146