ВВЕДЕНИЕ
Производство порохов, твердых ракетных топлив, взрывчатых веществ, пиротехнических составов за последнее время превратилось в отдельное направление химической промышленности – специальной химии. Ее развитие, наряду с широким применением в мирных целях, дало мощный толчок в развитии артиллерийского и ракетного вооружения. Особое место здесь занимает наука и техника о порохах и твердых ракетных топливах, которая формирует, классифицирует компонентную базу, рецептуры и технологические процессы производства зарядов из этих высокоэнергетических материалов. В той или иной степени производством порохов и твердых ракетных топлив владеют примерно 35 стран мира, среди которых необходимо выделить США, Россию, Германию, Францию, Великобританию, Швецию, Финляндию, Китай.
Одной из характеристик развития спецхимии может служить диапазон по массе изготавливаемых зарядов: от нескольких граммов до сотен тонн. В настоящее время самым крупным является сегментированный ракетный двигатель на твердом топливе (РДДТ), являющийся стартовым ускорителем к космическому кораблю «Спейс-Шаттл» массой 500 т. Для запуска используется два стартовых ускорителя.
Другим примером является стартовый ускоритель франкоитальянского производства к космическому кораблю «Ариан-5» массой 237 т. Для старта также используется два ускорителя. Важным моментом является многоразовое использование отработанных паров РДТТ. С учетом возможности транспортно-технологических устройств максимальный размер секции РДТТ составляет 100–120 т, но в перспективных проектах обсуждается и возможность изготовления и моноблочных РДТТ.
Кроме того, и «Спайс-Шатлл», и «Ариан-5» используют несколько десятков вспомогательных РДТТ. Масштабность этих ра-
8
бот впечатляет. Возможно, и Россия с созданием космодрома «Восточный» будет реализовывать планы по созданию таких гигантских ускорителей.
Трудно перечислить все области применения РДТТ: это воен- но-технические стратегические комплексы, комплексы ПКО, ПВО, ПРО, тактические ракеты класса «воздух–воздух», «воздух– земля», комплексы залпового огня, противотанковые управляемые снаряды (ПТУРсы), газогенераторы и т.д.
Каждое применение РДТТ формирует и свои требования к порохам и твердым ракетным топливам (по энергетике, баллистике, механическим свойствам, времени работы и эксплуатации). В мировой практике отработана методология разработки зарядов из порохов и твердых ракетных топлив.
Обсуждаемыми параметрами являются энергетические характеристики (удельный импульс, сила пороха), баллистика (скорость горения, показатель давления в законе скорости горения, температурный коэффициент скорости горения, количество и состав конденсированной фазы, устойчивость горения), механические свойства (свойство при одноосном растяжении, прочность, деформация и модуль, коэффициент Пуассона, влияние температуры и скорости деформации, их изменение в процессе эксплуатации), техникоэкономические показатели их производства.
Когда-то стоимость пороха сравнивали со стоимостью шоколада, в настоящее время стоимость пороха и твердых ракетных топлив превышает стоимость шоколада на порядок. Одной фразой экономические факторы можно записать как «стоимость – эффективность».
Развитие производства порохов и твердых ракетных топлив стимулировало развитие производства полимеров, каучуков, пластификаторов, стабилизаторов, неорганических и органических окислителей, катализаторов. Конечно, специалисту в области порохов и твердых ракетных топлив крайне важно знать и понимать сложившуюся терминологию этого направления, при этом надо учесть, что она в настоящее время до конца не стандартизирована.
9
В справочнике Р. Майера, Д. Кехлера, А.Р. Хомберга «Взрывчатые вещества» записано: «Твердое ракетное топливо – это взрывчатый материал с относительно низкой управляемой скоростью горения. Может быть либо твердым, либо пластичным, горит с постоянной скоростью после воспламенения без доступа атмосферы. Односоставное топливо состоит, главным образом, из нитроцеллюлозы. Двухсоставное твердое ракетное топливо содержит нитроцеллюлозу и нитроглицерин. Смесевое твердое ракетное топливо содержит окислители в матрице связующего».
Типы твердых ракетных топлив:
1.Смесевое твердое ракетное топливо представляет собой тонкоизмельченные окислители, диспергированные в матрице горючего – связующего. В качестве окислителей могут использоваться:
1) нитрат аммония;
2) перхлораты аммония и калия;
3) нитрамины (гексоген, октоген, cz-20);
4) аммониевая соль динитроазовый кислоты (АДНА). В качестве металлических горючих:
1) алюминиевый порошок;
2) порошок бора, циркония;
3) порошок алюминиево-магниевых сплавов;
4) порошкообразный бериллий.
2.Двухосновное твердое ракетное топливо: гомогенное коллоидного типа топливо, состоящее из нитроцеллюлозы, пластификатора, состоящего из нитроэфиров и инертных веществ.
3.Пластизольное: смесевое или двухосновное топливо, в котором полимер растворен в пластификаторе.
4.Смесевое двухосновное твердое ракетное топливо: двухосновное твердое ракетное топливо, содержащее в дисперсной фазе тонкоизмельченный окислитель и обычно порошкообразное горючее (алюминий).
5.Одноосновное твердое ракетное топливо: коллоидный раствор нитроцеллюлозы и инертных пластификаторов.
10
Наиболее близко к классификации и стандартизации порохов и твердых ракетных топлив приблизились французские исследователи. В основе классификаций у ряда авторов химический состав, производственный процесс, иногда некоторые функциональные характеристики, такие как дымообразование, механические свойства (например, эластомерное модифицированное двухосновное топливо).
Гомогенными твердыми ракетными топливами называют двухосновные твердые ракетные топлива. Во фракции они подразделяются на два типа:
1)экструдированные двухосновные твердые ракетные топлива без растворителя;
2)литиевые двухосновные твердые ракетные топлива.
Когда высокоэнергетические твердые компоненты вводятся в это топливо, то оно становится смесевым модифицированным двухосновным топливом (CMDB). Это название используется только для литиевых топлив, даже если некоторые экструдированные двухосновные топлива (EDB) содержат окислители или энергетические твердые вещества. Также разрабатываются эластомерные модифицированные литиевые топлива EMCDB. Они являются литиевыми двухосновными топливами, в которых эластомерное связующее добавляется к двухосновному. В эти топлива могут добавляться высокоэнергетические вещества. По французской номенклатуре эти топлива являются смесевыми и они имеют общее название – нитраголы. Если они содержат перхлорат аммония, то эти топлива называются нитралитами и т.д. Вышеуказанные топлива будут классифицированы как топлива с минимальным дымообразованием, если их формула будет содержать только атомы C, H, O, N.
В английской терминологии смесевые твердые ракетные топлива названы в соответствии с типом их связующего, например, HTPB (гидроксилсодержащий полибутадиен) или полиуретановые топлива, что, конечно, означает некоторую двусмысленность, за исключением того факта, что большинство смесевых топлив используют в качестве окислителя перхлорат аммония.
11
Присутствие твердого порошкообразного горючего является менее ясным, так как все больше и больше твердых топлив «с уменьшенным» дымообразованием, т.е. без металлического горючего, используются в практических целях. Во Франции название твердых топлив изменяется в соответствии с основными компонентами состава, например, смесевое твердое ракетное топливо на основе полибутадиена, ПХА и алюминия называется «буталан». Без алюминия оно называется «буталит».
Так называемые высокоэнергетические топлива являются смесевыми твердыми ракетными топливами с энергетическим связующим. Наиболее типичным является использование связующего пластифицированного нитроэфирами и их сокращенная абревиатура XZDB – поперечно сшитые смесевые двухосновные топлива, даже если в них почти не содержится нитроцеллюлозы в качестве связующего, их название – нитраргол. Малодымные XZDB на основе октогена называются нитрамитами.
Термин «минимальное дымообразование», или «уменьшенное дымообразование», конечно, является недостаточным для четкой диффренцации топлив. Сейчас проводятся исследования по определению уровня дымообразования, чтобы иметь возможность сравнить различные топлива. Идея заключается в характеризации первичного и вторичного дымообразования (Al2O3, HCl).
В США также нет четкой классификации порохов и твердых ракетных топлив, хотя, например, серия артиллерийских порохов имеет индекс «М»:
топливо М-14 – одноосновное (НЦ – 89 % (13 % N), ДНТ –
8 %, ДБФ – 2 %, ДФА – 1 %);
топливо М-30 А 1 – двухосновное (НЦ – 27 % (12,6 % N), НГ – 24,3 %, нитрогуанидин – 47,2 %);
топливо М-43 – малоуязвимое (НЦ – 4 % (12,6 % N), гексоген – 76 %, ацетобутират целлюлозы (АБЦ) – 12 %, пластифика-
тор – 8 %).
В то же время самое известное топливо имеет индекс JА-2 (НЦ – 59 %, 13,1 % N), НГ – 15 %, ДНДЭГ – 25 %, акорзит II – 1 %).
12
Новое поколение топлива на основе нитратоэтилнитрамина (НЕНА – NЕNА) имеет обозначения:
НЕНА-О, NЕNА-О (метил НЕНА – 14,85 %, НЦ – 49,95 %, ДИНА – 34,70 %, цетролит – 1 %);
НЕНА-Бу 15 (NЕNА-Bu-15) (бутил НЕНА – 14,85 %, НЦ – 49,95 %, ДИНА – 34,70 %, цетролит – 1 %).
Составы смесевых модифицированных твердых топлив из-
вестны под индексами FKM, VRP, VWC, ND-N, UTP, SPiSS, кото-
рые соответствуют определенным фирмам и кампаниям.
Во Франции известен порох В. Это одноосновный порох, стабилизированный 1,5 % ДФА (дифиниламина). Классификации проводятся по форме пороховых элементов, путем добавления к названию пороха суффикса: например, Poudre-B Ba. Если форма порохового элемента – короткие прутки (цилиндрики), то суффикс Ва, если полосы, ленты – Bd, длинные прутки, шнуры – Cd, диски – Di, чешуйки (старая деноминация) – FP, чешуйки (новая деноминация) – Pa, обкатанные сферы – Se, сферы – SP, трубки с 7 каналами – 7Т, трубки с 19 каналами – 19Т, разрезные трубки –
Tf, трубки – TU.
Финская промышленность классифицирует одноосновные
идвухосновные пороха по сериям:
N100 – одноосновные пороха с различной степенью флегматизации (НЦ, стабилизатор, уменьшающий пламя агент, гра-
фит). Выпускаются марки порохов N110, N120, N130, N133, N135, N140, N150, N160, N165, N170, отличающиеся по форме и разме-
рам пороховых элементов, содержанием энергии, объемной плотностью, скоростью горения.
N300 – одноосновные пороха с различной пористостью.
Выпускаются марки порохов: N310, N320, N330 N340, N350, 3N37, N105, несколько отличающиеся размером пороховых элементов, содержанием энергии, объемной плотностью и скоростью горения.
N500 – двухосновные экструдируемые топлива штатного состава (НЦ, НГ, стабилизатор, агент, уменьшающий пламя, агент, уменьшающий износ ствола, покрывающий агент). Выпускаются
13
марки порохов: N540, N550, N560, отличающиеся размером пороховых элементов, содержанием энергии, объемной плотностью и несколько по скорости горения.
Была сделана попытка классифицировать пороха для стрелкового оружия, причем в качестве классификации была выбрана скорость горения. Оказалось, что относительная скорость горения отличается на порядок.
Название марок порохов разнообразно, судя по этому названию, оценить тот или иной порох невозможно. Например: R-1 (Norma), Bullseye (Alliaut), Solo 1000 (Scot), N2 (Accurate arms), Red Dot (Alliaut), Clays (Hodgdon), Royal Scot (Scot) и т.д. Общий список состоял из более 100 наименований порохов в том числе и финских.
Российские составы порохов и твердых топлив также не подвергались строгой классификации. Индексы обычно присваивались предприятиями-разработчиками. Иногда базой служило используемое связующее: тиокольные каучуки (серия ТФА), полиэфирные связующие (ПАЛ, ПФМ), бутилкаучук (БК, Т-9 БК), полидивинилизопреновый каучук (ПД). В аббревиатуре иногда вводились числа, характеризующие содержание связующего и алюминия, например: По 17/18, ПД 13/5, ПД 12/20 и т.д.
Определенная систематизация твердых топлив проводилась в соответствии с их характеристиками: быстрогорящие, медленногорящие, морозостойкие, с малой и большой зависимостью в законе скорости горения и т.д.
Более строгая классификация порохов и топлив проводилась по классам опасности и классам совместимости, определяющим правила создания современных пожаровзрывоопасных производств. Эта оценка проводилась для каждого состава, особенно содержащего мощные взрывчатые вещества. Ведь известно, что содержание октагена в некоторых составах твердых топлив превышает 50 %. В связи с этим крайне необходимо создавать базы данных порохов, твердых ракетных топлив, их компонентов, систематически оценивать состояние развития отрасли спецхимии.
14
Намечается определенное слияние компонентной базы двухосновных топлив со смесевыми путем создания направления высокоэнергетических смесевых модифицированных твердых топлив.
Следует отметить, что до настоящего времени не существует единой классификации и стандартизации в схеме совершенства баллистических характеристик и технологических свойств составов. Показателями оценки совершенства является удельный и объемный импульс. В России оценка ведется при отношении давления 40/1, за рубежом – 70/1. Размерность: кГс/кг, Н·с/кг. Разница в зависимости от отношения давлений составляет примерно 15 кГс/кг. Достигнутый уровень: 260 кГс/кг (40/1), 275 кГс/кг (70/1).
С учетом уровня плотности современных пироксилиновых составов твердых топлив 1,9–1,92 г/см3 объемный импульс будет составлять: ~ 500 кГскг смг3 (40/1), ~ 510 кГскг смг3 (70/1).
Дальнейшее повышение энергетики будет связано с разработкой новых высокоплотных и энергоемких компонентов, но на этом этапе главную роль будут играть технико-экономические показатели и значительного скачка ожидать не следует.
Баллистические характеристики определяют основное место ракетного двигателя на твердом топливе. Их показателями явля-
ются уровень скорости горения, возможности ее регулирования без значительного ухудшения совершенства, показатель давления в законе скорости горения, температурный коэффициент скорости горения, состояние и размер конденсированной фазы, кислородный баланс твердого топлива.
При оценке скорости горения следует строго придерживаться уровня давления, при котором осуществляется испытание. В России оценка проводится при давлениях 40 и 100 кГс/см2 (4,0 и 100 МПа), за рубежом – при 70 кГс/см2 (7,0 МПа). Это было связано с тем, что 7,0 МПа соответствует 1000 lbf/in2 в единицах анг- ло-американской системы.
Уровень реализованных скоростей горения – от 1–2
до 100 мм/с (10 МПа).
15
Показатель в законе скорости горения – от 0 до 1,0. Температурный коэффициент скорости – от 0,12 до 0,25 %/°С. Конечно, совершенство твердого топлива является неотъем-
лемой частью совершенства ракетного двигателя на твердом топливе, и здесь глубокого анализа требуют потери единичного импульса, связанные с механизмом горения алюминиевого порошка, конструктивным исполнением двигателя. Все это должно оставаться в центре внимания разработчиков. Научные исследования должны быть направлены на решение следующих задач:
управление показателя в скорости горения вплоть до получения характеристик с «плато»;
управление и уменьшение температурного коэффициента скорости горения;
уменьшение эрозии сопла (не более 1–2 мм/с);
уменьшение размера частиц конденсированной фазы;
газодинамическое облагораживание РДТТ;
создание многорежимных РДТТ торцевого горения (изменение скорости горения в процессе формования заряда);
создание комбинированных ракетных двигателей (твердотопливных и прямоточных) с целью разных увеличений кислородного баланса и полной реализации энергии твердого топлива.
Кроме того, артиллерийские заряды многофункциональны, основой их являются сила пороха, величина которой теоретически предсказана на уровне 140 Тс. По информации зарубежных источников в США уже достигнут уровень силы пороха 125 Тс. Проблемы закона скорости горения, температурного коэффициента скорости горения, эрозии ствола остались такими же, как и для смесевых топлив. Однако в артиллерии уже используют малоуязвимые пороха – высокоэнергетические смесевые термопластичные топлива.
Цель данного учебного пособия – обобщить накопленный опыт в области исследований технологии порохов и твердых ракетных топлив.
16