Материал: Ракетные твердые топлива. Ракетные двигатели на твердом топливе

пластифицировано нитроглицерином, а другое – смесью нитроэфиров. Твердое ракетное топливо, содержащее смеси нитроэфиров, сопротивляется кристаллизации, т.е. его механические свойства не изменяются при низкой температуре, в то время как топливо, содержащее нитроглицерин, становится хрупким в течение 10–15 дней, в зависимости от типа выбранных условий.

4.6.2.Механические свойства

Взависимости от типа выбранного заряда (вкладной или прочно скрепленный) механические характеристики, требуемые от топлива отличаются.

При вкладных зарядах топливо свободно деформируется. Деформации связаны главным образом с хранением и работой двигателя. Что касается материала, то достаточно высокие значения модуля упругости должны быть гарантированы, в частности, при высоких температурах в корпусах тактических ракет.

При прочно скрепленных зарядах топливо связывается с корпусом. Его механические свойства должны быть специально приспособлены к тепловым напряжениям/деформациям, которые имеют место при охлаждении, сразу после отверждения и в течение срока служебной пригодности заряда в составе ракетного двигателя. Деформации, возникающие при работе двигателя, также должны быть приняты во внимание.

Топлива должны иметь достаточно высокий уровень деформации во всем диапазоне температур, которые могут иметь место в процессе условий эксплуатации заряда. В случае тактических ракет особенно важно обеспечить хорошее соотношение между деформациями при низких температурах и значениями максималь-

ного напряжения ( m) и модуля Юнга при высоких температурах. Эти механические свойства, связанные с конструкцией зарядов, определяют область применения твердых ракетных топлив СМСDB/EMCDB и XLDB/НЕПЕ.

Твердые ракетные топлива CMCDB без поперечной сшивки показывают хороший уровень напряжений при высоких температурах, но уровень деформаций при низких температурах неприем-

169

лем для применения в прочно скрепленных зарядах. В результате этого они используются, главным образом, для изготовления вкладных зарядов.

Для этих твердых ракетных топлив, однако, имеется возможность применения в виде прочно скрепленных зарядов в случае увеличения степени пластификации нитроцеллюлозного связующего, включаяупрочненияего сетки засчетпоперечной сшивки (EMCDB).

Твердые ракетные топлива XLDB показывают хороший уровень деформаций (и при низких температурах) и удовлетворительное напряжение при высоких температурах. Следовательно, они довольно хорошо подходятдля изготовленияпрочно скрепленныхзарядов.

Механическая характеристика твердых ракетных топлив.

Систематический контроль механических свойств при растяжении проводится на всех изготавливаемых топливах при температуре окружающей среды и, если необходимо, при низких температурах (–40, –50 °С) и при высокой температуре (приблизительно +60 °С) для топлив, предназначенных для тактических применений. Для более полной характеризациимогутбыть выполнены другие тесты:

одноосное растяжение при различных скоростях (от 0,5 до 500 мм/мин) при разных температурах. Экспериментальные данные позволяют получить основные или главные кривые, необходимые для проектирования твердотопливного заряда;

поведение при ползучести и при релаксации;

одновременные измерения объемных изменений в процессе теста на растяжение, записываемые с помощью газового дилатометра. Этот метод хорошо подходит для определения характеристик адгезии между связующим и наполнителями.

Механическое поведение твердых ракетных топлив

CMCDB. Механические свойства различных твердых ракетных топлив CDB формируются в течение операции отверждения в то время, когда заливочный растворитель диффундирует в гранулы пороха, которые набухают и связываются друг с другом. Чем больше заливочный порох пластифицируется, тем лучше диффузия будет протекать. При температуре отверждения порядка 50–65 °С механические свойства стабилизируются в течение 2–4 дней.

170

Влияние степени пластификации. Введение пластификато-

ра в заливочный порох и регулирование соотношения заливочный порох/заливочный растворитель в процессе заполнения формы обеспечивают возможность получения топлив с широким диапазоном механических свойств.

Рассмотрим случай заливочного пороха, содержащего 45 % твердых наполнителей: может быть введено до 30 % нитроглицерина вместо нитроцеллюлозы. Это замещение вызывает изменение степени пластификации (пластификатор/пластификатор+полимер) топлива в диапазоне приблизительно 50–80 %. Можно видеть, что величина максимального напряжения m уменьшается при всех температурах, деформационные характеристики увеличиваются при низких температурах (рис. 4.6).

Рис. 4.6. Изменение m и m как функции степени пластификации

171

При уровне пластификации 65–70 % максимальное напряжениеm при 65 °С обычно падает до значений ниже чем 0,5 МПа. Это может означать, что такая прочность неприемлема для твердотопливных зарядов и возникает необходимость поперечной сшивки нитроцеллюлознойсетки, чтобыулучшитьмеханические свойства топлива.

Влияние наполнителей. Качество покрытия нитроцеллюлозным связующим является критическим элементом в обеспечении механических свойств конечного топлива. Как и в случае смесевых топлив или топлив XLDB, необходимо оптимизировать реологические свойства связующего и распределение частиц по размерам наполнителей. Кроме этого, качество адгезии связующее – наполнитель зависит также от природы наполнителя. На рис. 4.7 показано изменение объема ∆V/V, записанное с помощью газового дилатометра Фарриса для двух твердых ракетных топлив CMCDB, одно из которых содержит 30 % перхлората аммония, а другое – 30 % гексогена. Оказывается, что составы с перхлоратом аммония показывают лучшую адгезию на границе связующее – наполнитель, чем составы, наполненные нитраминами с идентичными частицами. Расслаивание имеет место только при более высоких деформациях, и общее изменение объема ∆V/V, несомненно, меньше.

Рис. 4.7. Поведение твердого ракетного топлива CMCDB, наполненных 30 % ПХА (▲) и 30 % гексогена (●), оцененное с помощью газового дилатометра Фарриса

172

Специальный случай топлива EMCDB. При степенях пла-

стификации более 65–70 % необходимо поперечно сшить нитроцеллюлозу, чтобы повысить максимальное напряжение ( m) этих перспективных литьевых двухосновных твердых ракетных топлив (CDB) при высоких температурах. Величины деформации при низких температурах получаемых топлив улучшаются, и они могут быть использованы в прочно скрепленных зарядах. Усиление полимерной сетки может быть получено:

либо прямым поперечным сшиванием нитроцеллюлозы;

либо поперечным сшиванием нитроцеллюлозы с небольшим процентным содержанием гидроксилсодержащего форполимера (предпочтительно, сложного полиэфира), этот форполимер вводится в заливочный порох или растворяется в заливочном растворителе до заливки.

Небольшого количества бифункциональных изоцианатов достаточно, чтобы получить увеличение деформационной способности при высоких температурах. Оптимизация достигается при соотношении NCO/OH ниже чем 0,1. Механические свойства EMCDB с 30 % гексогена показывают преимущество поперечного

сшивания для увеличения прочностных ( m) возможностей при 60 °С и эффективность форполимера для улучшения деформаций при –40 °С (табл. 4.8).

Таблица 4 . 8

Влияние поперечного сшивания на механические свойства твердых ракетных топлив EMCDB, содержащих 30 % гексогена

НЦ – нитроцеллюлоза.

173

Механическое поведение топлив XLDB и НЕПЕ. Механиче-

ские свойства этих твердых ракетных топлив также формируются после отверждения, так как эта фаза разрабатывается, чтобы активировать процесс поперечного сшивания связующего.

Конечные механические свойства зависят от состава связующего, наполнителей, вводимых в связующее и режимов технологического процесса. Особое внимание должно быть уделено характеристикам связующих твердых ракетных топлив XLDB, обусловленных высоким содержанием в них пластификатора (вплоть до 70–75 %).

Характеристика связующих твердых ракетных топлив

XLDB. Исследования по совершенствованию связующих для твердых ракетных топлив XLDB показали влияние параметров состава, таких как природа пластификатора и форполимера, природа изоцианатов и катализаторов для поперечной сшивки. На основе результатов измерения плотности поперечной сшивки были выявлены следующие тенденции:

1)увеличение уровня пластификации приводит к уменьшению плотности поперечной сшивки, которая имеет тенденцию значительно падать, когда отношение пластификатор/полимер близко к 3;

2)уменьшение плотности поперечной сшивки также обнаруживается, если увеличивается молекулярный вес форполимера;

3)включение в качестве агентов для поперечной сшивки полиолов с высоким молекулярным весом (например, нитроцеллюлоза и ацетобутират целлюлозы) повышает плотность поперечной сшивки;

4)плотность поперечной сшивки является оптимальной, когда соотношение NCO/OH несколько больше стехиометрического;

5)наблюдается довольно хорошее соответствие между плотностями поперечной сшивки связующего и их механическими свойствами. Возможно установить линейную зависимость между этими двумя параметрами для простых систем с полиоксиэтиленгликолем или полигликольадипинатом.

174

Влияние наполнителей. Как и в случае всех композиционных или смесевых структур, механические свойства связаны с взаимодействием связующего и наполнителя. Если имеется передача напряжений от связующего к наполнителям, то это явление характеризует физическое усиление, вызывая увеличение модуля и в то же самое время приводя к уменьшению деформаций. Способность к наполнению связующих ограничена, и эти пределы, в частности, зависят от природы полимера, содержания пластификатора и природы наполнителей. В табл. 4.9 приведены некоторые типичные значения напряжений m и деформаций m для твердых ракетных топлив XLDB на основе сложного полиэфирного связующего с различными содержаниями наполнителей.

Таблица 4 . 9

Изменение механических свойств твердых ракетных топлив XLDB как функции общего содержания наполнителей

Как и в случае смесевых твердых ракетных топлив на основе полиуретанового связующего, оптимизация механических свойств требует:

подбора распределения частиц по размерам различных выбранных твердых наполнителей;

контроля уровней влажности, который должен быть достаточно низким, насколько это возможно.

175