ниевый порошок подается в контейнер со связующим при непрерывном перемешивании, чтобы гарантировать хорошее перемешивание (это характерно для процесса в SNPE, другие компании могут загружать алюминий в топливную смесь).
Перемешивание является важнейшей операцией в производстве топлива. Операция, с одной стороны, должна быть достаточно продолжительной, чтобы получить гомогенную топливную массу, подходящую для заливки. Однако она является довольно дорогостоящей операцией из-за больших затрат энергии и трудоемкости, поэтому операция должна быть короткой, насколько возможно, без ухудшения качества. В прошлом первые смесители, используемые для производства топлив, были смесителями горизонтального типа (horizontal mixers). Корпус был сделан из нержавеющей стали, чтобы избежать коррозии, вызываемой перхлоратом аммония. Две вращающиеся Z-образные мешалки перемешивают и разрезают смесь. Зазор между стенкой корпуса и краями мешалок очень мал, всего несколько миллиметров, чтобы свести к минимуму число «мертвых» зон, которых мешалки не могут достичь, а интенсивное сдвиговое действие было предназначено для гарантии достижения хорошего уровня гомогенности в смеси.
В некоторых фазах смешения требуется, чтобы смесь была нагрета, в других – охлаждена. Это достигается за счет использования смесителя с рубашкой, в которой циркулирующая жидкость может быть нагретой или охлажденной. Влажность является плохим показателем для всех твердотопливных составов. Все отделения, где находятся смесители, должны быть снабжены кондиционерами, а все смесители должны плотно закрываться крышками. Эта крышка оснащается устройством для вакуумирования, используемым для создания остаточного давления около 10 мм рт.ст.
Летучие компоненты, вода и воздух, закапсулированные в смеси, легко удаляются в ходе операции смешения. В течение последних 15 лет горизонтальные смесители были постепенно заменены на вертикальные смесители с двумя или тремя мешалками с планетарным вращением. Процесс выполнения операций
47
смешения на этих вертикальных смесителях остается в основном неизменным, т.е. выполняется как и в случае горизонтальных смесителей; но гибкость и производительность процесса сильно увеличилась, что обусловлено использованием сменных чаш. Время, требуемое для загрузки и выгрузки смесителей, было сокращено до минимума. Вертикальное положение мешалок полностью исключает прямой контакт подшипников и уплотнений с топливной массой, тем самым предупреждая загрязнения редуктора: облегчается чистка смесителя и обеспечивается высокий уровень безопасности.
Последовательность операций смешения следующая: связующее вначале освобождается от газов, после чего вводится окислитель. Это может быть сделано вручную, повторяя операции несколько раз (в случае небольшого смесителя), или дистанционно, используя бункер, оснащенный вибрирующим лотком или массопроводом, или архимедовым шнеком, в сухой атмосфере.
Это очень важная операция, потому что порядок введения различных фракций окислителя, а также регулирование времени введения определяют вязкость топливной массы. Различные параметры процесса и состав (смачивающие агенты, связывающие агенты, распределение частиц по размерам твердых окислителей, тип алюминия и размер его частиц) оптимизируются, чтобы получить топливную массу, имеющую наименьшую вязкость, насколько это возможно. Необходима оптимальная загрузка смесителя, это может сократить время перемешивания.
На рис. 1.12 приведен пример изменения момента привода смесителя для двух составов топлива, содержащих 90 % твердых наполнителей, но отличающихся используемым связующим агентом.
Введение окислителя является наиболее критической фазой, исходя из безопасности. Топливо в этом случае не является еще гомогенным, а перхлорат аммония в контакте с горючим является чувствительным. Если эта не перемешанная и пористая смесь воспламеняется, то может иметь место явление перехода горения в детонацию.
48
Рис. 1.12. Изменение момента при смешении
Эта операция сопровождается гомогенизацией, предназначенной для улучшения смачивания твердых компонентов связующим и для уменьшения вязкости до уровня, при котором заливка может быть выполнена при благоприятных условиях.
В течение этой операции могут быть отобраны образцы для определения содержания окислителя и скорости горения. Агент для поперечной сшивки и катализаторы полимеризации обычно вводятся последними, за несколько десятков минут до окончания операции смешения. Топливная масса помещается в изотермический контейнер в случае применения горизонтальных смесителей и транспортируется в отделение заливки. В случае вертикального смесителя транспортировка осуществляется в съемной передвижной чаше (корпусе).
Длительное время исследовательская работа была посвящена процессам, которые могли обеспечить непрерывное смешение в отличие от периодического процесса. Поскольку это изменение существенно влияет на весь процесс получения твердотопливных зарядов, то ему будет посвящена отдельная глава.
1.4. Заливка зарядов
Последовательность операций. Существует три основные операции, включенные в процесс формования твердотопливных зарядов:
49
1)заполнение структур и формование центрального канала зарядов;
2)полимеризация или поперечное сшивание топлива. Этот процесс отверждения осуществляется в темперационной камере (печи) или прямо в заливочной шахте, если заряд очень велик;
3)распрессовка, мехобработка центрального канала и торцев, еслинеобходима, иконцевыеоперациидляподготовкизарядаксдаче.
Обычно процесс осуществляется следующим образом. Вначале форма, обычно корпус ракетного двигателя с внутренней поверхностью, полностью покрытой лайнером, заполняется топливной массой, поступающей прямо из смесителя. Это очень деликатная операция. Имеется широкий диапазон топлив, которые могут проявлять различные виды поведения: некоторые топлива текут хорошо, некоторые топлива прилипают к стенкам, некоторые из них являются очень вязкими. Существует также большое разнообразие изготавливаемых изделий – от небольших твердотопливных зарядов для тактических ракет до зарядов для космических или баллистических ракет. Они должны быть качественно отформованы и не должны иметь каких-либо заливочных дефектов. Наиболее широко используется способ, называемый «вакуумным литьем». Альтернативным способом является инжекция под давлением, называемая литьем в пресс-инструмент. Оба этих способа описаны ниже. При производстве твердотопливных зарядов, которые имеют
центральный канал, требуемая форма обеспечивается заливкой с формующей иглой, либо в виде моноблока, либо в виде нескольких сегментов. Игла устанавливается внутри корпуса до отверждения топлива. Эта операция является простой, если игла может быть легко установлена на место и извлечена со стороны одного из торцев твердотопливного заряда. Кроме того, если пространство между стенками сборки и иглой достаточно большая, чтобы позволить топливной массе хорошо течь и для ускорения заливки игла устанавливается до начала операции заливки. Когда этот вариант не реализуется, то формование центрального канала выполняется после завершения заливки в корпус определенной порции
50
топливной массы: игла, заводимая извне, перемещается постепенно в топливо при приложении давления. Промежуточное решение заключается в использовании иглы, состоящей из двух частей. Заряд заливается с первой нижней частью, установленной на требуемое место. Верхняя часть помещается в донной части после завершения заливки.
Реологические характеристики и процессы литья. Выбор процесса литья, размера литьевых устройств и определение режимов литья зависит, помимо размера и формы будущего заряда, от текучести незаполимеризованной топливной массы. Текучесть топливной массы при вакуумном или инжекционном литье обусловлена законом реологического поведения. Этот закон специфичен для каждого состава и связывает напряжение сдвига r как функцию нагрузки, накладываемой на материал (такой как давление, сила тяжести и др.), с получаемой скоростью деформации или сдвига .
Текучесть топливной массы определяется с помощью реометра прибора с вращающимся цилиндром, помещенным в цилиндрический корпус. Задается скорость вращения цилиндра , замеряется и записывается величина получаемого момента M. Используя кривую зависимости M как функции , превращаемой в зависимость напряжения сдвига (Па) как функции скорости сдвига
(с–1) определяют закон = f ( ).
Точная графическая зависимость также необходима для низких сдвиговых условий ( < 1 с–1), соответствующих условиям,
которые типичны для свободного литья. Вязкость определяется для данной скорости сдвига как отношение / . Типовые примеры
реограмм представлены на рис. 1.13.
Имеются три основных типа поведения топлива:
1)ньютоновское поведение: вязкость топлива является постоянной и поэтому независимой от режимов литья;
2)псевдопластичное поведение: вязкость топливной массы уменьшается при увеличении напряжения сдвига. Эта особенность
51
проявляется регулярно, хотя и выражается в большей или меньшей степени. Такая топливная масса плохо растекается, но перерабатывается удовлетворительно по технологии литья под давлением плохо (die-casting);
Рис. 1.13. Типовые реограммы как функции времени после ввода поперечно сшивающего агента
3) дилатантное поведение; в противоположность псевдопластичному вязкость этого топлива увеличивается с увеличением скорости сдвига. Это поведение проявляется крайне редко. Такое топливо при переработке представляет большие трудности, особенно при инжекции.
Знание закона поведения топливной массы позволяет получить информацию, необходимую для выбора процесса литья топлива и определение условий, при которых оно должно иметь место. Закон позволяет предсказать скорость течения топливной мас-
52
сы в существующих отделениях литья и рассчитать число зарядов, которое можно залить за период времени, сопоставимый с периодом жизнеспособности топлива.
1.5. Описание основных процессов литья зарядов
Процесс вакуумного литья под действием силы тяжести.
Самым старым процессом является процесс литья под вакуумом (рис. 1.14). Форма, которая в большинстве случаев представляет собой корпус с термоизоляцией и покрытием изнутри лайнером помещается в барокамеру, которая может быть прогрета. В барокамере создается вакуум с остаточным давлением 10–30 мм рт. ст. Основная цель – обеспечить полную дегазацию топливной массы и условия формования зарядов без внутренних дефектов и пустот.
Рис. 1.14. Вакуумное литье
В соответствии с размером изготавливаемого заряда барокамера может представлять либо «шкаф» или «колокол» для малых
53
и средних габаритов зарядов либо заливочные шахты для крупногабаритных зарядов для космических ускорителей или баллистических ракет. Чаша с топливной массой (casting bowl) помещается над барокамерой. Она соединяется с верхней частью барокамеры с помощью массопровода. Конец этого массопровода входит в барокамеру над заполняемым корпусом. Он оснащается решеткой. Эта решетка делит топливную массу на полосы или шнуры при заливке, чтобы гарантировать эффективное дегазирование топлива.
Решетка также организует поток топливной массы таким образом, чтобы он падал прямо и относительно хорошо распределялся между иглой и корпусом в случае зарядов с центральным каналом. Из-за перепада давлений между чашей с топливной массой и барокамерой топливная масса течет непрерывно из чаши в литьевую форму. В зависимости от конструкции решетки поток, проходя ее, принимает форму лент или полос, которые укладываются внутри формы и растекаются под действием собственного веса. Выбор скорости заливки зависит от принятия компромиссного решения. Высокая скорость заливки максимально сократит время производственного цикла и позволит избежать значительного увеличения вязкости, связанного с процессом отверждения. Относительно медленное течение заливки обеспечит достаточную дегазацию топливной массы при прохождении ее через решетку и растекание внутри корпуса, что необходимо для высокого качества заливки.
Выбранные скорости заливки являются функцией геометрии зарядов и изменяются от нескольких килограммов в минуту для небольших зарядов до нескольких сотен килограммов в минуту для крупногабаритных зарядов.
Процесс литья под действием силы тяжести продолжает широко использоваться и в настоящее время, потому что он в полной мере удовлетворяет требованиям литья топлива. Он является относительно простым процессом, хорошо подходящим для переработки больших количеств топлива. В этом процессе соблюдаются все требования по обеспечению безопасности, учитывается чувствитель-
54