Ракетные твердые топлива. Ракетные двигатели на твердом топливе

2)металлической заливочной обечайки или трубы, которая обеспечивает получение наружной формы заготовки твердотопливного заряда;

3)металлической иглы, чтобы отформовать центральный канал зарядов с радиальным режимом горения;

4)верхней сборки для уплотнения формы, которая включает в себя систему вакуумирования и систему для наблюдения, позволяющую вести контроль за подачей заливочного растворителя.

Плотность упаковки заливочного пороха обычно должна быть около 65 %. Она является показателем:

размера зерен заливочного порошка, теоретические расчеты показывают, что упаковка зерен является оптимальной, когда отношение длины к диаметру близко к единице;

способа, с помощью которого заливочный порошок (порох) вводится, для лучшего заполнения форм используются различные способы: применение вибрации, последовательно установленных сит, решеток по спирали в загрузочной воронке;

характеристики самого заливочного порошка; плотность

исостояние поверхности, в свою очередь зависит от производственных условий, качества нитроцеллюлозы, содержания нитроглицерина в составе порошка (пороха).

Сразу после заполнения формы порохом следует операция дегазации, выполняемая при разрежении и при температуре окружающей среды и продолжающаяся в течение нескольких часов,

что способствует удалению остаточных летучих растворителей и воздуха, содержащегося в форме.

Заливка. Заливка заключается в инжекции заливочного растворителя в нижнюю часть основания формы, служащей в качестве распределительной камеры, и последующего прохождения растворителя через слой пороха (порошка).

Промежутки между зернами заливочного пороха заполняются заливочным растворителем или желатинизирующей жидкостью. Исследование моделирования этой фазы позволило обнаружить значительные вариации в поведении, в зависимости от состояния желатинизации и природы заливочных порохов.

111

Отверждение. После заливки содержимое формы подвергается процессу отверждения. Это ускоряет желатинизацию нитроцеллюлозы заливочным растворителем. Диффузии растворителя помогает присутствие молекул триацетина, которые обладают значительным сродством к нитроцеллюлозе. Это явление соответствует более или менее активным взаимодействиям между пластификатором и нитроцеллюлозой и вызывает небольшой экзотермический эффект.

Процесс отверждения состоять из одной фазы отверждения либо из двух различных.

Предварительное отверждение 24–72 ч при температуре приблизительно 40–45 °С позволяет зернам пороха абсорбировать максимальное количество растворителя, оно необходимо, чтобы привести их в набухшее состояние. В течение фазы предварительного отверждения заливочные пороха становятся достаточно желатинизированными и сросшимися друг с другом частицами, что позволяет удалить избыточный заливочный растворитель. Это необходимо, чтобы избежать риска разложения нитроглицерина в избыточном количестве жидкости в течение второй операции отверждения.

Второй фазой является собственно процесс отверждения, который завершается миграцией растворителя в середину волокон нитроцеллюлозы.

Втечение процесса отверждения после нескольких дней весь заряд приобретает гомогенную структуру. Топливо достигает своих конечных механических и баллистических свойств. Продолжительность всей операции более чем 72 ч при температуре от 50

до 65 °С (рис. 3.3).

Впроцессе отверждения топливо подвергается объемным изменениям, которые зависят от условий дегазации пороха и растворителя. Эти изменения соответствуют, главным образом, заполнению микропор гранул заливочного пороха (рис. 3.4).

Разборка формы. Разборка формы заключается в удалении иглы из твердотопливного заряда и извлечения заряда из заливочной трубы.

112

Механическая обработка. Концы твердотопливного заряда должны быть удалены из состава, который несколько отличается структуры заряда, что обусловлено тем фактом, что они находились вблизи избыточного растворителя на фазе предварительного отверждения. Заряд затем разрезается на соответствующие размеры путем использования тех же приемов, что и в случае экструдируемых двухосновных топлив.

Бронирование. Бронирование двухосновных литьевых твердых ракетных топлив является таким же, как и в процессе, описанном для экструдируемых топлив.

В некоторых случаях используются другие приемы, когда возможно это сделать (небольшие или среднего размера снаряды с относительно постоянным и простым внешним профилем). Эти приемы включают в себя заливку топлива прямо в чехол бронепокрытия, используемый в качестве изолятора литьевой формы. Эта операция имеет следующие два преимущества:

1)механическая обработка уже не нужна, потому что заряды заливаются прямо в требуемый размер (за исключением длины заряда);

2)не требуется конечная операция бронирования.

3.7.4. Другие процессы

Изменение состава литьевых двухосновных твердых ракетных топлив для улучшения энергетических характеристик привело к некоторым видоизменениям процесса. На фазе предварительного смешения в нитроцеллюлозу вводится нитроглицерин. Исключается фаза удаления воды, так как высокое содержание пластификаторов приводит к исключению применения летучих растворителей.

Метод шнековой экструзии может упростить процесс получения заливочного пороха. Характеристики топлив, полученных с таким заливочным порохом, подобны характеристикам топлив, полученных по обычному процессу.

Современные изделия. Метод литья позволяет получать твердотопливные заряды фактически без ограничения по форме, за ис-

114

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