- •ВВЕДЕНИЕ
- •2.1. Виды порохов и требования к ним
- •2.2. Свойства порохов
- •3.1.Формулировка геометрического закона горения
- •3.2.Быстрота газообразования
- •3.4. Пороха прогрессивной формы
- •4.2. Особенности горения порохов с узкими каналами
- •5.1. Определение силы пороха и коволюма пороховых газов
- •5.3. Определение скорости горения пороха
- •6.1. Баланс энергии при выстреле
- •6.2. Основные энергетические характеристики выстрела
- •2. УСТРОЙСТВО РДТТ
- •2.1. Корпус камеры сгорания
- •2.3. Теплозащитное покрытие
- •2.4. Твердотопливные заряды ракетных двигателей
- •2.5. Бронирующие покрытия
- •3.3. Взаимосвязь параметров ракеты, двигателя и топлива
- •3.3. Влияние параметров ракеты и двигателя на режим полета
- •4.2. Упрощенная модель внутрикамерных процессов
- •4.3. Особенности горения зарядов РДТТ
- •4.6.2. Гашение заряда вводом хладоагента
- •5. ОГНЕВЫЕ СТЕНДОВЫЕ ИСПЫТАНИЯ РДТГ
3.4. Пороха прогрессивной формы
Порохами прогрессивной формы называют такие пороха, у которых поверхность по мере сгорания возрастает. Чтобы поверхность при горении возрастала, зерно достаточной длины должно иметь несколько каналов (три и более), каждый из которых горит с возрастанием поверхности.
Рассмотрим три наиболее типичные формы пороха: цилиндрическое зерно с семью каналами, зерно Уолша и порох Киснемского.
Цилиндрическое зерно с семью каналами (рис. 9). Практикой уста новлены следующие соотношения: диаметр канала выбирают равным толщине горящего свода d0 = тогда диаметр зерна Do=-3do + 8ei = 1 \e]t
Длина порохового зерна в 2,0.. .2,5 раза больше диаметра.
Рис. 9. Семиканальный пороховой элемент:
а - до начала горения, б - в момент распада
При горении порохового зерна со многими каналами наблюдается распад зерна, в нашем случае на шесть маленьких внутренних и шесть больших наружных секторов, которые горят с резким убыванием поверх ности. Основными характеристиками порохов, горящих с распадом, явля
ются относительная поверхность в момент распада as, сгоревшая к этому моменту времени часть заряда vj/s и толщина элементов распада р.
Распад зерна наступает при z8 = e/ej = 1, а конец горения соответству ет концу горения элементов распада, когда ек = ei+p, т. е. zK> 1. Характе ристики семиканального зерна при стандартных размерах следующие:
08=58/51=1,37, \|/8=0,85, Zk=1,532, pB„=0,23ei, p„ap=0,532ei. Следовательно, горение порохового зерна с 7 каналами распадается на 2 фазы. Первая фаза - z меняется от 0 до 1, до распада зерна сгорает 85 % пороха, горение идет с возрастанием поверхности до os=l,37. Вторая фаза - z меняется от 1 до zk = 1,532, ц/ меняется от 0,85 до 1, поверхность убывает до ак=0.
При горении такого зерна в орудии конец горения переносится даль ше к дульному срезу, а иногда продукты распада даже выбрасываются не догоревшими.
Выражения для i|/=7(z) и o=J{z) по форме остаются теми же, что и для дегрессивных порохов: \|/ = x^l+^r+pz2), ст = 1+Az+pz2, но знаки и числен ные значения коэффициентов х Д и р будут иными: х<Ь ^>0 и р<0.
Распад порохового зерна и дегрессивное горение во второй фазе яв ляются недостатком, присущим всем порохам прогрессивной формы.
Зерно Уолша также имеет семь каналов db=^i, 2c=(2,0...2,5)do, но наружняя поверхность образуется шестью цилиндрическими поверхностями, описанными из центра каждого из шести наружных каналов радиусами r=(do/2)+2ei=5e\/2.
Распад порохового зерна наблюдается и здесь (в момент распада об разуется шесть внутренних и шесть наружных почти одинаковых призмочек), но относительный объем продуктов распада гораздо меньше - около 5%. Зерно Уолша характеризуется следующими величинами:
р=0,23еь |
zk=l,23; |
M/s =0,95; |
as=l,37. |
Зерно Киснемского - |
пороховое |
зерно высокой |
прогрессивности |
квадратного сечения с большим числом (до 36) квадратных каналов. По мнению Киснемского, такое зерно должно гореть без распада. Это осно вывается на неверном допущении, что горение из углов канала (по диаго нали) идет с большей скоростью, чем в остальных направлениях. На самом деле, горение из углов квадрата в направлении диагонали идет с той же скоростью, что и по нормалям к сторонам квадрата, образуя при каждом угле концентрические четверти окружностей. В результате в сечении обра зуется квадрат со скругленными углами, что приводит к образованию про дуктов распада и в этом зерне.
Для зерна с 36 каналами характерны следующие величины опреде
ляющих параметров: \|/s= 0,9; р = 0,41е\; zk = 1,41; os = 2.
Таким образом, согласно геометрическому закону горения прогрес сивность формы увеличивается с возрастанием числа каналов, с уменьше нием диаметра каналов при той же толщине бруска и с увеличением дли ны бруска. Однако практика показала, что имеется расхождение между выводами, полученными на основе геометрического закона горения, и фактическим горением пороха с узкими длинными каналами.
4. Ф И З И Ч Е С К И Й З А К О Н Г О Р Е Н И Я
Геометрический закон горения сыграл большую роль в развитии теоретической и практической внутренней баллистики, позволив разрабо тать сравнительно простые методы решения ее самых разнообразных за дач. Но по мере внедрения в практику новых форм порохов (длинная трубка с каналами, зерна со многими узкими каналами, флегматизирован-
ные пороха), по мере усложнения артиллерийской техники (увеличение
габаритов каморы и канала ствола) стали накапливаться факты значитель ного отклонения горения от геометрического закона:
1. Обнаружилось, что масса пороха, получаемая при его фабрикации, не вполне однородна, размеры отдельных зерен отклоняются от среднего; горение заряда, состоящего из сотен, а иногда и тысяч зерен, протекает несколько иначе, чем горение одного среднего зерна.
2. Воспламенение не происходит мгновенно. Оно зависит от приро ды и состава продуктов горения воспламенителя (ДП, пироксилин), от природы воспламеняемого пороха (нитроглицериновый порох воспламе няется хуже, чем пироксилиновый), от формы и расположения пороховых элементов, составляющих заряд (трубки, зерна), от состояния поверхно сти элементов (гладкая, шероховатая). В результате действительное горе ние пороха даже простой формы получается более дегрессивным, чем это следовало бы по геометрическому закону горения.
3. Вследствие чрезвычайной быстроты процесса горения пороха в объеме каморы или манометрической бомбы происходит местное повы шение скорости горения, а вместе с тем местное увеличение быстроты га зообразования d\\f/di.
4.Перегородки в заряде (ткань мешочков) и беспорядочное распо ложение пороховых элементов в гильзе приводят к замедлению воспла менения заряда, что не может быть учтено геометрическим законом.
5.Особенно резкое расхождение между теоретическими выводами на основе геометрического закона горения, опытами в манометрической бомбе и результатами стрельб было обнаружено для пороха Киснемского с
большим числом узких и длинных каналов. Несмотря на высокую про грессивность формы, этот порох не показал каких-либо преимуществ пе ред трубчатым порохом или порохом с семью каналами.
На основе анализа полученных результатов были установлены опре деленные закономерности горения порохов в разных условиях, объяснены причины отклонений горения пороха от геометрического закона, выясне ны причины неудовлетворительной прогрессивности горения порохов Киснемского и теоретически обосновано неравномерное горение порохов с узкими каналами.
Совокупность представлений о действительном законе горения порохов, полученных на основе обработки опытных кривых давления в манометрической бомбе и результатов стрельб, называют физиче ским законом горения.
Введена специальная опытная характеристика прогрессивности го рения Гоп, которая представляет собой относительную часть пороха, пре вращающуюся в газы в единицу времени при давлении 1 МПа. Все зна
чения входящих в нее величин непосредственно снимаются с кривой
давления p(t), получаемой в результате опытов в манометрической бомбе. Порядок определения величины Гоп будет рассмотрен в главе «Полный баллистический анализ порохов по опытам в манометрической бомбе».
Гоп Дает оценку прогрессивности горения: |
|
|
- если Гоп возрастает, |
то порох горит |
прогрессивно, независимо |
от того, какая у него форма; |
|
|
- если Гоп убывает, то |
порох горит дегрессивно, с убыванием ин |
|
тенсивности газообразования. |
|
|
Если кривая Гоп не совпадает с Гт, то в местах расхождения имеются |
||
отклонения от геометрического закона горения. |
Если геометрический за |
|
кон подтверждается на опыте, то Гоп = Гт. |
|
Опыты показывают, что короткие трубки, ленты и крупные квад ратные пластины пироксилинового пороха при горении в основном да ют одинаковый характер отклонений от геометрического закона горения и одинаковый вид кривых Гоп. Кривая Гт, начинаясь с максимума, соот ветствующего мгновенному охвату пламенем всей поверхности, затем должна непрерывно и медленно убывать в связи с убыванием поверхно сти. Кривая Гоп начинается ниже Гт, быстро растет, пересекает Гт>подни мается до Гоп max, при \j/ - 0,3 сближается с Гт , при у = 0,85...0,9 резко убывает (рис. 10).
Рис. 10. Опытные и теоретические кривые удельной
интенсивности газообразования порохов дегрессивной формы
На рис. 10 можно выделить четыре фазы, характерных для пирокси линовых порохов:
I фаза - процесс постепенного воспламенения пороха;
II фаза - |
увеличенное газообразование за счет ускоренного горение |
наружных слоев пороха; |
|
III фаза |
- нормальное горение, соответствующее геометрическо |
му закону; |
|
IV фаза - |
быстрое убывание Гоп в конце горения, т.е. уменьшение |
горящей поверхности при постепенном догорании все более толстых эле ментов пороха после сгорания элементов наименьшей толщины. Конец горения соответствует сгоранию наиболее толстого элемента в заряде. На вид этого участка влияет естественная разница в толщинах элементов за ряда, получающаяся в процессе фабрикации пороха.
Рассмотрим подробнее первые две фазы.
I ф а з а. Максимум Гоп соответствует полному воспламенению всей поверхности заряда. Чем меньше давление воспламенителя, тем с мень шей величины Гоп начинается кривая и к моменту Гоп тах сгорает значи тельная часть заряда.
Неодновременное воспламенение поверхности заряда и частичное начало горения одних элементов, пока другие еще не загорелись, вносит дополнительную разницу в толщину сводов к моменту полного вос пламенения, а это сказывается на увеличении разницы в толщинах элементов и в последней фазе горения.
Опыты в бомбе подтвердили, что по мере увеличения давления'вос пламенителя Гоп смещается к началу горения, а начало IV участка сдвига ется к концу горения, т. е. большая часть заряда горит однообразно. Под бирая ленты одинаковой толщины и применяя мощный воспламенитель, можно получить Гоп с очень малым IV участком догорания и Г0„, стремя щуюся не к нулю, а к конечной величине. Следовательно, с увеличением давления воспламенителя ускоряется воспламенение и кривая Гоп при
ближается к Гт. Процесс воспламенения ускоряется, если поверхность по роха шероховатая, и замедляется, если поверхность полированная.
На скорость воспламенения |
большое влияние оказывает устрой |
||||
ство заряда |
и |
форма |
воспламеняемого |
пороха. Заряд зерненного мел |
|
кого пороха |
воспламеняется труднее, чем |
заряд трубчатого пороха, у ко |
|||
торого каналы и |
зазоры |
являются |
путями для прохода продуктов горения |
||
воспламенителя |
от одного конца каморы до другого. |
II ф а з а. Скачок на кривой Гоп наблюдается при горении пироксили
новых порохов на летучем растворителе. Чем толще порох, тем выше и рез че скачок. При горении пороха на твердом растворителе (пироксилин + тротил) такого скачка не наблюдается. Для баллиститов характерен не большой скачок.
Одной из причин появления скачка кривой Гоп, свидетельствующего об ускоренном горении наружных слоев пироксилиновых порохов при срав нительно небольших давлениях (до р ~ 60 МПа) является образование пористости наружных слоев пороха при его вымочке. Чем толще пирокси линовый порох, тем больше время вымочки, тем больше разница в скоро стях горения наружных и внутренних слоев, тем резче скачок кривой Гоп.
Другой причиной появления скачка может быть ускоренное горение наружных слоев пороха при малых давлениях, когда при малой общей ско рости горения вступающие в реакцию горения наружные слои пороха ус певают прогреться на большую глубину и до более высокой температуры. В результате этого увеличивается толщина реагирующего слоя и единичная скорость горения и\, так как она зависит от этой толщины.
Применение функции Гоп при анализе горения позволило:
- обнаружить перераспределение нитроглицерина в порохах;