книги / Термодинамическое проектирование баллиститных артиллерийских порохов и твердых ракетных топлив

Механизм их действия - торможение процесса разложения пороха в кон­

денсированной фазе за счет поглощения части тепла. Наиболее распро­

метакрилат (ПММА), фторопласты-3 и -4, железоаммонийфосфат (ЖАФ) и др. В отдельных порохах содержание ингибиторов может достигать 13%.

Для увеличения энергетики АБП в их состав вводят мощные ВВ, а в состав БРТ - ВВ или порошкообразное металлическое горючее. Энергети­ ческие добавки тем эффективнее в составе БП, чем выше энтальпия их образования и ниже молекулярная масса конечных продуктов разложения. Наиболее эффективны взрывчатые вещества - циклотриметилентринитрамин (гексоген), циклотетраметилентетранитрамин (окгоген), диэтанолнитраминдинитрат (дина), а из металлов - сплавы ПАМ-4 (50% А1 и 50% Mg), АМД-10 (90% А1 и 10% Mg) и др.

Для улучшения технологических свойств порохов - снижения удель­ ной силы внешнего трения по металлу и снижения или повышения вязко­ сти (в зависимости от композиции) - в их состав вводят технологические добавки: индустриальное (вазелиновое) масло (до 1%), стеарат цинка - цинк стеариновокислый (0,015...0,025 сверх 100%), натрий стеариновокис­ лый (стеарат натрия), парафин, графит, сажа, фторопласты и др. На фазе приготовления пороховой массы используются добавки поверхностно­ активных веществ для получения стойких эмульсий и суспензий: сульфорицинат Е - сульфинированное касторовое масло, желатин и др.

Специальные добавки служат для придания порохам тех или иных отличительных свойств. Так, в составы малопламенных топлив для авиа­ ционных ракет вводят пламегасящие добавки: азотнокислый и сернокис­ лый калий, гексанитрокобальтат калия. В составы плазменных топлив вхо­

дят ионизирующие добавки: азотнокислый цезий и азотнокислый калий. Высокоплотные топлива содержат гидриды титана и циркония.

Характеристики компонентов АБП и БРТ, необходимые для термо­ динамического проектирования состава, приведены в табл. 4 приложения.

3. РАСЧЕТ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИХ И ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ПОРОХОВ И ТРТ

3.1. Вызов программного комплекса и его настройка перед проведением расчетов

Для вызова программного комплекса необходимо перейти в каталог ASTRA и вызвать файл ASTRA.EXE. После загрузки программы на экране дисплея появится заставка с бегущей строкой и после нажатия любой клавиши начнется ее выполнение.

В центре экрана появится вопрос: Нужен вывод на печать? Допус­ тимыми утвердительными ответами на этот вопрос являются Д[а] и Y[es]. Нажатие любой другой клавиши, включая клавишу <Enter>, равносильно ответу "Нет" При желании получить документ с результатами проведен­ ных расчетов пользователь должен привести в готовность печатающее уст­ ройство.

Следующий этап подготовки программного комплекса к работе на­ чинается с вопроса: Источник ввода данных. Одновременно высвечива­ ется стандартный ответ "дисплей", который предполагает, что ввод ис­ ходных данных будет производиться с клавиатуры и подготовленное зада­ ние на расчет после проведения вычислений не сохраняется. Если этот ответ удовлетворяет пользователя, то для подтверждения ему достаточно нажать клавишу <Enter>. В противном случае должно быть набрано имя того файла, где находятся заранее подготовленные входные данные (если

нужно, то и путь доступа к файлу). По окончании набора нажимается кла­ виша <Enter>.

Затем пользователю задается вопрос: Вы хотите сохранить резуль­ таты? Допустимыми утвердительными ответами на этот вопрос являются Д[а] и Y[es]. Нажатие любой другой клавиши, включая клавишу <Enter>, равносильно ответу "Нет" Вместе со следующим вопросом: Куда запи­ сать результаты (путь \ имя Файла)? на экране появляется имя Astra.res, которое предлагается использовать по умолчанию. Нажатием клавиши <Enter> предложение принимается, при этом теряется информа­ ция, ранее записанная в файл Astra.res. Чтобы сохранить ее, следует адре­ совать результаты в другой файл. Для этого вместо Astra.res набирается любое имя файла и нажимается клавиша <Enter>.

Формат данных для вывода в файл устанавливается при ответе на вопрос: Формат вывода (1 - числовой или 2 - символьный). Если в ка­ честве ответа нажать «1», то записываться в файл будут только числовые значения характеристик равновесия в той последовательности, в какой они выводятся на экран дисплея. Равновесный состав заноситься в файл не бу­ дет. При ответе «2» в дисковый файл будут выводиться входные данные и все те результаты, которые пользователь видит на экране дисплея. Реко­ мендуется ответ «2».

На этом настройка программного комплекса завершается и на экране дисплея раскрывается окно текстового редактора, в котором готовятся директивы к расчету и формулируется условие задачи.3

3. 2. Подготовка входных данных Исходная информация для расчета состава и параметров равновесно­

го состояния включает в себя данные трех типов:

1) директивы к конкретному варианту расчета, которые служат для

настройки программы (первая строка); 2) термодинамические параметры, определяющие равновесное со­

стояние системы (вторая строка); 3) собственно исходные данные, в которых задают элементный сос­

тав рассматриваемой термодинамической системы и термодинамические свойства индивидуальных веществ - теплоту образования и плотность.

3.2.1. Директивы к расчету

Входная информация к каждому расчету начинается с директив, ко­ торые определяют специальные требования к вводу-выводу и служат для

настройки алгоритма.

Все директивы начинаются знаком <, за которым следует не менее трех символов, определяющих действие директивы. При записи директив строчные и прописные буквы равнозначны. Список директив может зани­

мать произвольное число строк и начинаться с любой позиции. Пробелы разрешены в любом месте. Замыкать список директив должен символ >. Исходные данные, следующие за ним, начинаются с новой строки.

Перечень допустимых директив:

<InSi <Inte - указание на то, что величины исходных данных зада­

ются в системе СИ или в технической системе единиц. При использовании директивы <InSI (или по умолчанию) предполагаются следующие размер­

ния СИ или в технической системе единиц.

<PrfulI - вывод равновесных концентраций для всех компонентов термодинамической системы, участвовавших в расчете.

<Prdom - только для преобладающих (доминирующих) компонен­ тов в рассматриваемых условиях.

< Ion <Noion - по первой директиве расчет производится с учетом

возможности образования ионизированных компонентов, а по второй ди­ рективе эта возможность исключается, даже если в базе данных присутст­ вуют свойства заряженных индивидуальных веществ.

директив выполняется последняя. Например, если во входных данных ис­ пользовать запись <Noion<Ion>, то будет выполняться директива <1оп.

П р и м е р . Директива <INTE<PRTE<PRR <NOION>PRDOM> предусматривает ввод-вывод данных в технической системе единиц, вы­ вод в объемных долях компонентов, преобладающих в данной системе без учета возможности образования ионизированных компонентов.

3.2.2. Исходная информация к расчету При записи исходной информации строчные и прописные буквы

равнозначны. Данные могут занимать произвольное число строк и начи­

наться с любой позиции. Пробелы разрешены в любом месте. Замыкать

исходную информацию должен символ ;

Термодинамические параметры, определяющие равновесное со­ стояние системы. В качестве названий термодинамических параметров, определяющих условия равновесия исследуемой системы, применяются символы Р, Т, V, S, I, U, которые используются для обозначения соответст­

венно давления, температуры, удельного объема, энтропии, энтальпии и внутренней энергии.

При задании значений термодинамических параметров за названием должен следовать знак =, а после него через запятую указываются требуе­ мые величины в форме целых чисел или чисел с десятичной точкой (нельзя использовать запись, когда для обозначения порядка числа применяются

символы Е или G).

На каждое число отводится до 20 позиций; вслед за именем термо­ динамического параметра может быть указано до десяти его значений,

разделенных запятыми.

П р и м е р : / = -312.7, />=100.

Для расчета процесса в канале ствола артиллерийского орудия берет­ ся давление, равное 300 МПа (3000 атм). При расчете процесса в камере сгорания РДТТ Р = 4 МПа (40 атм). Внутреннюю энергию системы зада­ ем равной нулю. Для артиллерийского варианта эта строка имеет вид

/> = 300, U= 0,

Для ракетного варианта кроме давления задается площадь критического сечения сопла и энтальпия, например:

Р =4, FOTН = 5.29, / = 0,

Эта строка заканчивается запятой, а в следующей строке вводится содер­ жание химических элементов в исследуемой системе; теплота образования и плотность в квадратных скобках, разделенные знаком «$».

Содержание химических элементов в исследуемой системе: На­

звания элементов изображаются общепринятыми символами Периодиче­ ской системы Менделеева. За названием каждого элемента в строку за­ писывается его стехиометрический коэффициент. Это - или целое число, равное числу атомов данного элемента в индивидуальном веществе:

(17.3 %C3H5O9N3[-390.5 $ 1600]),(5 %С16Н2204[-765.1]),

или количество грамм-атомов данного элемента в 1 кг индивидуального вещества:

(57 %C22.8703H29.6283O36.036N8.4883[-662.37 $ 1660]). Информация о каждом простом веществе заключается в круглые

скобки и включает следующие разделенные знаком % данные:

-массовая доля простого вещества в смеси;

-химическая формула простого вещества (возможно с дробными стехиометрическими коэффициентами).

Скобки с заключенной в них информацией о простом веществе отде­ ляются друг от друга запятыми. Количество простых веществ ограничено двадцатью, а каждое простое вещество не должно содержать более 10 раз­ личных химических элементов. Общая сумма массовых долей простых ве­ ществ может отличаться от единицы или 100.

После введения информации о химическом составе простых веществ внутри круглых скобок в квадратных скобках вводятся еще две величины - энтальпия образования и плотность вещества в исходном состоянии. На­ пример (100 %С22.8703Н29.6283036.036N8.4883[-662.37 $ 1660]).

Энтальпия образования должна иметь размерность кДж/кг или ккал/кг в зависимости от директивы ввода (InSI или Inte), для плотности всегда предполагается размерность м3/кг. Значение энтальпии образования предшествует значению плотности и отделяется от него знаком $ (денеж­ ной единицы).

Допускается указание в квадратных скобках только одного числа - энтальпии образования (внутренней энергии).

Например (100%C3H5O9N3[-1635]>.

Внимание! Стехиометрические коэффициенты, равные единице, при выводе результатов на экран дисплея, печатающее устройство и в диско­ вый файл (в отличие от ввода) для удобства восприятия опускаются.

3.2.3. Работа в окне встроенного текстового редактора

Входные данные к расчету подготавливаются или непосредственно в окне встроенного текстового редактора, или заранее в любом редакторе, работающем в MSDOS (но не в WORD или других редакторах Windows).

Файлы исходной информации имеют следующий вид:

для артиллерийских порохов (на примере НДТ-3) - директивы к расчету:

<INTE<PRTE<PRR<PR1 <NOION>PRDOM>;

-давление газов в стволе артиллерийского орудия и энергия системы: /> = 3000, (7=0;

-элементный состав пороха:

(56 %С22.8703Н29.6283036.036N8.4883[-662.37 $ 1660]) - 56 % НЦ; (26.5 %C3H509N3[-390.5 $ 1600]) - 26,5 % НГЦ;

(9% C7H604N2[-94.5 $ 1372]) - 9 % ДНТ; (4.5 %С 16Н2204[-765.1 $ 1050])-4,5 % ДБФ;

(3 %C15H1601N2[-72.8 $ 1200]) - 3 % централита 2;

(1 %С70.6Н150.6[-679 $ 880]) - 1% вазелинового масла;

для ракетных топлив (на примере НДТ-ОМК) - директивы к расчету:

<INTE<PRTE<PRR<PR 1 <ION>;

- давление в камере ракетного двигателя, площадь сечения сопла и энтальпия газов:

Р - 40, FOTH= 5.29, / = 0;

- элементный состав топлива:

(57 %C22.8703H29.6283O36.036N8.4883[-662.37 $ 1660]) - 57% НЦ;

(17.3 %C3H509N3[-390.5 $ 1600]) - 17,3% НГЦ; (5 %С16Н2204[-765.1]) - 5% ДБФ;

(15.7 %C7H604N2[-94.5$1372]) - 15,7% ДНТ;

(3 %С 17Н20ОlN2[-93.5$1200]) - 3% централита 1;

(1 %С70.6Н150.6[-679$880]) - 1% вазелинового масла; (0.5 %СШ01[-1945$6400]) - 0,5% окиси меди;

(0.5 %CalС103[-2881 $2800]) - 0,5% мела.

Если при настройке на расчет очередного варианта предусматривает­ ся ввод с клавиатуры дисплея, то это окно предварительно программно очищается. Входные данные создаются пользователем заново, после чего они используются для расчетов и затем уничтожаются.

При вводе исходных данных из файла в окно вызывается его содер­ жимое. Переписанная информация в ходе подготовки входных данных мо­ жет произвольным образом видоизменяться и после окончания редактиро­ вания вновь записывается на диск под тем же именем, тем самым замещая старое содержимое файла. Если в качестве входного файла названо несу­ ществующее имя, то такой файл создается заново и подготовленная в окне текстового редактора информация сохраняется.

Для отображения символов, внесенных из файла, используется свет­ ло-серый цвет на черном фоне. Литеры, введенные с клавиатуры, высвечиваются с повышенной яркостью.

Нажатие любой из алфавитно-цифровых клавиш вызывает занесение соответствующего символа в позицию под курсором. Информация справа

сдвигается, если только это не вызывает "выталкивания" за пределы окна какого-либо значащего символа.

Клавиши-стрелки перемещают курсор.

Нажатие клавиши <Ins> переводит текстовый редактор из режима

вставки в режим замены. Повторное нажатие <IDS> восстанавливает режим вставки.

Клавиши <Ноте> и <End> помещают курсор соответственно в на­

чало и в конец строки.

Клавиша <DeI> удаляет символ, находящийся в позиции курсора. В режиме вставки одновременно "подтягиваются" литеры, расположенные справа. Клавиша <Backspace> работает так же, но удаляет символ, распо­ ложенный слева от курсора. Нажатие клавиши <Del>, когда справа от кур­

сора нет ни одного символа и следующая строка пуста, вызывает удаление строки (все нижерасположенные строки поднимаются вверх).

Нажатие клавиши <Enter> вызывает "разрыв" строки, в которой на­ ходится курсор. Символы, находящиеся слева от курсора, остаются на ста­ ром месте, а остальные переносятся в начало вновь созданной строки. Та­

кое построчное раздвигание текста возможно до тех пор, пока свободна нижняя, 12-я строка.

После завершения ввода данных нажатием клавиши <Esc> запуска­

ется выполнение расчетов.

3.3. Выходные данные

Файл выходных данных на экране дисплея имеет вид: