книги / Основы проектировочного расчета внутренней баллистики маршевого РДТТ

2.Твердые ракетные топлива

Комплекс требований к твердому ракетному топливу определяется не­ обходимостью создания ракеты с высокой надежностью, минимальными габа­ ритами и стартовой массой при заданных величинах массы полезного груза и дальности полета. Обеспечение высокой энергетической эффективности РДТТ является важнейшим требованием к топливу, которое при большой плотности должно обеспечивать получение высокого удельного импульса и, согласно уравнению Циолковского, - максимальную скорость полета ракеты в конце активного участка траектории /2,3/

По составу и структуре твердые ракетные топлива (ТРТ) делятся на баллиститные (гомогенные) и смесевые (гетерогенные).

Баллиститные топлива представляют собой гомогенные системы, явля­ ющиеся пластифицированными и уплотненными нитратами целлюлозы. Нитро­ клетчатка получается обработкой целлюлозы (вата, хлопковый пух, древе­ сина) смесью азотной и серной кислот. В зависимости от условий процес­

ный импульс топлива. При содержании нитроглицерина более 45% происхо­

ные топлива имеют худшие, чем смесевые топлива, энергетические харак­ теристики.

Помимо нитроглицерина, в производстве баллиститных твердых топлив в качестве растворителя применяется нитродигликоль, который обладает лучшей желатинизирующей способностью, чем нитроглицерин, но имеет худ­ шие энергетические характеристики. Используют в качестве растворителей также динитротолуол, нитрогуанидин /4/.

Введением в баллиститные составы пластификаторов (вазелина, вос­ ка, минеральных масел) достигается повышение термопластичности нит­ роцеллюлозы, необходимой в процессе прессования топливных шашек /5/. Для повышения скорости и устойчивости горения при низких давлениях в камере сгорания в состав топлива вводят катализаторы (окислы титана, свинца, сернокислый калий и др.). Сажа и графитовый порошок вводятся в

качестве технологической добавки и одновременно увеличивают коэффици­ ент поглощения поверхностью горения лучистой энергии. Для обеспечения химической стойкости топлива в его состав вводят стабилизаторы (дифе­

ниламин, централит), которые, не действуя химически на нитраты клет­ чатки и прочие компоненты топлива, связывают образующиеся при разложе­ нии топлива кислые продукты и тем самым предотвращают его прогрессив­ ное автокаталитическое разложение. Состав и характеристики баллиститных ТРТ приведены в табл.2.1. Плотность баллиститного топлива нахо­ дится в пределах 1500 - 1650 кг/м3, уровень давления устойчивого горе­ ния выше 4 МПа.

Смесевые топлива - это отвержденные механические смеси окислителя, горючего - полимерного связующего - и металлических добавок. Плотность

распространение получили смесевые топлива, содержащие в качестве окис­ лителя перхлорат аммония. Эти топлива имеют сравнительно высокие энер­ гетические характеристики при слабой зависимости скорости горения от давления и начальной температуры топлива.

Уменьшение размеров частиц окислителя является одним из путей по­ вышения скорости горения. Так, при уменьшении размеров (тонкости помо­ ла или дисперсности) перхлората аммония от 100 до 5 мкм скорость горе­ ния топлива возрастет более чем в 3 раза. Однако при этом повысится вязкость топливной массы и ухудшится технологичность.

Полимерное горючее в смесевых топливах одновременно играет роль связующего и составляет 15 - 30% от общей массы топлива. Максимальные значения температуры продуктов сгорания и удельного импульса характер­

лиуретановые, полибутадиеновые, полисульфидные (тиокольные). Полисульфидные топлива обладают сравнительно низкой энергетикой и невысокими физико-механическими свойствами. Полибутадиеновые топлива, имеющие в качестве связующего бутадиеновый каучук или сополимер полибутадиена и акриловой кислоты, обладают высокой энергетикой и хорошими механичес­ кими свойствами. В связи с высоким удельным импульсом, плотностью и способностью сохранять эластичность при отрицательных температурах эксплуатации (до -50° С) наибольшее распространение получили твердые топлива, имеющие в своем составе в качестве связующего полиуретановый

каучук. Заметные повышения удельного импульса, плотности и стабильнос­ ти горения ТРТ достигаются добавлением в их состав мелкодисперсных ( с размерами частиц от 1 до 20 мкм ) металлических порошков и пудр (алю­ миния, магния, циркония, бериллия, бора) до 20% от общей массы топлива. Дальнейшее повышение содержания алюминия в топливе неэффективно в свя­ зи с ростом потерь, связанных с двухфазностью потока. Наибольшее при­ менение получил алюминий.

Вцелях повышения энергетических характеристик ТРТ в их состав вводятся также гидриды алюминия, бериллия и др., эффективность которых объясняется малой молекулярной массой продуктов сгорания вследствие высокого содержания водорода, а также высокой теплотой сгорания. Наи­ больший интерес представляет гидрид алюминия, добавки которого позво­ ляют повышать энергетику ТРТ.

Вкачестве добавок, улучшающих технологические свойства, энерге­ тические характеристики или повышающих скорость горения, в ТРТ исполь­ зуются различные пластификаторы (технический вазелин, воск, техничес­ кие масла). В состав топлива вводится и ряд других порошкообразных или жидких добавок, являющихся веществами, участвующими в процессе полиме­ ризации (диизоцианаты, парахинондиоксим, эпоксидные смолы) и увеличи­ вающими скорость горения (двуокись железа и другие соединения железа, двуокись циркония, элементоорганические соединения, сложные окислы ме­ таллов и др.).

Разработано также модифицированное двухосновное топливо, которое состоит из нитроцеллюлозы и перхлората аммония с добавкой алюминия. В

топлива. Стоимость такого топлива существенно выше, чем обычного смесевого. В качестве примеров в табл.2.2 приведен состав некоторых за­ рубежных смесевых топлив и их характеристики. В табл.2.3 приведены ха­ рактеристики отечественных топлив, имеющих разную полимерную основу.

Сравнительный анализ показывает, что смесевые топлива имеют удельный импульс выше, чем баллиститные. У них и плотность выше, ско­ рость горения этих топлив менее чувствительна к изменениям давления и начальной температуры. Из смесевых топлив удается изготавливать за­ ряд непосредственной заливкой топливной массы в корпус двигателя.