книги / Прогнозирование сроков служебной пригодности зарядов из порохов и твердых ракетных топлив

Таким образом, в продольном и поперечном сечениях выпрессованного и остывающего изделия из БП имеются напряжения, меняющиеся по мере охлаждения. Растрескивание изделия наблюдается при изменении со­ отношения между механической прочностью материала и внутренними напряжениями, т.е. в том случае, когда напряжения превышают предель­ ную механическую прочность материала или же по каким-то причинам ло­ кально падает механическая прочность.

Экспериментальный метод изучения термостабильности. В осно­ ву метода положено уравнение Аррениуса, согласно которому время до

растрескивания заряда можно описать как т = т0 • ехр -^эфф . Прологариф­

~RT

мировав это уравнение, получим 1пт = 1пт0 + ^>ФФ - уравнение прямой

RT

линии в переменных In т — . Суть метода состоит в том, что термостати-

рованием зарядов при нескольких постоянных температурах (обычно в диапазоне 60...80 °С) определяются индукционные периоды (тинд) потери термостабильности при каждой температуре. Обработкой эксперименталь­

ных данных в аррениусовской системе координат In Гинд - 1/Т определяется

температурный коэффициент потери термостабильности для исследуемого

заряда (£эфф), и, если необходимо, экстраполяцией зависимости

In Тинд=Л^/Т) на эквивалентную температуру для предполагаемого клима­ тического района оценивается ресурс заряда по термостабильности.

Величина индукционного периода Тинд весьма существенно зависит

Впроцессе экспериментальной отработки метода было показано, что

спонижением температуры величина температурного коэффициента £Эфф возрастает. Также было показано, что, во-первых, наблюдается тенденция

Рис. 11. Зависимость In гинд=У(1/7) для радиуса зарядов (Л„4<Л»,з<^н2<Лн|):

I - экспериментальная область;

II - область экстраполяции

1'Т

Отсюда следует, что экстраполяция экспериментальных данных по уравнению Аррениуса правомерна лишь при условии, если заведомо из­ вестно, что разрушение зарядов данного размера происходит либо в неста­ ционарной, либо в квазистационарной области во всем температурном

диапазоне форсированных испытаний и эксплуатации.

Данные по форсированным испытаниям зарядов не дают возможно­ сти для натурных изделий четко зафиксировать квазистационарную ветвь кривой In гшш=J[\/T) процесса потери термостабильности. Однако испыта­ ниями на образцах возможно подтвердить ее существование и определить

температурный коэффициент непосредственно по экспериментальным

данным. Такой эксперимент возможно провести в сжатые сроки на образ­ цах топлива диаметром 15 мм при температурах порядка 100 °С.

Расчетный метод. В настоящее время оказалось возможным по­ строить математическую модель, учитывающую кинетику химического разложения топлив, диффузию продуктов распада и накопление поврежде­ ний в заряде. Разработанная модель позволяет более корректно оценивать и прогнозировать термостабильность зарядов.

Большинство зарядов ТРТ имеют длину, значительно превышающую их диаметр, в связи с чем эти заряды можно рассматривать как неограни­ ченные цилиндры. Закон изменения концентрации газов в таких зарядах при наличии равномерно распределенных источников газовыделения опи­ сывается вторым уравнением диффузии Фика

^г=0

центрация газообразных продуктов распада (текущая и начальная по сво­

W - приведенная скорость газовыделения, W = JVoexр(------ ); W0 - пред-

RT

экспонентный множитель; Е - энергия активации процессов термораспа­ да; R - универсальная газовая постоянная; Т - температура.

Уравнение диффузии описывает накопление газообразных продуктов за счет разности скоростей их подвода вследствие химических процессов и диффузионного отвода.

Выделяющиеся газообразные продукты разложения, накапливаясь в порах материала, создают в них избыточное давление, которое приводит к возникновению напряжений в порах. Связь концентрации газообразных продуктов разложения, растворенных в топливе, с их парциальным давле­ нием в порах определяется законом Генри с = Kvp.

Указанный закон справедлив для газов с низкими критическими температурами. Такими газами и являются продукты разложения.

Изучение большого количества тонких срезов баллиститных топлив под микроскопом показало, что поры в них представляют собой пустоты средним диаметром от 5 до 200 мкм. Расстояние между порами во много раз превышает их размер. Рассмотрим напряженное расстояние топлива вокруг сферической поры, находящейся под действием избыточного внут­ реннего давления р.

Из решения упругой задачи для сферы, внутренний радиус которой пренебрежимо мал по сравнению с наружным, следует:

где ое, а7, агсоответственно тангенциальные, осевые и радиальные на­ пряжения; г0 - радиус поры; г\ - расстояние от рассматриваемой точки ма­ териала до центра поры.

На поверхности поры (Г\ = го) действуют максимальные растяги­ вающие напряжения, равные 0,5р и максимальные сжимающие, равные 1,0р.

В окрестностях поры напряжение чрезвычайно сильно и уменьшает­ ся с увеличением расстояния г. Например, при г\ = 3г0 напряжения состав­ ляют всего 0,04 от максимальных значений. Эквивалентное напряжение а на стенках поры, очевидно, также пропорционально величине избыточного давления:

a = tp,

где £ - коэффициент пропорциональности.

Теоретические оценки коэффициента £ по различным теориям проч­ ности (Мора, энергетической или по интенсивности напряжений) приводят

к значениям £ = 1,1... 1,3.

Время до начала разрушения пор при изменяющемся напряжении может быть вычислено из соответствующих критериев разрушения. В об­ щем виде критерий разрушения, учитывающий накопление повреждений,

записывается следующим образом:

вышеприведенное условие переходит в критерий Ильюшина, при X =

= ((1+Х)/Х) - 1 - в критерий Москвитина, при X = (1/0) - 1 - в известный критерий Бейли. В связи с этим можно принять:

/ — =1.

где т - механическая долговечность материала.

При а « стк (ак - предельная прочность материала) зависимость т(а) может быть представлена в виде

т = В&т,

где В и т - коэффициенты, определяемые экспериментально при испыта­ ниях образцов материала на долговечность.

Процесс разрушения заряда описывается уравнением вида:

где с - максимальная концентрация продуктов разложения, Кр - коэффи­ циент растворимости газов в топливе; £ - коэффициент пропорционально­ сти, определяющий зависимость возникающих напряжений от избыточно­ го давления газообразных продуктов разложения топлива.

Здесь принимается, что давление газообразных продуктов разложе­ ния р и их концентрация прямо пропорциональны друг другу с = Крр.

Приведенные выше уравнения представляют собой математическую модель процесса нарушения целостности заряда под действием избыточ­ ного давления газообразных продуктов разложения топлива. Границы ее применимости определяются следующими условиями:

•малая глубина разложения топлива в индукционном периоде (менее 0,1%), при которой можно пренебречь массоемкостью пор по сравнению с массой растворенного газа;

•поры в материале расположены на достаточно большом расстоянии друг от друга, так что их взаимодействием можно пренебречь;

• величина 0 определяет время до возникновения дефектов, обнару­ живаемых современными методами, т.е. до начала разрушения.

Очевидно, что максимальное давление газообразных продуктов в по­ рах и соответственно наибольшие напряжения на стенках пор развиваются

вцентральных слоях заряда.

Вслучае выделения из топлива смеси газов общее давление равно сумме парциальных давлений выделяющихся газов, а скорость газовыделения - сумме соответствующих скоростей:

р = Х р г.

Для инженерных расчетов смесь газов удобно заменить одним газом,

например азотом. Очевидно, скорость выделения W' смеси газов, приве­

денной к азоту W, должна быть такой, чтобы в любой момент времени дав­

ление соответствовало реальному.

Рис. 12. Решение задачи термостабильности

Определив из специально поставленных опытов все вышепере­

численные физико-химические и механические характеристики топли­

ва, решают на ЭВМ систему уравнений и находят время 0 до нарушения целостности заряда (накопленная усталость выше 100%).

На рис. 12 приведен вид экрана ПЭВМ с решением задачи, экспери­ ментальные значения параметров для которой приняты следующие. Ско­ рость газовыделения W = l,8*102°*exp(-34000/RT) см3/(см3*сут); коэффици­ ент диффузии D = 5-105,exp(-11000/RT) см2/сут; параметры уравнения долговременной прочности В0 = 4,61*107сут, т = 5,74; коэффициент рас­ творимости Кр= 0,04см3/(см3-атм); плотность р = 1,55г/см3

В ходе решения получено, что для заданных условий т составляет около 11 суток.

2. Климатическое старение порохов и ТРТ

Под климатическим старением понимают необратимое изменение важнейших технических характеристик порохов и ТРТ, происходящее в результате сложных химических и физических процессов, развивающихся при воздействии климатических факторов в искусственных и природных условиях. Факторами старения могут также быть температура, свет, кисло­ род, озон и др. Поэтому различают старение термическое, световое, окис­ лительное, озонное и т.п. Старение ускоряется при многократных дефор­ мациях; влияет на старение и влага.

Пороха и твердые ракетные топлива - это сложные полимерные композиции, содержащие различные наполнители (окислитель, мелкодис­ персный металл, ВВ, ингибиторы горения т.п.), пластификаторы, стабили­ заторы и др.

Сущность старения полимерных материалов заключается в сложной цепной реакции, протекающей с образованием свободных радикалов (реже ионов), которая сопровождается деструкцией и сшиванием макромолекул. Для замедления процессов старения в полимерные материалы добавляются

стабилизаторы (различные органические вещества), антиоксиданты (ами­ ны, фенолы). Длительность эксплуатации стабилизированных полимерных материалов значительно возрастает.

В смесевых твердых ракетных топливах кроме вышеуказанных про­ цессов старения полимерных связующих наблюдаются также процессы на границе раздела окислитель-связующее и в самом окислителе, вносящие свой вклад в необратимое изменение баллистических и механических ха­ рактеристик порохов и ТРТ при их эксплуатации и хранении.

Конечно, делаются попытки исследования всех возможных процес­ сов при старении таких сложных композиций с целью управления процес­ сами старения и обеспечения длительных сроков служебной пригодности изделий, но в практике пока ограничиваются испытаниями на климатиче­ ское старение.

Испытания на старение и прогнозирование изменения свойств про­ водят по одному или нескольким показателям старения, которые устанав­ ливают в стандартах или технических условиях на материал или изделие. Показателями старения для твердых ракетных топлив, как правило, явля­ ются механические свойства (напряжение при разрыве, относительное уд­ линение, модуль упругости) и скорость горения. Факторами старения по­ рохов и ТРТ в различных климатических условиях являются температура и влажность воздуха.

Сущность метода заключается в проведении ускоренных испытаний образцов топлива на стойкость к старению при воздействии температуры и влажности с целью:

- установления характера кинетической зависимости изменения по­ казателя при старении;

- построения кривой прогноза;

- определения значения показателя после заданной продолжительно­ сти хранения или продолжительности хранения до достижения заданного значения показателя.

Топливо перед испытаниями подвергают той же технологической обработке, что и при изготовлении изделий. Форма и размеры образцов для испытаний, способ и режимы их изготовления должны соответство­ вать требованиям, установленным в стандартах на метод определения по­ казателя (для определения механических свойств используются лопаточки, для скорости горения - столбики).

Определяют исходное значение показателя в соответствии со стан­ дартами на метод его определения.

Образцы в количестве, необходимом для каждого съема, помещают или в герметичные контейнеры или в испытательные камеры, в которых создан заданный тепловлажностный режим.

Термическое старение проводят при Т\<Т2...<Тп, где п > 4. Интервал между температурами испытаний должен быть не менее 10 К. Продолжи­ тельность испытаний при каждой температуре не должна быть меньше, чем требуется для получения существенных изменений показателя. В про­ цессе старения при каждой температуре периодически проводят съемы образцов для определения показателя. По результатам определений строят график зависимости величины показателя от продолжительности старения при всех температурах испытаний и по нему определяют время до задан­ ного снижения величины показателя старения при каждой температуре (рис. 13).

В данном методе предполагается, что срок служебной пригодности изделия зависит от температуры в соответствии с уравнением Аррениуса