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

них дефектов в зарядах в заданных температурных условиях. Для зарядов из баллиститных топлив термостабильность является одной из важнейших характеристик, определяющей сроки эксплуатации.

Благодаря высокой надежности, простоте эксплуатации и постоян­ ной готовности к действию, в настоящее время более 90% существующих и вновь разрабатываемых ракет оснащаются двигателями твердого топли­ ва. РДТТ широко используются практически во всех классах ракет военно­ го назначения, в космических программах, а также для борьбы с градом, для бурения скважин, зондирования высоких слоев атмосферы и др.

В 60-х годах XX в. в СССР начинается бурное развитие твердотоп­ ливной ракетной техники. Наряду с применением баллиститных твердых ракетных топлив широкое распространение получают смесевые твердые топлива (СТРТ).

По мере исследования стабильности характеристик зарядов РДТТ стали накапливаться факты, свидетельствующие о том, что кроме термо­ стабильности сроки хранения и эксплуатации зарядов определяются внеш­ ними нагрузками (массовыми силами, температурными напряжениями, транспортировочными воздействиями), влиянием влажности, радиации, биологических вредителей и другими факторами. По каждому из этих ви­ дов воздействия должна быть обеспечена устойчивость зарядов в пределах заданных сроков.

Способность РДТТ выполнять заданные функции характеризуются рядом параметров, из них определяющими для двигателей основного назначения является тяга Р, точнее, закон изменения тяги во времени P(t),

о

двигателей вспомогательного назначения в качестве определяющего параметра может рассматриваться секундный весовой расход продуктов сгорания G(t). Поскольку тяга двигателя и секундный расход однозначно

связаны с давлением в камере сгорания, то для всех типов двигателей в качестве определяющего параметра можно рассматривать давление в камере сгорания p(t).

При хранении и эксплуатации РДТТ под влиянием внешних воздействий и в результате внутренних процессов в элементах двигателей наблюдается постепенное изменение определяющего параметра, что в конечном счете приводит к уходу значений определяющего параметра из области допустимых значений, т.е. к потере работоспособности. Очевидно, что ССП зависит от величины допустимого изменения определяющего параметра и от скорости этого изменения, обусловленной интенсивностью внешних воздействий и внутренних процессов. Из рассмотрения аналитической зависимости относительного изменения определяющего

видно, что стабильность определяющих параметров РДТТ зависит от стабильности таких характеристик, как поверхность горения F, плотность топлива р, коэффициент щ и показатель v в законе скорости горения, температура продуктов горения Ти площадь критического сечения сопла

FKpи т.д.

Наиболее частой причиной изменения площади поверхности горения является образование в заряде трещин, а также отслоение бронепокрытий и защитно-крепящих слоев. Потеря сплошности заряда может произойти как в процессе хранения, так и при работе двигателя.

Среди процессов, которые приводят к потере сплошности заряда, в первую очередь отметим следующие.

Газовыделение, сопровождающее химические реакции в компонен­ тах топлива, при определенных условиях (скорость газообразования пре­ вышает скорость диффузии газа к свободным поверхностям заряда) может

привести к появлению трещин или к отслоению покрытий. Тепловое ста­ рение компонентов топлива в результате протекающих при хранении и эксплуатации процессов структурирования и деструкции приводит к изме­ нению механических характеристик топлива. В сочетании с действующи­ ми на заряд при хранении или боевом применении нагрузками это может приводить к разрушению заряда.

Изменение механических и баллистических характеристик топлива может произойти также в результате миграции компонентов и других ве­ ществ в элементах двигателя. В заряде могут протекать следующие массо­ обменные процессы, приводящие к потере работоспособности зарядов РДТТ при их хранении и эксплуатации:

-сорбция (десорбция) элементами двигателя паров влаги и агрес­ сивных жидкостей из окружающей среды;

-перераспределение диффузионно-активных компонентов (напри­ мер, пластификаторов) между элементами двигателя (зарядом, бронепокрытием, ЗКС, ТЗП).

Сорбция паров влаги из окружающей среды приводит к изменению механических характеристик смесевых твердых топлив, а также и к изменению скорости горения в увлажненных слоях топлива. Улетучивание пластификатора с открытых поверхностей заряда вызывает изменение механических свойств топлива, приводит к ухудшению воспламеняемости баллиститных топлив и изменению скорости горения поверхностных слоев заряда.

При массообмене между элементами двигателя в процессе изменения компонентного состава в различных слоях топливного элемента заряда и других элементах двигателя может происходить значительное изменение как механических, так и баллистических характеристик топлива. Например, при диффузии нитроглицерина из топлива в бронепокрытие и пластификатора покрытия в топливо происходит

снижение содержания нитроглицерина в поверхностных слоях топлива и появление в них вещества, обладающего флегматизирующим действием. В результате изменения компонентного состава топлива происходит уменьшение величины удельного импульса и скорости горения, а в итоге - падение величины предельной дальности полета. Поглощение нитроглицерина может привести к ползучести бронировки, а также к увеличению содержания в факеле РДТТ продуктов пиролиза, что в случае ограничения по дымности факела приводит к потере работоспособности двигателя. В результате диффузии компонентов наблюдается также изменение механических характеристик покрытия и нарушение адгезии твердого топлива и бронирующего покрытия.

На форму заряда, а следовательно, и на площадь поверхности горения существенное влияние в процессе хранения оказывает ползучесть и релаксация. Известны случаи сползания массы топлива при хранении двигателя и уменьшения сечения канала в нижней его части. При релаксации часто наблюдается отслоение бронепокрытия за счет действия отрывных напряжений. Отслоения подобного типа могут также возникнуть под действием перепада температур вследствие разности коэффициентов линейного расширения материалов.

Под действием светового и ионизирующих излучений (рентгенов­ ское, у-лучи, быстрые или медленные нейтроны, быстрые электроны, а- частицы и другие продукты ядерных реакций) происходит изменение мо­ лекулярной и надмолекулярной структур компонентов, в результате чего могут изменяться физико-механические характеристики и скорость горе­ ния топлива, что при определенной глубине изменений может приводить к такому изменению эксплуатационных характеристик, что они выходят за пределы требований технической документации.

Одним из факторов, лимитирующих срок служебной пригодности зарядов РДТТ, является самовоспламенение заряда - тепловой взрыв.

Тепловой взрыв может наблюдаться на зарядах, в которых тепловыделение, сопутствующее реакции разложения компонентов ТРТ, превышает потери тепла в единицу времени вследствие теплообмена заряда с другими элементами РДТТ и с окружающей средой. В результате в объеме топливного элемента происходит постепенное повышение температуры, которое способствует самоускорению экзотермических реакций разложения компонентов ТРТ вплоть до самовоспламенения. Очевидно, что сроком служебной пригодности в данном случае будет период времени, определяемый периодом индукции самовоспламенения.

Так было на начальной стадии производства крупных партий нитроцеллюлозных порохов. В настоящее время теория и методы устранения условий возникновения теплового воспламенения настолько хорошо разработаны, что вероятность теплового взрыва в условиях штатного хранения и эксплуатации зарядов РДТТ практически сведена к нулю. Все вопросы решаются еще на стадии отработки нового ТРТ. Одновременно проблема теплового взрыва решается и с позиций обеспечения технологической безопасности в случае нештатного (аварийного) ведения процесса и вероятных аварийных ситуаций при эксплуатации изделий ракетной техники (в частности, при пожаре).

В связи с тем, что заряд РДТТ представляет собой сложную систему, наблюдается ряд явлений, связанных с взаимным влиянием элементов заряда, что может также способствовать потере работоспособности. Известны случаи, когда стабильные при раздельном хранении материалы, из которых изготовлены заряд, теплозащитное покрытие (ТЗП) и другие элементы двигателя, при совместном хранении в одном корпусе существенно изменили механические характеристики за короткий промежуток времени. Или, например, отслоение ТЗП от корпуса может привести к прогару корпуса двигателя, т.е. к потере двигателем

работоспособности, в то время как заряд твердого топлива функционирует нормально.

Известно также, какое большое влияние на внутрибаллистические характеристики (ВБХ) оказывает состояние воспламенителя при хране­ нии. Воздействие паров воды, попадающих в него извне при нарушении герметичности воспламенителя или образующихся при реакциях разло­ жения воспламенительного состава, может вызвать нарушение функцио­ нирования воспламенителя и привести или к низкочастотной неустой­ чивости горения заряда, или, вообще, к отказу в работе.

В результате многочисленных исследований, проведенных в последней трети XX в., составлен следующий перечень процессов, приводящих к потере работоспособности зарядов при их длительном хранении и эксплуатации:

1.Термическое (химическое) разложение.

2.Климатическое старение.

3.Фазовые превращения компонентов.

4.Расслоение при несовместимости материалов изделия.

5.Массообменные процессы.

6.Радиохимические процессы.

7.Биохимические процессы.

8.Процессы под влиянием специфических воздействий, обусловле ных в ТЗ на изделие.

Это далеко не полный перечень процессов старения топлив и зарядов из них.

Хотя все вышеперечисленные процессы могут протекать одновременно, срок служебной пригодности лимитируется, как правило, одним из них. Превалирующая роль того или иного процесса в потере работоспособности заряда РДТТ определяется конструктивными

особенностями заряда, составом и свойствами материалов, из которых изготовлены элементы двигателя, условиями его хранения и эксплуатации.

Например, на основании анализа факторов, лимитирующих ССП забронированных зарядов из баллиститных топлив, были получены следующие результаты.

Заряды были изготовлены из одних и тех же материалов, но отлича­ лись геометрическими размерами. В зарядах с малой толщиной горящего свода ( d < 25 мм) процессом, лимитирующим ССП, является диффузия нитроглицерина в бронепокрытие. При малой толщине свода диффузион­ ный слой оказывает значительное влияние на внутрибаллистические ха­ рактеристики.

С ростом толщины свода действие этого фактора ослабевает (умень­ шается относительный размер слоя, в котором наблюдается диффузионный процесс) и для зарядов с > 25 мм происходит смена фактора, лимити­ рующего ССП. В зарядах с диаметром от 25 до 100 мм лимитирующим процессом становится газовыделение при термическом разложении топли­ ва. Газообразные продукты разложения вызывают отслоение покрытия за счет их накопления вследствие более низкой газопроницаемости покрытия на границе раздела топливо - бронепокрытие.

При толщинах горящего свода более 100 мм продукты разложения не успевают диффундировать к поверхности раздела. Накапливаясь в толще топлива, они создают предпосылки для растрескивания заряда. Чем больше диаметр, тем больше действие этого фактора.

Таким образом, даже самая полная информация о стабильности по­ роха или ТРТ (как материала) не является достаточной для определения срока служебной пригодности конкретного изделия из данного материала в заданных условиях хранения и эксплуатации.

На основании рассмотрения причин потери работоспособности можно построить схему возникновения отказов (рис. 2).

Процессы старения в зарядах РДТТ обусловлены воздействием внешних и внутренних факторов. Модуль «Внешние факторы» отражает взаимодействие заряда с окружающей средой, которое определяется

хранением и эксплуатацией в различных условиях.

К внутренним факторам относятся механические напряжения, градиенты концентрации и температуры, химическая неравновесность и т.п., которые обусловлены тем, что заряд после его изготовления

В результате действия этих факторов в заряде РДТТ будут протекать различные физико-химические процессы (модуль «Процессы старения»). Все эти процессы в той или иной степени вызывают изменения в природе материалов двигателя. Современный уровень экспериментальной техники позволяет исследовать изменение свойств материалов изделия при старе­

нии на различных уровнях.

К микроуровню отнесем атомно-молекулярный и надмолекулярный

уровни, изучаемые при помощи спектроскопии (фотоэлектронной, рентге­ ноэлектронной и колебательной), ядерного магнитного резонанса, рассея­ ния нейтронов, эмиссионного анализа, рентгенографии, электронографии, газовой хроматографии и т. д. На этом уровне (назовем его уровнем а) исследуются характеристики молекулярной, надмолекулярной и фазовой структур, например, молекулярная масса, молекулярно-массовое распреде­ ление, химический состав и его распределение по координатам, глубина разложения, число поперечных связей, скорость газообразования и др.

Изменение физико-химических характеристик вызывает соответст­ вующее изменение свойств материалов на макроскопическом уровне р. На этом уровне исследуются физико-механические (прочность, удлинение при разрыве, модуль упругости) и баллистические характеристики (ско­ рость и закон скорости горения, калорийность и т.п.).

Рис. 2. Схема возникновения отказов в зарядах РДТТ при старении

На этом уровне в случае необходимости исследуются напряженно-

деформированное и тепловое состояния изделия.

Изменение свойств материалов, в свою очередь, вызывает изменение параметров рабочего процесса в камере сгорания, которое отражается на

зависимости давление - время, плотности и объеме продуктов горения,

температуре горения в камере сгорания, содержании конденсированной

фазы в продуктах горения и т.п. (уровень у).

Вся эта цепь изменений, в конечном счете, приводит к изменению

эксплуатационных характеристик двигателя: закона изменения тяги, суммарного импульса, секундного весового расхода и др. Как только эксплуатационные характеристики выходят за область допустимых значений, регламентируемых требованиями технического задания на изделие, изделие (заряд РДТТ, газогенератор, аккумулятор давления и т.д.)

считается потерявшим работоспособность. Если, несмотря на

происшедшие в заряде РДТТ изменения, эксплуатационные

характеристики соответствуют требованиям ТТЗ, заряд считается работоспособным.

Для определения ССП конкретного изделия необходимо смоделиро­

вать все встречающиеся на практике воздействия на данный заряд и в ди­

намике исследовать всевозможные процессы, протекающие при задан­

ных условиях хранения и эксплуатации. На основе этих исследований должна быть установлена связь результатов этих процессов с измене­

нием эксплуатационных характеристик и произведена количественная оценка либо величины изменения значений эксплуатационных парамет­ ров в некоторый момент времени, либо времени до критического измене­ ния этих параметров.

Таким образом, современная методология прогнозирования сроков служебной пригодности зарядов предусматривает комплекс исследований,