книги / Физико-химические свойства взрывчатых веществ, порохов и твердых ракетных топлив

Я.М. Шапиро и Я. Б. Зельдович показали, что устойчивый характер горения твердых топлив в РД (при законе скорости го-

рения u = bpν ) может иметь место лишь при ν < 1.

Зависимость скорости горения от начальной темпера-

туры заряда. С повышением начальной температуры скорость горения порохов и твердых ракетных топлив увеличивается. Так, по данным К.К. Андреева, повышение температуры на один градус увеличивает скорость горения пороха Н (при сжигании на воздухе) на 1,3 %.

Для оценки температурной чувствительности скорости горения используется температурный коэффициент β, представляющий собой следующее выражение:

где иТ – скорость горения при температуре Т.

Из приведенных формул следует, что коэффициент β характеризует относительное изменение скорости горения пороха при изменении начальной температуры на один градус.

Для современных нитроцеллюлозных порохов и ТРТ

β = 0,0038... 0,0050 град –1.

Сравнительно высокая температурная чувствительность скорости горения является весьма существенным недостатком нитроцеллюлозных порохов и ТРТ. Она обусловливает зависимость баллистических характеристик готовых зарядов от их начальной температуры. При достаточно большом диапазоне температур эксплуатации (от –50 до +50 ºC) это усложняет условия боевого применения зарядов (необходимо вводить поправки на температуру заряда), а в отдельных случаях и конструкцию РД (наличие сменных сопловых вкладышей).

101

Зависимость скорости горения от природы и состава пороха (ТРТ). При строго определенных значениях начальной температуры и давления величина скорости горения определяется и основном природой и составом пороха (табл. 16).

Таблица 16

«Единичная» скорость горения при 15 ºС

Скорость горения пироксилиновых порохов в значительной степени зависит от содержания летучих веществ и содержания азота в исходном пироксилине. По данным М. Г. Серебрякова, увеличение содержания летучих веществ в порохе на 1 % снижает величину u1 примерно на 10 %. Повышение содержания азота в пироксилине на 0,1 % повышает скорость горения в среднем на 6 %.

Для отечественных пироксилиновых порохов М.Г. Серебряков рекомендует следующую эмпирическую формулу для расчета:

где N – содержание азота в пироксилине; Т0 – температура пороха, °С;

h, h1 – содержание удаляемых и неудаляемых сушкой веществ соответственно, %.

Для расчета u1 нитроглицериновых баллиститных порохов В.Г. Шеклеин предложил следующую эмпирическую формулу:

lg u1 = – 0,2162 + 0,1366 (N – 11,8) + 0,008652 x1 – 0,02620 x2 –

– 0,02235 x3 – 0,03447 x4 – 0,007355 x5,

где N – содержание азота в коллоксилине, %;

102

x1, x2, x3, x4, x5 – содержание нитроглицерина, централита, дибутилфталата, вазелина и динитротолуола соответственно, %.

Особым техническим бюро была предложена следующая упрощенная формула для расчета и1 нитроглицериновых порохов:

u1 = 0,24·10–3QW(ж) – 0,20 мм ,

с МПа

где QW(ж) – теплота горения пороха, кДж/кг.

Следует иметь в виду, что величина и1 определяется не только составом пороха, но и его плотностью. Чем больше плотность пороха, тем меньше, при прочих равных условиях, скорость горения.

Теплотой горения QW(ж) называют количество тепла, выделяемое при сгорании 1 кг пороха в вакууме или в среде инертного газа (т. е. при сгорании за счет кислорода, содержащегося в порохе) и при условии охлаждения продуктов горения до температуры 18…20 °С.

Индекс «W» означает, что горение происходит в постоянном объеме, индекс «ж» означает что, образующаяся в продуктах горения вода находится в жидком виде.

Величина теплоты горения зависит от природы пороха и его состава. Она может быть рассчитана теоретически и определена экспериментально.

Приближенно, но достаточно быстро, теплоту горения можно рассчитать по формуле

QW(ж) = ∑ пi βi,

где пi – содержание i-го компонента в порохе, %;

βi – термохимический коэффициент, показывающий, на сколько изменяется теплота горения пороха при изменении содержания i-го компонента в нем на 1% (табл. 17).

Опытное нахождение теплоты горения пороха основано на определении прироста температуры (∆t) воды в калориметрической установке при сжигании определенного количества пороха

103

(т) и последующем расчете теплоты горения по формуле

QW (жж= B ∆t , где В – водяное число, характеризующее количе- m

ство тепла, которое необходимо сообщить воде и калориметрическойустановке, чтобыподнятьтемпературу водына1º, Дж/град.

При горении порохов (ТРТ) и последующем расширении продуктов горения температура последних остается весьма высокой (не менее 1 000 К). В этих условиях вода в продуктах горения находится в парообразном виде. Поэтому при расчетах пользуются теплотой горения при воде парообразной – QW(п).

Очевидно, что QW(п) = QW(ж) – 44,26·n (H2O), где 44,26 – теп-

лота конденсации воды, кДж/моль; n(H2O) – число молей воды. Величина теплоты горения QW(ж) различных порохов колеблется в пределах от 3 000 до 5 000 кДж/кг.

Удельным объемом газов называется объем газообразных ипарообразных продуктов горения, образующихся при сгорании 1 кг пороха (в вакууме или инертной среде), приведенный кнормальным условиям (Т= 273 К, р = 101325 Па). При этом вода, находящаясявпродуктахгорения, условнорассматриваетсяввидепара.

104

Удельный объем газов W1 измеряется в м3/кг или в л/кг и является важной характеристикой порохов, определяющей величину давления пороховых газов в канале ствола и в РД, «силу пороха» и метательное действие заряда.

Величина удельного объема газов зависит от состава пороха и может быть рассчитана по формуле

няется удельный объем газов при изменении содержания i-го компонента на 1% (см. табл. 17).

Экспериментальное определение удельного объема газов основано на измерении объема газообразных и парообразных продуктов горения, образующихся при сгорании определенного количества пороха с последующим приведением полученного объема к нормальным условиям, а также пересчетом объема газов на 1 кг пороха. В полученное значение объема вводится также поправка на объем, который занимала бы вода, если бы она была в виде пара.

Для большинства порохов значение удельного объема газов находится в пределах 800 ... 1000 л/кг.

Температурой горения пороха (ТРТ) называют максималь-

ную температуру, которую имеют пороховые газы в момент образования.

Температура горения порохов для ствольного оружия, горение которых происходит практически в постоянном объеме, обозначается Т1, а температура горения ТРТ при постоянном

давлении – Т0.

Температура горении определяет работоспособность пороховых газов. Чем выше температура газов, тем большей энергией они обладают и тем большую работу при расширении они могут произвести.

105

Величина температуры горения порохов зависит от состава пороха и состава продуктов горения.

Приближенно температура горения может быть рассчитана по следующим эмпирическим формулам:

Т1= 0,673QW(ж) + 414 – для нитроглицериновых порохов; Т1= 0,563 QW(ж) + 672 – для нитродигликолевых порохов,

где QW(ж) – теплота горения пороха, кДж/кг.

Температура горения порохов и твердых топлив находится в пределах 2000…3500 К.

«Сила» пороха по своему физическому смыслу представляет собой работу, которую произвели бы газообразные продукты горения пороха в количестве 1 кг, расширяясь изобарно (при атмосферном давлении) при нагревании их от 0 до Т1, К.

Сила пороха может быть рассчитана по формуле

f = p0W1T1 ,

273

где f – сила пороха, Дж/кг;

р0 – атмосферное давление, Па; W1 – удельный объем газов, м3;

T1 – температура горения пороха, К.

Экспериментально сила пороха определяется путем сжигания пороха в манометрической бомбе.

Значение силы нитроцеллюлозных порохов находится в пределах 800000 ... 1 200000 Дж/кг.

Коволюмом пороховых газов α принято называть объем,

пропорциональный объему молекул газов, образующихся при сгорании 1 кг пороха. Уравнение состояния газов выведено для условий, когда молекулы находятся на значительном расстоянии друг от друга. При больших давлениях, которые развиваются при горении порохов в манометрических бомбах и орудиях, молекулы газов сильно сближаются между собой, плотности газов становятся настолько велики, что сами молекулы газов занима-

106

ют довольно значительную часть того объема, в котором происходит горение. Этот объем молекул и учитывается в уравнении состояния газов с помощью коволюма пороховых газов α.

Приближенно величина α равна 0,001W1. Экспериментальное определение значения коволюма поро-

ховых газов осуществляется с помощью манометрических испытаний.

Удельным импульсом тяги двигателя Jуд называют сле-

дующее выражение:

Jуд = P / m,

где Р – сила тяги двигателя;

m – массовый расход продуктов горения.

При заданных величинах давления продуктов горения в камере двигателя и на срезе сопла удельный импульс тяги является характеристикой твердого топлива и поэтому используется для сравнительной оценки различных твердых теплив.

Удельный импульс тяги часто определяется при условии, что давление в выходном сечении сопла равно давлению окружающей среды. В этом случае, при прочих равных условиях, величина удельного импульса тяги максимальна.

Экспериментально удельный импульс тяги определяют исходя из выражения Jуд = Jп/m, где Jп – полный импульс тяги

τп

Jп = ∫ pdτ, т – масса заряда, кг.

0

Величина удельного импульса тяги (единичного импульса) твердых топлив различных составов колеблется в пределах от

2000 до 2600 Н·с/кг.

Значения энергетических и баллистических характеристик различных порохов приведены в табл. 18.

Следует иметь в виду, что величина энергетических характеристик орудийных порохов ограничивается сверху температурой горения, которая не должна превышать приблизительно 3 000 К. Это связано с тем, что с повышением температуры воз-

107

растает разгар ствола. Для твердых топлив такого ограничения нет, так как ракетный двигатель является устройством одноразового действия. Кроме того, при необходимости возможно применение теплозащитных покрытий.

Таблица 18 Энергетические и баллистические характеристики пороков

Структура и плотность порохов – двавзаимосвязанных свой-

ства, в определенной степени определяющих физико-механическую прочность, характер и величину скорости горения, физико-хи- мическуюстабильностьидругиехарактеристикипорохов.

Под структурой порохов понимают характер взаимного расположения и распределения в массе пороха макромолекул высокомолекулярных соединений, надмолекулярных образований, а также минеральных порошкообразных компонентов. Различают микро- и макроструктуру пороха.

108

Микроструктура пороха определяется строением, взаимным расположением и влиянием молекул и первичных надмолекулярных образований веществ, входящих в состав пороха. Характер микроструктуры оказывает влияние главным образом на скорость горения и физико-механическую прочность пороха, придавая ему определенную упругость, эластичность и жесткость. В наибольшей степени это влияние присуще смесевым топливам. Изменяя размеры макромолекул, степень их разветвленности и другие структурные показатели, можно в определенных пределах изменять скорость горения и показатели физикомеханической прочности порохов.

Макроструктура порохов определяется характером взаимного расположения и степенью уплотнения макрочастиц компонентов: волокон нитратов целлюлозы, кристаллов окислителя, металлического горючего и других минеральных добавок, а также воздушных включений в массе пороха.

Макроструктура оказывает влияние па многие свойства порохов: плотность, скорость горения, физико-механическую прочность, а также на устойчивость к воздействию окружающей среды.

Для нитроцеллюлозных порохов главным фактором, определяющим структурные особенности, является направленная ориентация волокон нитратов целлюлозы, возникающая при формовании пороховых элементов.

Известно, что при продавливании пороховой массы через матрицу возникает различие в скоростях движения массы. Центральные слои массы движутся с большей, а периферийные слои – с меньшей скоростью. Вследствие этого возникает механический момент, вызывающий поворот, растягивание и ориентацию макромолекул в направлении движения массы. В наибольшей степени ориентационный эффект проявляется в слоях пороховой массы, соприкасающихся с поверхностью формующих устройств (матриц). При этом пороховое зерно в целом оказывается анизотропным: его свойства в различных направлениях оказываются неодинаковыми.

109

Анизотропия свойств в наибольшей степени проявляется у пироксилиновых порохов, имеющих малую толщину горящего свода и большую неоднородность. Известно, что при пластификации смесевых пироксилинов в спиртоэфирной смеси достаточно полно растворяется только пироксилин № 2. Пироксилин № 1 в спирто-эфирном растворителе набухает незначительно, сохраняя при этом очертания волокон.

При формовании пороховых элементов происходит вытяжка и ориентация волокон пироксилина № 1. В результате этого показатели механической прочности на разрыв в осевом направлении оказываются в 2 ... 2,5 раза выше, чем в радиальном. Одновременно установлено, что скорость горения нитроцеллюлозных порохов в осевом направлении имеет большую величину, чем в радиальном.

Смесевым топливам присуща макроструктура гетерогенных систем. При рассмотрении среза топлива в отраженном свете под микроскопом можно легко различить границы частиц окислителя и металлического горючего, равномерно распределенных в массе органического горюче-связующего вещества. Заряды из смесевых ТРТ, изготовленных методом литья, являются изотропными системами.

Плотность порохов зависит от природы (плотности) компонентов, их содержания и степени уплотнения, достигаемой при производстве. Приближенно плотность порохов может быть определена расчетным путем, исходя из принципа аддитивности:

n

ρп = k∑riρi ,

i =1

где ri и ρi – массовая доля и плотность i-го компонента; k – коэффициент уплотнения.

Плотность отдельных классов порохов изменяется в следующих пределах (кг/м3):

–пироксилиновые пороха – 1560 ... 1620;

–баллиститные пороха – 1600 ... 1620;

–смесевые ТРТ – 1700 ... 1900;

–дымные пороха – 1500 ... 1900.

110