книги / Химия и технология баллиститных порохов, твердых ракетных и специальных топлив. Т. 1 Химия

Рис. 1. Принципиальная зависимость механических характеристик от тем­ пературы баллиститного топлива:

1 — прочность при растяжении (а), 2 — деформация при растяжении (е)

— некоторые ракетные двигатели, работающие в условиях высоких перегрузок (например, активно-реактивные снаря­ ды — несколько тысяч «&»), требуют деформационно-прочно­ стных характеристик, которыми не обладают большинство ТРТ внутри рабочего температурного диапазона. Поэтому именно эти характеристики являются приоритетными для это­ го класса топлив.

Важными свойствами П и ТРТ являются термодинамиче­ ская и химическая совместимость компонентов. Первая харак­ теризует физическую стабильность системы и возможность ее расслоения (чаще всего выделение пластификатора) в опреде­ ленном температурном диапазоне. Вторая — возможность

иинтенсивность химического взаимодействия внутри системы между ее отдельными компонентами. Интенсивность такого взаимодействия определяется, как правило, по газовыделению

итепловыделению при нескольких температурах. Экстраполя­ ция на температуру хранения или переработки позволяет про­

гнозировать гарантийные сроки хранения или опасную темпе­ ратурную зону переработки.

В связи с термохимической стойкостью П и ТРТ следует сказать о тепловом самовоспламенении, критические параметры которого будут рассмотрены ниже. Все высокоэнергетические вещества данного типа, как правило, имеют экзотермические реакции разложения компонентов, что в определенных усло­ виях может привести к самовоспламенению.

На рис. 2 представлены графики зависимостей тепловыде­

Т — температура. Теплопотери в окружающую среду пропор­ циональны перепаду температур, С>Теплоотводп = кДТ, где к — ко­ эффициент теплопередачи.

Из рис. 2 видно, что тепловыделение в процессе экзотер­ мического термораспада возрастает экспоненциально, а тепло-

Рис. 2. Зависимости тепловыделения (кривая 1) и скорости теплоотвода (2 и 3) от температуры при различных условиях теплоотдачи

отвод в окружающую среду — линейно. При определенной для данного состава и конкретных условий температуре два теплопотока становятся равными. Данная температура являет­ ся критической (Ткр). Даже незначительное превышение ее приводит к самопроизвольному дальнейшему росту температу­ ры, которая за время, равное гиндукшш, повышается до темпера­ туры воспламенения.

Критические параметры теплового самовоспламенения явля­ ются важными характеристиками любого состава П и ТРТ. Более детально они рассматриваются ниже в соответствующем разделе.

Как отмечалось выше, П и ТРТ баллиститного типа отно­ сятся к термопластичным системам, находящимся в зависимо­ сти от температуры в трех физических состояниях: стеклообраз­ ном, высокоэластическом и вязкотекучем. Последнее состояние определяет параметры технологического процесса переработки, которые определяются реологическими свойствами композиции и критическими условиями самовоспламенения.

Реология пороховых масс на фазах переработки, связанная с диссипативными процессами разогрева, в существенной ме­ ре определяет как безопасность процесса, так и качество про­ дукции. Диссипативная энергия как функция <7ДИС= /(г,у), где г, у — соответственно напряжение и скорость сдвига, на та­ ком высоковязком материале (1012 сП) как баллиститное топ­ ливо весьма существенна и приводит к разогреву пороховой массы, например, на вальцах на 70...100°С, на шнек-прессе на 30...50°С. Поэтому реологические характеристики топлива (по­ роха) являются важными не только с точки зрения техноло­ гии, но и в существенной степени определяют химический со­ став топлива.

Реология П и ТРТ как важнейшая характеристика, опреде­ ляющая химический состав и технологические процессы, рас­ сматривается ниже в соответствующем разделе. Здесь же стоит подчеркнуть одну важную деталь реологии, а именно, так на­ зываемую, псевдопластичность термопластиков, у которых вяз­ кость с увеличением напряжения падает в отличие от неизме­ няемой «ньютоновской». Причем, падение вязкости П и ТРТ весьма существенно и определяется из выражения у = xт,,, где у, т, — соответственно скорость и напряжение сдвига, к — коэффициент, характеризующий «податливость» (вязкость) массы. Показатель степени п — показатель аномалии вязко­ сти — для П и ТРТ находится в пределах 4...6 и характеризует

О > 15Кр). Поэтому возможность предотвращения аварии, ве­ роятность которой в случае отступления от регламентных па­ раметров весьма высока, требует от инженерно-технического персонала высоких квалификации и уровня подготовки. В связи с этим данная монография в качестве учебного посо­ бия преследует цель дать необходимые знания как научным работникам, создающим новые П и ТРТ, так и инженерам, работающим в производстве.

1.2 Классификация баллиститных П и ТРТ по назначению

Предназначенный с момента изобретения как альтернатива дымному пороху в артиллерийских системах баллиститный по­ рох в дальнейшем нашел широкое применение как ТРТ в ра­ кетных двигателях. Нитрат глицерина — основной пластифи­ катор баллиститного пороха — при горении имеет локально существенно более высокую температуру, чем нитрат целлюло­ зы, что приводит соответственно к более высокой эрозии внутренней поверхности ствола орудия, чем на пироксилино­ вых порохах.

Для снижения температуры пороховых газов в состав поро­ ха пришлось вводить дополнительные пластификаторы, сни­ жающие температуру горения. Соответственно снижается сила пороха, что сводит на нет преимущество баллиститных порохов. Поэтому до настоящего времени в качестве артиллерий­ ского пороха наиболее широко применяется пироксилиновый порох.

В табл. 3 и на рис. 3 приводится перечень объектов и на­ правлений использования, для которых в качестве энергетиче­

3Системы залпового ТРТ с улучшенной балли­ огня — РСЗО стикой.

15Гражданская продук­ ция:

— аэрозольные про­ Специальные аэрозольобра-

взрывчатые вещества держащие ПВВ на основе (ПВВ) и др. утилизируемых П и ТРТ

Как видно из информации, приведенной выше, баллиститные П и ТРТ, а также специальные топлива находят широкое применение как в военной технике, так и в гражданских от­ раслях промышленности. Причем, следует отметить, что в гра­ жданском аспекте использования имеет преимущество именно этот вид П и ТРТ в сравнении с другими (пироксилиновыми, смесевыми) вследствие преимущества технологии и термопла­ стичности материала.

1.3 Классификация баллиститных П и ТРТ по химическому составу

Многообразное применение данного класса энергетических конденсированных систем, как видно из предыдущего пара­ графа, предопределяет разнообразие их химического состава.

На рис. 4 и в табл. 4 представлены основные типы балли­ ститных П и ТРТ, широко используемых в различных видах боеприпасов, а также при разработке новых нетрадиционных источников энергии.

Химический состав баллиститных порохов с момента их изобретения Нобелем претерпел серьезные изменения. Свою историю баллиститный порох (БП) начал с двухкомпонентной композиции (НЦ + НГЦ), химически стабилизированной ве­ ществом (централит, дифениламин и др.), которое связывает продукты разложения НЦ и НГЦ, автокаталитически ускоряю­ щие процесс разложения.

В западноевропейских странах и США БП получили назва­ ние двухосновных (с нитрогуанидином — трехосновных).

За послевоенный период БП и особенно БРТТ по химиче­ скому составу неизмеримо усложнились, пройдя в своем раз-