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

Механизм горения и его закономерности находятся в пря­ мой зависимости от химического состава композиции, физи­ ческой структуры, давления, температуры и множества других факторов.

Несмотря на довольно детальное исследование этого про­ цесса многими исследователями, математической модели горе­ ния, необходимой и удобной для разработки новых составов, пока не создано. До настоящего времени практически исполь­ зуются только простейшие эмпирические зависимости скоро­ сти горения от давления и температуры (табл. 7) [32].

Таблица 7

Основные эмпирические зависимости скорости горения 1ДР) для ТРТ

1АО

Р- темп, чувств., % Р = — • — г • 100%

иср

Наиболее широкое применение на практике получила фор­ мула Вьеля (УНУ, р* Данное выражение достаточно корректно для узкого диапазона давлений для ракетных топлив, работаю­ щих при низких давлениях. Что касается артиллерийских порохов, горение которых в канале ствола орудия происходит

ной, критической температуры. Критическая температура для баллиститного пороха составляет ~130°С, для прессованных нитратов целлюлозы 65...85°С. Тепловой эффект газификации для БП находится в пределах 40...65 ккал/кг, для коллоксили­ на и пироксилина 81...94 ккал/кг.

При уменьшении вакуума беспламенное горение последова­ тельно переходит от холоднопламенного (голубовато-зеленого цвета) к желтопламенному. Одновременно снижается количест­ во дыма. При горении нет четкого раздела фаз. Поэтому грани­ цы фаз на схеме горения обозначены пунктирными линиями. Средняя температура представлена сложной кривой линией; многократно пересекающая ее пунктирная, зигзагообразная ли­ ния отражает ярко выраженные микро- и макрогетерогенные экзотермические и эндотермические процессы во всех зонах го­ рения. При изменении давления границы зон смещаются. Чем выше давление, тем уже зоны и круче температурная линия. Тепловой приток из пародымогазовой области интенсифицирует эффект газификации и скорость горения, так как меняется ко­ личество и глубина реакций на ранней стадии развития. Анало­ гичное влияние оказывают катализаторы горения, ускоряя реак­ ции на ранней стадии их развития и снижая их зависимость от давления в двигателе. В 40-е годы был фундаментально иссле­ дован процесс и механизм действия катализаторов и ингибито­ ров, что запатентовано научным открытием с приоритетом 1949 г. В частности, установлено их радикальное воздействие на конденсированную и пародымогазовую зоны.

Модификация процесса горения ТРТ может быть осуществле­ на различными способами с получением следующих конечных результатов:

—повышение скорости горения во всем диапазоне давле­

ний;

—понижение скорости горения;

—повышение скорости горения на ранней стадии (ката­ лиз с уменьшением «V»);

—ингибирование реакций в пламенной зоне со снижени­ ем пламенности артиллерийского выстрела или уменьшением форса пламени за соплом ракетного двигателя;

—повышение прозрачности продуктов сгорания;

вующих разделах. Здесь же целесообразно дать общее пред­ ставление о катализе и ингибировании процесса горения баллиститных П и ТРТ, лежащее в основе теории и практики создания новых составов ТРТ.

На рис. 30 схематично представлены зависимости I/ = /{Р) для различных вариантов катализа и ингибирования. Скорость горения исходного стандартного образца, не содержащего мо­ дифицирующих добавок (кривая 1), существенно изменяется при вводе катализаторов или ингибиторов. Ускорение или за­ медление реакций термораспада компонентов или первичных окислительно-восстановительных реакций в зоне прогрева или жидковязком слое приводит к эквидистантному повышению или понижению скорости горения (кривые 2, 3). Наиболее на­ глядными примерами такой модификации являются вводимые

и, мм/с

Рис. 30. Возможные варианты катализа и ингибирования БРТТ:

1 — исходный образец, 2 — повышение II за счет ускорения термораспа­ да или быстрогорящего компонента, 3 — снижение II за счет ингибирова­ ния термораспада, 4 — катализ на ранней стадии горения, 5 — катализ при низких и ингибирование, при высоких давлениях

в состав компоненты с экзотермическим или эндотермическим эффектами фазовых переходов при температуре не выше тем­ пературы жидковязкой области (например, хлорат калия, по­ лиформальдегид).

Для ТРТ исключительно важное значение имеет зависи­ мость скорости горения от давления. Снижение этой зависи­ мости (уменьшение «V» в 11= 1!\РУ) повышает баллистическую эффективность выстрела. Так, для 3-х ступенчатой баллисти­ ческой ракеты с суммарной массой заряда ~40 тонн увеличе­ ние или уменьшение показателя «V» на 0,1 приведет соответ­ ственно к уменьшению дальности на -225 км или к ее увели­ чению на -300 км [32].

Поэтому вопрос модификации закона горения ТРТ, в пер­ вую очередь, катализа на ранней стадии процесса, является исключительно актуальным. Вся история ракетной техники связана с поиском эффективных катализаторов горения, сни­ жающих «V» в заданной области давлений.

На рис. 30 показаны варианты снижения «V», которые дос­ тигаются или катализом реакций горения на ранней стадии (кривая 4), или сочетанием катализа на ранней стадии и ин­ гибирования процесса в области более высоких давлений (кривая 5).

Наиболее эффективными катализаторами для БРТТ, най­ денными в процессе многочисленных исследований, являются неорганические и органические соединения свинца и меди.

Усилить действие катализаторов могут сажа и некоторые другие вещества. Углеродистый каркас, образующийся на по­ верхности горения, препятствует агломерации частиц катализа­ торов, удерживая их в жидковязком реакционном слое, суще­ ственно повышая тем самым их эффективность.

На рис. 31 представлены функции I] = ДР), показывающие влияние салицилатов свинца и меди на зависимость скорость горения от давления.

В интервале давлений от 4 до 11 МПа скорость горения БРТТ характеризуется низкой зависимостью от давления в ра­ кетном двигателе (РД). Следует отметить, что закономерности, представленные на рис. 31, характерны для ТРТ, не содержа­ щих металлического горючего и взрывчатых веществ типа гек­ согена, дазина, переводящих окислительно-восстановительные реакции в область более высоких давлений. Закономерности горения топлив этого класса описываются ниже.

Довольно широкие возможности регулирования скорости горения ТРТ в эквидистантном режиме представляются с ис-

Рис. 31. Влияние катализаторов на зависимость 1)(Р) БРТТ:

пользованием различных ингибиторов и компонентов с инди­ видуально высокой скоростью горения. На рис. 32 представле­ ны графики II = Г(Р) некоторых медленногорящих и высоко­ скоростных топлив. Как видно из рис. 32, скорость горения БРТТ изменяется в довольно широких пределах, что позволяет использовать их в многочисленных объектах вооружения и гражданского назначения.

Познание основ процесса горения артиллерийских Доро­ хов, а затем и ТРТ позволили целенаправленно создавать топ­ лива с требуемыми свойствами продуктов сгорания. Так, были разработаны принципиально новые баллиститные твердые то­ плива, отличные от ракетных как по химическому составу са­ мих топлив, так и продуктов их сгорания — плазменные, спе­ циальные для оптико-квантовых генераторов и фотодиссационных лазеров и др.

Рис. 32. Медленногорящие и высокоскоростные БРТТ:

слое и распространяющееся со сверхзвуковой скоростью под действием, так называемой, ударной волны, называется дето­ нацией.

Практически все ЭКС, содержащие в своем составе горю­ чее и окислитель, способны к химическому превращению в виде горения, взрыва или детонации. Порох и ТРТ любого типа относятся к метательным взрывчатым веществам, и ос­ новным механизмом их превращения является горение. Но при подводе соответствующего импульса в виде давления вы­ ше критической величины (Ркр) они детонируют. Более того, в определенных условиях эксплуатации и особенно на фазах производства горение может переходить во взрыв (с промежу­ точными механизмами в виде конвективного горения, детона­ ции с низкой скоростью) и детонацию. Для некоторых типов БРТТ детонация является основным рабочим механизмом хи-