книги / Химия и технология баллиститных порохов, твердых ракетных и специальных топлив. Т. 1 Химия
.pdfN4),
I *
СН2— N— <рь
0 2К - К |
N - N 0 ^ |
СНг— СГЬ
N0 .,
у-форма
N02
I
(3-форма
стью: а — 1,87 г/см3, /? — 1,902 г/см3, у — 1,82 г/см3, <5 — 1,78 г/см3. Р — форма стабильна до 115°С, а — в пределах
115...156°С, у - |
156°С, <5 - выше |
156°С. |
Кристаллические модификации октогена различаются фор |
||
мой кристалла, |
растворимостью, |
показателями преломления |
и чувствительностью к удару. |
|
|
Октоген негигроскопичен, не растворяется в воде, спиртах, |
||
бензоле, толуоле, |
эфире. |
|
Октоген более стойкий, чем гексоген. Взрывчатые характе ристики октогена и гексогена близки. Теплота взрыва 1356
ккал/кг, теплота |
сгорания 2255...2362 ккал/кг. |
Чувствителен |
к удару и трению, |
скорость детонации 9124 м/с |
(при плотно |
сти 1,84 г/см3). Октоген термостоек, температура плавления 270...284°С.
Октоген получается:
—нитрованием динитропентаметилентетрамина раствора ми нитрата аммония в азотной кислоте в присутствии уксус ного ангидрида;
—нитрованием 1,3,5,7-тетраацетил-1.3,5,7-тетраазацикло- октана растворами N205 или Р20 5 в азотной кислоте.
Дазин (Ы, N -динитропиперазин), С4Н8Ы40 4 или С4Н ^ 2(0М 02)2.
\\ //- к - N 0,
Молекулярная масса 176, плотность 1,63 г/см3.
Дазин — белое кристаллическое вещество, температура плавления 214...216°С, температура вспышки 322°С. дазин — термостойкое ВВ, при температуре 170...220°С энергия актива ции 51 ккал/моль, теплота взрыва при плотности 1,55 г/см3 1240 ккал/кг.
Дазин менее чувствителен к механическим воздействиям и ударной волне, чем НГЦ, гексоген и октоген. Скорость де тонации при плотности 1,6 г/см3 равна 7370 м/с.
Получается дазин нитрованием пиперазина (основания или гексагидрида) азотной кислотой в среде уксусной кислоты и уксусного ангидрида в присутствии катализатора — хлори стого аммония.
Димер (2,4-динитразапентан), С3Н8Ы40 4.
СНз - N - СН2 - N - СН3
I I
N02 N02
Молекулярная масса 164, плотность 1,49 г/см3, энтальпия образования минус 73,1 ккал/кг, термохимический коэффици ент /? + 8,4 ккал/кг.
Температура плавления 54...55°С, температура начала ин тенсивного разложения 260°С, температура горения в камере 2617К, температура взрыва 2646К, нулевой предел чувстви тельности к удару (груз 10 кг) 500 мм, нулевой предел чувст
вительности к трению 3025 кгс/см2. Критический диаметр де тонации 10 мм, тротиловый эквивалент 0,82.
Растворимость димера в различных растворителях при раз ных температурах приведена в табл. 64.
|
|
|
|
|
|
Таблица 64 |
|
|
Растворимость димера в растворителях, % |
|
|||||
Температура, |
Спирт изо |
Спирт этило |
Хлористый |
Вода |
Ацетон |
||
вС |
пропиловый |
вый |
метилен |
||||
0,52 |
|
||||||
10 |
0, |
125 |
1,1 |
32.96 |
___ |
||
15 |
0,28 |
2,25 |
46,19 |
0,80 |
— |
||
20 |
0,55 |
3,5 |
Более 61,5 |
1.2 |
207 |
||
25 |
|
2,5 |
4,9 |
— |
1,4 |
— |
|
30 |
|
2,8 |
7,1 |
— |
1,6 |
— |
|
50 |
12,0 |
33,0 |
— |
3,2 |
— |
В настоящее время известно несколько способов получе ния димера. Однако наиболее интересными являются только два. Первый основан на применении в качестве исходного сы рья мочевины и метиламина. Второй — на использовании ме тиламина, формальдегида и уксусного ангидрида с получением ацетата 2-нитро-2-азапропанола.
6.10 Специальные добавки
Специальные добавки применяются в составе топлив с от личительными качественными свойствами, в частности, мало пламенных и плазмообразующих.
В качестве пламегасящих добавок применяются вещества, являющиеся ингибиторами основных пламенных реакций, т. е.
осуществляющих |
ингибирование |
на |
поздней стадии |
горения |
(в первую очередь, реакций СО + 0 2; |
Н2 + 0 2). Это, |
в основ |
||
ном, соединения |
калия: КЫ03, |
К2304. |
|
В качестве плазмообразующих добавок применяются со единения элементов с низким потенциалом ионизации, в пер вую очередь, соединения элементов I группы периодической системы: цезия и калия.
Нитрат калия (азотнокислый калий), КТ403. Молекулярная масса 101,1, плотность 2,11 г/см3, темпера
тура плавления 334°С. Разложение по данным дифференциаль но-термического анализа становится заметным при температу ре 628°С, хотя медленное разложение наблюдается при темпе ратуре 350...400°С.
Нитрат калия хорошо растворяется в воде |
(31,6 г в 100 |
г воды при 20°С), плохо растворяется в спирте, эфире. |
|
Сульфат калия (сернокислый калий), К2$04. |
|
Молекулярная масса 174,25, плотность 2,66 |
г/см3. |
Сульфат калия — бесцветное вещество с кристаллами ром бической формы. Выше температуры 585°С — устойчивая тет рагональная модификация. Температура плавления 1074°С, температура кипения выше 2000°С.
Растворимость в воде — 11,1 г на 100 г воды при 20°С.
Нитрат цезия, С$М03. Молекулярная масса 194,9.
Имеет две кристаллические модификации (а и /?). При обычной температуре /^-модификация имеет гексагональную структуру. При температуре 151,5... 154°С происходит переход гексагональной модификации в кубическую.
Нитрат цезия хорошо растворим в воде, плохо — в спир тах, эфирах, кетонах. Температура плавления 414°С.
Гексанитрокобалыпат калия (ГНКК), К3[Со(М02)6]. Молекулярная масса 452,2, плотность 2,52 г/см3, энтальпия
образования (-375 ккал/кг), коэффициент избытка окислителя
4,0, термохимический коэффициент |
+ (10...12) ккал/%. |
Твердое мелкодисперсное вещество |
желто-зеленого цвета |
с частицами размером до 15 мкм. Мало растворяется в воде (0,21 г/л при температуре 20°С), растворяется в соляной и азотной кислотах. При температуре более 220°С начинает разлагаться (основное разложение происходит при 230...388°С).
Получение ГНКК заключается во взаимодействии раствора азотнокислого кобальта с раствором нитрита калия в уксусно кислой среде.
Глава 7
ОСНОВНЫЕ ТИПЫ БАЛЛИСТИТНЫХ П И ТРТ
7.1. Краткая характеристика баллиститных порохов и ТРТ военного и послевоенного времени
Начало развития химии и технологии баллиститных поро хов было связано с артиллерией, причем, в условиях конку ренции с пироксилиновыми порохами. Баллиститные пороха имели существенно более высокие энергетические показатели (при использовании в составах 35...40% нитроглицерина), ко роткий технологический цикл изготовления вследствие отсут ствия длительных операций удаления летучего растворителя (провялки, вымочки) и в целом были более дешевыми.
Работы по созданию первого отечественного баллиститного пороха были выполнены, начиная с 1926 года, под руково дством А. С. Бакаева в научно-исследовательской лаборатории Охтинского завода, затем в созданной на ее базе ЦНИЛ-84 ВСНХ.
К этим работам были привлечены известные ученые — по роховики А. А. Шмидт, В. В. Хожев, Б. П. Фомин, И. Г. Лопук и др. Все они вошли в состав исследовательской бригады, руководимой А. С. Бакаевым [21].
На основе обширных исследований физико-химических свойств различных составов этого типа, изучения закономер ностей их горения был выбран оптимальный состав пороха НГ: коллоксилин — 56,6%; нитроглицерин — 26,5%; динитро толуол — 9%; динитроанизол — 6%; централит — 2%.
Для |
отработки порохов на заводе № 6 им. Н. А. Морозова |
в конце |
1928 года под руководством А. С. Бакаева была созда |
на опытная установка, включающая фазы смешения компо нентов в водной среде при температуре 30...50°С («варка» по
роховой |
массы), отжим |
на центрифугах, пластификацию |
и сушку |
на обогреваемых |
вальцах, прессование при 80...90°С |
на гидравлических прессах. При отработке пороха НГ на прессе происходило много загораний вследствие высокой вяз кости массы. Для улучшения реологических свойств в состав ввели 1% вазелина (индекс этого пороха НГВ).
В дальнейшем в связи с сырьевым дефицитом (отсутствие динитроанизола и динитрофенетола) Б. П. Фоминым с со
трудниками была разработана рецептура пороха с использова
нием технического |
динитротолуола. |
||
Порох, получивший индекс |
Н, имел следующий состав: |
||
НЦ - |
57%, НГЦ - |
28%, ДНТ - |
11%, централит - 3%, вазе |
лин — |
1% [132]. |
|
|
По результатам положительной отработки пороха Н и опытной заводской установки на заводе им. Морозова под ру ководством А. С. Бакаева был выполнен проект первого в стране опытного цеха по производству баллиститных поро-
хов. Цех был |
построен и пущен в эксплуатацию |
в конце |
|||
1931 года, затем на заводе № 59 |
им. Петровского — |
мощный |
|||
цех с годовым объемом до 7000 |
тонн. |
|
|
||
В 1936 г. завод освоил |
изготовление пороха |
НГ-9 |
с содер |
||
жанием НГЦ |
до 40%, |
разработанного В. |
В. |
Хожевым |
иБ. П. Фоминым.
Всередине 30-х годов возникла проблема обеспечения жи вучести артиллерийских стволов при стрельбе зарядами из нитроглицеринового пороха состава Н.
Параллельные сравнительные стрельбы зарядами из пирок силинового и баллиститного порохов показали, что при ис пользовании баллиститного пороха живучесть ствола снижает ся в три раза. В связи с этим производство баллиститных по рохов было приостановлено (~ на полтора года) и возобновилось только в 1938 году после создания так назы ваемых холодных баллиститных порохов.
Повышенный разгарный эффект при стрельбе мощными баллиститными порохами был обнаружен в начале XX века, когда для морской артиллерии стали готовить пороха, содер жащие только НЦ + НГЦ с небольшой добавкой стабилизато ра химической стойкости. В 1899 — 1901 гг. англичане за ко роткий срок вывели из строя большую часть своей артиллерии в результате применения кордитного пороха М1, содержащего 58% НГЦ. В связи с этим они перешли на порох с уменьшен ным до 30% НГЦ.
В России в первые годы Советской власти вопросами раз гара орудия занимались ученые КОСАРТОПа (проф. Крылов и др.) и Главный артиллерийский полигон. Как было установ лено стрельбовыми испытаниями, в результате разгара увели чивается объем зарядной каморы, уничтожается нарезка кана ла на начальном участке, что приводит к снижению началь ной скорости снаряда, повышенному рассеянию снарядов, т. е. пониженной кучности стрельбы.
Группа исследователей в составе А. С. Рябова, А. С. Бакае ва, В. В. Хожева, И. Г. Лопука, Б. П. Фомина разработала со став баллиститного пороха с разгарным эффектом на уровне штатных пироксилиновых порохов. Порох с индексом НЦ-10 имел следующий состав: НЦ — 59%, НГЦ — 30%, централит — 10%, вазелин — 1%. Однако порох НЦ-10 вследствие исключения из состава пластификатора ДНТ имел высокую вязкость, был нетехнологичным и в серийном производстве применения не нашел.
В1938 г. Б. П. Жуков разрабатывает холодный порох ин декса НФ, в котором использовался активный пластификатор дибутилфталат (ДБФ). Порох НФ имел состав: НЦ — 59%, НГЦ — 30%, ДБФ — 7%, вазелин — 1%. Порох имел хоро шую технологичность и баллистические характеристики и был принят на вооружение. Пороха этого состава успешно приме няли во время Великой Отечественной войны.
Вособом техническом бюро НКВД под руководством А.
С.Бакаева были проведены исследовательские работы по соз данию группы холодных порохов, отличающихся по калорий ности. Было изготовлено и испытано 154 опытных пороховых
составов, на базе которых создано пять серийных составов ин
декса |
НДТ с |
различной |
теплотой |
сгорания |
(кДж/кг): |
НДТ-1 |
- 2730, |
НДТ-2 - |
2980, НДТ-3 |
- 3190, |
НДТ-4 - |
3440, НДТ-5 — 3695. Химический состав НДТ-3: НЦ — 52%, НГЦ - 28%, ДБФ - 7%, ДНТ - 1,9%, централит - 3%, ва зелин — 1%. В других составах этой группы калорийность из менялась за счет регулирования соотношения НГЦ и ДБФ.
Данный ассортимент порохов был принят на вооружение и в течение всей войны из этих порохов готовили заряды для различных орудий. сухопутной и морской артиллерии.
Группа исследователей в составе Д.И. Гальперина, А. Д. Артюшенко, Б. И. Пашкова, А. С. Рябова, С. Н. Разумова, А. И. Сухова и пр. под руководством А. С. Бакаева выполнила громадный объем исследовательских работ, разработала мето дики расчета термодинамических характеристик составов, ме тоды экспресс — контроля и т. д. и по сути дела создала в стране научно-технические основы химии и технологии бал-
листитных |
порохов. |
Следует |
отметить, что в военное и послевоенное время |
в области |
пороходелия работало много выдающихся ученых |
и инженеров, однако А. С. Бакаев на общем фоне выделялся как блестящий ученый, инженер, создатель новых составов
и технологии, являющийся по сути дела основоположником отечественных баллиститных порохов.
Мы приводим ниже (приложение 1) краткие сведения из
его биографии |
в изложении И. И. Вернидуба [21], ученика |
и соратника А. |
С. Бакаева. |
Начало войны в 1941 г. было связано с эвакуацией ряда пороховых заводов, имевших цеха по производству баллистит ных порохов, на восток.
Баллиститные П и ТРТ в послевоенное время
Для ликвидации создавшегося кризисного положения с производством зарядов из баллиститных порохов для реак тивной артиллерии по решению Государственного Комитета Обороны был построен и пущен в эксплуатацию в 1941 — 42 гг. завод им. С. М. Кирова. Усилиями ОТБ-98 под руково дством А. С. Бакаева при непосредственном участии проект ного института ГСПИ-6 и строительно-монтажной части № 29 Наркомстроя СССР на заводе была реализована первая в мире полунепрерывная технология с использованием шнековых прессов на фазах отжима и формования зарядов. Собственно, все работы по химии и технологии баллиститных порохов во время войны проводились особыми техническими бюро, соз даваемыми НКВД на базе заводов из репрессированных спе циалистов (ОТБ-6, ОТБ-98, ОТБ-40, ОТБ-320, ОТБ-512).
С созданием ОТБ-512 значительная часть заключенных специалистов ОТБ-98, работавших по технологии баллистит ных порохов, была перебазирована в ОТБ-512, созданное для разработки полностью непрерывной промышленной техноло гии зарядов из баллиститных порохов.
На базе завода и ОТБ-512 в 1947 г. был создан институт НИ И -125, ставший головным в стране по химии и технологии баллиститных артиллерийских порохов и твердых ракетных то плив.
Научно-исследовательские и опытно-конструкторские рабо ты по новым зарядам и ракетным двигателям, а также по но вым высокоэффективным баллиститным ракетным и специ альным топливам в течение многих десятилетий возглавлял блестящий ученый, высокоталантливый организатор и боль шой патриот России — Борис Петрович Жуков.
Под руководством Б. П. Жукова в НИИ-125 в 50-х гг. вы полнен ряд фундаментальных работ в области химии и техно логии баллиститных порохов, открывших, по сути, новую
248
страницу в их истории. На основе исследований закономерно стей горения порохов, выполненных Б. П. Жуковым в начале 50-х гг. с группой учеников, удалось создать ряд БРТТ с суще ственно уменьшенным показателем степени в законах II = и,Р»' и II = Г(Т).
Новые ракетные топлива, разработанные на базе этих ис следований (РСТ-4К, РНДСИ-5КМ, РБФ и др.) имели пока затель V = 0,25...0,28 в диапазоне давлений 4... 15 МПа, высо кие физико-механические характеристики и хорошую «техно логичность», определяемую оптимальными реологическими свойствами.
На базе новых топлив в 60—80-х гг. проведена разработка третьего поколения РСЗО. В табл. 65, 66 приводятся сравни тельные характеристики некоторых РСЗО для сухопутных войск и Военно-Морского Флота [133].
|
|
|
|
|
|
|
Таблица 65 |
|
|
Характеристика РСЗО для сухопутных войск |
|
||||
|
|
|
|
Характеристики |
Коэффици |
||
РСЗО |
|
Годы отра |
Калибр |
|
|
Масса заря |
|
|
Марка пороха |
ент интен |
|||||
|
|
ботки |
снаряда/ |
да, кг |
сивности |
||
|
|
|
мм |
|
|
||
|
|
|
|
|
|
двигателя |
|
«Град-1» |
|
|
|
|
|
|
|
|
1970... 1976 |
122 |
РНДСИ-5КМ, |
14,20 |
151 |
||
(полковая) |
|
|
РБМ |
|
|
|
|
«Град» (ди |
1959...1963 |
122 |
РСИ-12М |
|
20,60 |
155 |
|
визионная) |
|
|
|
|
|
|
|
«Прима» |
|
1976...1984 |
122 |
РБФ |
|
21,05 |
193 |
(дивизион |
|
|
|
|
|
|
|
ная) |
|
|
|
|
|
|
|
«Ураган» |
|
1970...1975 |
220 |
РНДСИ-5КМ, |
104,10 |
320 |
|
(армейская) |
|
|
РБФ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Таблица 66 |
|
Характеристика РСЗО для Военно-Морского Флота |
|
|||||
|
РСЗО |
Годы отра |
Калибр сна |
Характеристики |
Масса заря |
||
|
|
|
|||||
|
ботки |
Марка заряда |
|||||
|
|
|
ряда, мм |
да, кг |
|||
«Дамба» |
(береговая) |
|
|
|
|||
1970...1984 |
122 |
РНДСИ-5КМ |
11,20 |
||||
«Дождь» |
(для |
защиты |
1972... 1982 |
72 |
РНДСИ-5КМ |
1,03 |
|
от подводных диверсан |
|
|
|
|
|
||
тов) |
|
|
|
|
|
|
|
«Огонь» |
(для |
судов на |
1973...1988 |
140 |
РНДСИ-5КМ |
3,70 |
|
воздушной подушке) |
|
|
|
|
|
||
«Удав-1» |
(противоло |
1972...1986 |
220 |
РНДСИ-5КМ |
17,50 |
||
дочная) |
|
|
|
|
РНДСИ-5КМ |
0,08 |
|
РСЗО |
Годы отра |
Калибр сна |
Характеристики |
Масса заря |
|
ботки |
Марка заряда |
|||
|
|
ряда, мм |
да, кг |
||
|
|
|
|
||
«Запад» (противолодоч 1983...1990 |
212 |
РБФ |
13,40 |
||
ная) |
|
|
|
|
|
«Ливень» |
(противоло 1973... 1975 |
282 |
РСИ-60 |
36,30 |
|
дочная) |
|
|
|
РСИ-60 |
17,59 |
|
|
|
|
РСИ-60 |
30,50 |
Новые БРТТ с улучшенными энергетическими и баллисти ческими характеристиками типа БМС, РБМ, РБФ, РДГ, БКГ находят широкое применение в различных ракетных системах ближнего боя (ПТУРС, ЗУР, авиационные ракеты и др.), опе ративно-тактических системах и т. д.
В 60—70-х гг. под руководством Б. П. Жукова был выпол нен большой объем фундаментальных и прикладных исследо ваний по созданию нетрадиционных источников энергии: МГД-генераторов, оптико-квантовых генераторов и фотодиссационных лазеров. Были созданы принципиально новые классы топлив, на базе которых в содружестве с рядом академических организаций разработаны вышеназванные генераторы.
Б. П. Жуков внес громадный вклад в исследования и раз работки по целому ряду важнейших направлений оборонного и гражданского назначений: химии и технологии баллиститных и смесевых твердых ракетных топлив, композиционных материалов для корпусов ракетных двигателей, конструкцию ракетных двигателей стратегического и космического назначе ний и т. д.
Авторы настоящей монографии, работая многие годы со вместно и под руководством Б. П. Жукова, отдают дань глубо чайшего уважения этому большому ученому, блестящему орга низатору, великому патриоту нашей Родины и считают своим долгом привести краткую биографию этого Большого Челове ка (приложение 2).
7.2 Теоретические основы проектирования новых баллиститных артиллерийских порохов, твердых ракетных и специальных топлив
Разработка новых составов порохов и топлив, как правило, является длительным процессом, включающим поиск предвари тельных технических решений на базе выполненных теоретиче ских исследований, проведение экспериментальных исследова-
250