Обзор существующих и перспективных типов твердого ракетного топлива (трт)
По химическому составу и структуре ТРТ делятся на:
коллоидные (двухосновные)
смесевые
модифицированные двухосновные
Компоненты твердого ракетного топлива обычно выполняют несколько функций:
окислители являются наполнителями полимерной матрицы, обеспечивают необходимый уровень баллистических и энергомассовых характеристик
горючие, представляющие собой в большинстве случаев пластифицированные полимеры, обеспечивают монолитность твердотопливного заряда и необходимый уровень его механических характеристик.
Коллоидные топлива
Коллоидные (гомогенные, двухосновные, баллиститные) топлива – твердые растворы органических веществ, молекулы которых содержат горючие и окислительные элементы. Одной из основ этих типов ТРТ является нитроцеллюлоза с различным содержанием азота. Степень нитрации определяет отношение горючих и окислительных элементов и степень избытка окислителя.
Его основой являются: сложные эфиры азотной кислоты, такие как нитроглицерин, нитроцеллюлоза (горючее) с различным содержанием азота ТРТ на основе нитроцеллюлозы с низким содержанием азота называют баллиститными ТРТ, а с более высоким – кордитами.
В качестве окислителя в двухосновных топливах используются труднолетучие растворители (ТЛР). Для получения необходимых физико-химических и механических свойств в ТРТ вводят добавки.
Характеристика горючего двухосновных ТРТ:
Нитроцеллюлоза широко используется как основной компонент в процессе приготовления бездымных порохов и баллиститного ракетного топлива. При нитрирование различают два основных вида нитрата целлюлозы:
пироксилин
коллоксилин
Энергетические показатели нитратов целлюлозы можно охарактеризовать данными, представленными в таблице 1.1.
Таблица 1.1.
Наименование нитрата целлюлозы |
Теплопроизводительность, МДж/кг |
Газообразование, кг/л |
Температура горения Табс, К |
Пироксилин |
3,98 |
900 |
3150 |
Коллоксилин |
3,64 |
940 |
2850 |
Нитраты целлюлозы представляют собой рыхлую массу. После прессования под давлением в 500 - 600 кг/см плотность достигает 1,02 – 1,05 кг/см.
Характеристика окислителя двухосновных ТРТ
Нитроглицерин C3H5(ONO2)3 хорошо растворяет нитросоединения. Нитроглицерин – мощное взрывчатое вещество.
Метилнитрат СН3ONO2 - чувствителен к удару и очень склонен к детонации. Обладает низкой коррозионной активностью.
Нитрометан СН3NO2 - малочувствительное взрывчатое вещество.
Нитробензол С6Н5NO2, также используется как пластификатор.
Смесевые топлива
Смесевое ТРТ – представляет собой механическую смесь окислителя и горючих.
Его основой являются:
кристаллический неорганический окислитель
полимерное органическое горючее - связующее
второе металлическое горючее
К основным составляющим ТРТ добавляются различные присадки для повышения качества топлива:
замедления (ускорения) отвержения заряда
увеличения срока хранения заряда – стабилизаторы
увеличения (уменьшения) скорости горения ТРТ
В зависимости от вида окислителя заметно меняются свойства и энергетические показатели смесевого топлива.
Введение в состав ТРТ порошкообразных металлов повышает удельный импульс, стабильность горения.
Характеристика окислителя смесевых ТРТ
В состав смесевых топлив входят два основных вида окислителей:
перхлораты - соли хлорной кислоты
нитраты - соли азотной кислоты
Перхлораты обладают лучшим окислительным потенциалом, чем нитраты.
В практике используются перхлораты:
натрия ПХН
аммония ПХА
калия ПХК
лития ПХЛ
Их плотность и температура плавления указаны в таблице 1.1.
Все перхлораты довольно гигроскопичны и слаботоксичные.
Таблица 1.1.
Название |
Формула |
Плотность, г/см3 |
Температура плавления, К |
Кислородный баланс, % |
Перхлорат калия |
KClO4 |
2,52 |
843-823 |
46 |
Перхлорат натрия |
NaClO4 |
2,5 |
753 |
52 |
Перхлорат аммония |
NH4ClO4 |
1,95 |
513 |
54 |
Перхлорат лития |
LiClO4 |
2,43 |
509 |
60 |
Перхлорат нитрония |
NO2ClO4 |
2,22 |
393 разлаг. |
66,5 |
Нитрозил |
2NOClO4 |
2,169 |
373 разлаг. |
62 |
Нитраты:
калиевая (KNO3) или натриевая (NaNO3) селитры
нитрат аммония NH4NO3.
Селитры очень гигроскопичны, они способны поглощать и накапливать влагу воздуха в количествах, превышающих в несколько раз собственную массу.
Обычно с этими окислителями (они дёшевы) изготовляются твердые топлива для ракет ближнего боя.
Характеристика горючего смесевых ТРТ
Технические требования к горючим:
хорошая адгезия
хорошо формоваться при прессовании, пластификации или отливке;
способность отвердения после отливки за счет полимеризации, коагуляции или термостатирования
обладать низкой температурой воспламенения или низкой
обеспечивать постоянную скорость горения
иметь хорошие энергетические показатели.
Горючие принято разделять на следующие группы:
смолы;
каучуки;
мономеры;
производные целлюлозы.
Сравнивая два класса топлива по основным параметрам (см. таблицу 1.3) можно прийти к выводу, что смесевые топлива имеют более высокие энергетические характеристики.
Таблица 1.3.
Характеристика |
Двухосновные топлива |
Смесевые топлива |
Руд ,H·c/кr |
2000-2300 |
2300-2600 |
|
1.55-1.62 |
1.75-1.85 |
рк , МПа |
3.0-3.5 |
1.2-1.5 |
,
г/см3