2.11.2.2. Твердые ракетные топлива (трт)

ТРТ – вещество в твердом состоянии, содержащее в своем составе все необходимые компоненты для осуществления химической реакции горения с образованием газообразных продуктов сгорания, создающих реактивную силу при истечении из РС.

К качеству ТРТ предъявляются следующие требования:

1. Высокие энергетические свойства (возможность достижения высокого удельного импульса тяги I за счет высокой температуры в КС Т_к и газовой постоянной R позволяют создать ракету минимальной массы).

Для сравнения ТРТ по критерию I используют стандартный I_ст., полученный при отношении .

Иногда используется критерий – сила топлива f = RТ_к, или – приведенная сила топлива f_пр = RТ_к/n.

2. Высокая плотность – позволяет создать ракету минимальных размеров.

3. Высокие механические свойства – обеспечивают создание заряда определенной формы, способного сохранять его под воздействием нагрузок, возникающих на всех этапах эксплуатации.

Оцениваются при помощи: предела прочности σ_пр; модуля упругости Е; предельного относительного удлинения ε_пр. Так как ТРТ является полимером, то ему присущи «ползучесть» и «релаксация», то есть свойства ТРТ зависят еще и от времени действия нагрузок.

Низкий коэффициент теплопроводности λ = 0,2…0,3 (в 100 раз меньше, чем у стали) позволяет ТРТ хорошо защищать стенки КС от воздействия высоких температур Т_к зоны горения, однако это же приводит к возникновению в заряде тепловых напряжений при изменении температуры окружающей среды.

Высокая эластичность предохраняет заряд от разрушения при воздействии температурных напряжений и высоких давлений р_к в КС.

4. Химическая и физическая стабильность, необходимая для сохранения свойств заряда при длительном хранении ракеты на боевом дежурстве.

5. Равномерность состава ТРТ по объему заряда (однородность), обеспечивает неизменность характера горения в течении всего времени горения заряда.

6. Экономичность – распространенность сырья, простота технологии изготовления ТРТ.

7. Независимость свойств ТРТ от влажности, температуры, нагрузок.

8. Нетоксичность.

9. Необходимая скорость горения u = – важнейший параметр!

Скорость горения u характеризует скорость перемещения в пространстве поверхности горения (рис. 2.33) и определяется по формуле

, (2.38)

Рис. 2.33. Горение ТРТ

где: u_0.т – коэффициент, зависящий от химического состава и начальной температуры Т₀ ТРТ; k ≈ 1,25 – показатель адиабаты продуктов сгорания (ПС) ТРТ.

От значения u зависит величина секундного массового расхода ПС

М_ПС = u S_гор ρ_т, (2.39)

где S_гор – площадь горения.

ТРТ делятся на двухосновные однородные (гомогенные) и смесевые (гетерогенные) топлива из разнородных физически и химически компонентов.

Двухосновные ТРТ

Двухосновные ТРТ (ДТРТ) – это твердые коллоидные растворы органических веществ, молекулы которых содержат как восстановительные, так и окислительные элементы.

Первая основа – нитроцеллюлоза , содержит избыток восстановительных элементов.

Вторая основа (растворитель) – нитроглицерин , содержит избыток окислительных элементов.

Стехиометрическое соотношение: 2-я основа/1-я основа = 8,75/1, но если второй основы в растворе более 15% он становится желеобразным.

Для того, чтобы двухосновное ТРТ было твердым необходимо соотношение 2-я основа/1-я основа менее 1/6,6, следовательно, главный недостаток ДТРТ – большой недостаток окислителя (низкая энергетика топлива).

Достоинствами ДТРТ являются бездымность и высокая скорость горения, что определяет область применения ДТРТ в РД авиационных ракет класса «воздух – воздух».

Недостаток – низкий удельный импульс тяги (I < 2300 м/с).

Нитроцеллюлоза изготовляется из хлопка, который является стратегическим сырьем.

Смесевые топлива (СТРТ)

СТРТ – это механические смеси веществ, содержащих либо преимущественно окислительные, либо преимущественно восстановительные элементы.

Состав СТРТ: 1. кристаллический окислитель;

2. полимерное горючее (связующее);

3. порошок легких металлов и их гидридов;

4. мощное взрывчатое вещество;

5. технологические добавки.

1. Соли легких металлов:

- перхлорат калия ( );

- перхлорат лития ( );

- перхлорат нитрония ( );

- перхлорат аммония ( ) – высокое содержание кислорода О₂ (54,45%), является наиболее распространенным окислителем.

2. Тяжелые нефтепродукты – в основном каучуки, при полимеризации связывают все компоненты и определяют механические свойства заряда СТРТ.

3. Энергетические добавки (легкие металлы или их гидриды): ; ; ; ; ; и т.п., в количестве не превышающем 10…20%. Позволяют увеличить температуру продуктов сгорания .

4. Мощное взрывчатое вещество – гексоген ( ), в количестве не превышающем 16…25%, повышает энергетику заряда ( и ), является окислителем. При содержании в более 25% гексогена существенно возрастает взрывоопасность заряда из СТРТ.

Качество заряда из СТРТ в значительной степени зависит от точного соблюдения технологии его изготовления.

Этапы изготовления заряда из СТРТ:

- подбор по размерам (просеивание через сито) компонентов;

- тщательное перемешивание компонентов со связующим (полимерным горючим), находящимся в жидком состоянии;

- заливка в корпус ракетного двигателя твердого топлива (РДТТ) в вакууме, для исключения образования в объеме СТРТ воздушных пузырей и несплошностей;

- полимеризация связующего (горючего) при его нагреве.

Заряд из СТРТ имеет цилиндрическую форму с центральным отверстием, по поверхности которого происходит горение, и обладает следующими механическими свойствами:

- низкая прочность (σ_пр = 1,5…5,0 МПа);

- низкая жесткость (Е = 10…20 МПа);

Высокая эластичность (ε_пр = 10…40%).

СТРТ обеспечивают создание удельного импульса тяги I ≈ 2400 м/с и широко применяются в маршевых РДТТ стратегических ракет и конверсионных ракетоносителях гражданского назначения для вывода на орбиту ИСЗ космических летательных аппаратов (КЛА).