Исследование и расчет РДТТ. Ч. 1. Исследование и расчет автономного горения воспламенителя (120

называют блоками, а пиротехнические элементы, изготавливаемые литьем или экструзией (проходным прессованием) — зарядами. Глухим прессованием под давлением до 560,0 МПа пиротехнических смесей на основе перхлората калия и алюминия получены блоки диаметром до 152 мм и длиной 304 мм. Используя подобные блоки массой до 2,5 кг при запуске, можно обеспечивать давление 1,4…17,5 МПа и время горения 0,03…2 с.

В настоящее время ведутся разработки зарядов воспламенителя на основе смесей металлов и окислителей, изготавливаемых литьем

вкорпус с последующим отверждением, которые прочно скреплены

скорпусом и горят только по поверхности внутреннего канала.

Рис. 13. Формы поперечного сечения цилиндрических зарядов воспламенителей

Успешно изготавливаются методом литья заряды из составов, содержащих цирконий, нитрат калия и полисульфидное связующее, а также алюминий, бор и перхлорат аммония с фторуглеродным связующим.

21

Пиротехнические составы

Одним из первых воспламенительных составов, нашедших широкое применение в виде гранул и таблеток, был дымный порох. Он имел следующий химический состав (%): калиевая селитра — 75; древесный уголь — 15; сера — 10. Дымный порох обладает высокой химической стойкостью и физико-химической стабильностью. Он легко воспламеняется от инициатора и обладает лучшей воспламеняющей способностью по сравнению, например, с двухосновными ТТ.

Черный порох используется в воспламенителях, к которым не предъявляют высокие внутрибаллистические требования. Он обладает высокой гигроскопичностью и свойством к самопроизвольному прекращению горения на больших высотах. Его калорийность — 315 кДж/кг, температура горения — 2400…2500 K, скорость горения — 29 мм/с (при давлении 0,1 МПа), плотность — 1,6…1,7 г/см3, гравиметрическая плотность зависит от размеров зерен и равна 0,90…1,15 г/см3. Указанные недостатки вызвали необходимость разработки пиротехнических составов с повышенной калорийностью и температурой продуктов сгорания, которые наиболее полно удовлетворяли бы требованиям, предъявляемым к средствам воспламенения зарядов ТТ.

Основные компоненты, входящие в пиротехнические составы, можно подразделить на следующие группы:

окислители — перхлорат калия КСlО4; нитрат бария Ba(NО3)2; нитрат калия KNО3 и нитрат натрия NaNО3; перекись бария ВаО2; хромат бария ВаСгО4 и др.;

горючие — металлы (магний, цирконий, алюминий, бор, титан) и сплавы (алюминий + магний, цирконий + никель); неметаллы (фосфор, углерод, сера); неорганические соединения (сульфиды, фосфиды, силициды и др.); органические соединения (углеводороды);

цементаторы (связующие) — органические полимеры, обеспечивающие механическую прочность пиротехнических составов (идитол, канифоль, эпоксидные смолы, каучуки, этилцеллюлоза);

другие добавки, выполняющие функцию ускорителей или замедлителей горения либо уменьшающие чувствительность составов к трению (флегматизаторы).

На первой стадии отработки пиротехнических составов были использованы двойные смеси металлов с нитратом натрия и пер-

22

хлоратом калия. Максимальные тепловые эффекты с применением этих компонентов представлены в табл. 2, откуда следует, что наибольшим тепловым эффектом обладают составы алюминия с нитратом натрия и перхлоратом калия.

Таблица 2

Рассмотрим наиболее распространенные пиротехнические композиции, располагая их последовательно по порядку их практической полезности и области применения.

Пиротехническая система бор + нитрат калия (В + KNО3) используется главным образом в таблетированном виде и находит широкое применение вместо черного пороха в воспламенителях для РДТТ с высотным запуском. Характерными особенностями композиции являются:

легкость воспламенения при низких давлениях (на больших высотах);

высокое содержание газовой фазы в продуктах сгорания;

слабая зависимость скорости горения от давления. Калорийность системы — 4800 кДж/кг, при давлении 0,1 МПа скорость горения — 9,9 мм/с. Для придания необходимых технологических свойств в систему добавляют каучук. Композиция имеет следую-

щий состав (%): KNO3 — 71; В — 21; каучук — 5.

Высококалорийная смесь алюминиевого порошка с перхлоратом калия (калорийность — 10 400 кДж/кг) используется в виде таблеток и блоков. Это одна из наиболее высокоэнергетичных композиций, находящих применение, однако она плохо воспламеняется при низких давлениях. Скорость горения в значительной степени зависит от давления (при 0,1 МПа — 9,9 мм/с).

Композиция чаще всего представляет собой стехиометриче-

скую смесь из 35 % Al и 65 % KClO4. Позднее в смесь AlClO стали добавлять этилцеллюлозную связку.

23

Система магний + тефлон + витон в основном применяется для воспламенителей, хотя дополнительно может использоваться в качестве источника инфракрасного излучения и теплового источника для разрушения различных систем и материалов. Состав может применяться в виде порошка, таблеток и блоков. Он имеет следующие преимущества:

является высокоэнергетическим источником, генерирующим продукты сгорания с повышенными энтальпией и температурой;

хорошо подвергается глухому прессованию и экструзии;

обеспечивает низкое содержание газовой фазы в продуктах сгорания.

Однако состав имеет наихудшие характеристики воспламенения по сравнению с другими системами, продукты сгорания являются токсичными, калорийность системы — 9196 кДж/кг, при давлении 0,1 МПа скорость горения зависит от соотношения компонентов; она примерно равна 1,8 мм/с.

Цирконий + хромат бария (Zr + ВаСrО4) является одной из наиболее легковоспламеняемых систем, которая применяется в относительно «безгазовых» воспламенителях в виде порошка или гранул. При горении она образует нагретые частицы конденсированной фазы. Система характеризуется низким степенным показателем давления в законе скорости горения, а также относительно небольшой калорийностью (2100 кДж/кг). При давлении 0,1 МПа скорость горения составляет 71 мм/с.

Пиротехническая композиция алюминий + оксид меди (Al +

+CuО) используется в порошкообразном и таблетированном виде. Система разработана для применения в ядерных боеприпасах ввиду стойкости компонентов к воздействию нейтронного излучения, отличается термической стабильностью и малым газовыделением, при горении образует нагретые конденсированные частицы. Калорийность системы —3600 кДж/кг, при давлении 0,1 МПа скорость горения — 39,5 мм/с.

Система черный порох + магний применяется в виде порошка

итаблеток. Ввиду низкой калорийности черного пороха во многих составах используется присадка магния. Хотя эта система получила широкое распространение, в результате расслоения компонентов смеси и протекания химических реакций между магнием и остаточной влагой в черном порохе возник ряд проблем, вследствие чего рабочие характеристики воспламенителя ухудшились. Калорийность системы — 4350 кДж/кг.

24

Композиция магний + нитрат натрия + нитрат калия (Mg +

+NaNО3 + KNO3) используется в виде порошка и таблеток. Для изготовления элементов основного заряда воспламенителя с большим временем горения в состав смеси добавляют смолу в качестве связующего. Покрытая смолой система обладает низкой гигроскопичностью. Вследствие образования при горении нагретых конденсированных частиц передача теплоты происходит более эффективно. Система характеризуется высокой калорийностью (6088 кДж/кг). При давлении 0,1 МПа скорость горения составляет примерно 3,8 мм/с.

Система цирконий + хромат свинца (Zr + PbCrO) применяется в виде порошка и таблеток, обладает хорошей воспроизводимостью, образует при горении горячие конденсированные частицы, имеет низкий степенной показатель в законе скорости горения. Составы этого типа используют при изготовлении основного заряда для относительно «безгазовых» воспламенителей. На практике эту систему можно использовать для замены состава Zr + BaCrO, когда необходима высокая скорость горения. Калорийность — 2079 кДж/кг, при давлении 0,1 МПа скорость горения — 3,05 мм/с.

Для воспламенения смесевых ТТ с высоким содержанием перхлората аммония используют пиротехническую смесь: цирконийникелевый сплав + перхлорат калия + нитрат бария (ZrNi + KClО4 +

+Ba(NО3)2). Составы на основе цирконий-никелевого сплава применяют в системах, в которых использование других воспламенительных смесей, содержащих металл и окислитель и имеющих повышенное бризантное действие, вызывает нежелательные пики давления. Эти составы применяют в виде порошка или таблеток. Они обладают низкой гигроскопичностью и повышенным тепловыделением; обеспечивают хорошие рабочие характеристики воспламенителей, предназначенных для высотного запуска РДТТ. Калорийность системы — 3762 кДж/кг, при 0,1 МПа скорость горения — 3,55 мм/с. Для технологичности в этот состав добавляют до 3 % этилцеллюлозы. Он используется в следующих массовых соотно-

шениях: Zr/Ni (50/50) — 32…54 %, КС1О4 — 26…50 %, Ba(NО3)2 —

15…17 %, этилцеллюлоза — 3 %.

25

2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ МАССЫ НАВЕСКИ ВОСПЛАМЕНИТЕЛЯ

Существуют три основных способа определения массы навески воспламенителя.

Первый способ — экспериментальный — является довольно простым, но наиболее дорогостоящим и опасным.

Второй способ — полуэмпирический — наиболее распространенный; он заключается в том, что на основе отработки различных типов ДУ получают полуэмпирические зависимости, связывающие необходимую массу навески воспламенителя, некоторые характеристики состава и параметры ДУ. Данный способ позволяет проводить расчеты, пригодные только для двигателей определенного класса.

Рассмотрим некоторые полуэмпирические зависимости для расчета массы навески воспламенителя:

q 30Джсм2 — количество теплоты, которое необходимо передать единице площади поверхности заряда для его надежного

26

воспламенения; S0 — начальная площадь поверхности горения заряда, см2; Qв — калорийность воспламенительного состава,

Дж/кг.

Кроме того, можно использовать формулу

где — доля конденсированной фазы в продуктах сгорания воспламенителя; pк.нач — начальное давление, которое должны соз-

дать продукты сгорания воспламенителя в камере сгорания двигателя (принимают pк.нач 30...40 % от установившегося давления в

камере); W0 — начальный свободный объем камеры сгорания двигателя, включая объем дозвуковой части сопла; Rв, Tв — газовая

постоянная и температура продуктов сгорания воспламенителя; fв — сила пороха, Дж/кг.

В прикидочных оценках массу воспламенительного состава для баллиститных ракетных топливных зарядов можно принимать из расчета 0,0012…0,0020 кг дымного ружейного пороха на каждый литр свободного объема камеры сгорания, а для канальных зарядов смесевого топлива — из расчета 0,15…0,20 кг воспламенительного состава на 1 м2 горящей поверхности заряда.

Третий способ определения массы навески воспламенителя — теоретический — основан на различных допущениях при моделировании процесса воспламенения. Этот способ является наиболее приемлемым при создании новых образцов ДУ. Рассмотрим основные особенности теоретического определения массы навески воспламенителя.

Для марок воспламенителей, используемых на практике, можно считать, что скорость горения воспламенителя uв не зависит от

давления и составляет 0,05 м/с.

Принимается, что площадь поверхности горения воспламенителя изменяется во времени t по следующему закону:

27

горящего свода.

Для расчета массы навески воспламенителя, позволяющей надежно воспламенить основной заряд во всем температурном интервале окружающей среды, необходимо знать момент вспышки ТТ. В настоящее время нет общепринятого критерия воспламенения. Это объясняется тем, что процесс воспламенения зависит не только от энергетического импульса, но и от рода ТТ и окружающей среды.

Для определения момента вспышки воспользуемся зависимостью, характеризующей динамическое равновесие (модель процесса теплопередачи). При этом количество теплоты, поступающее от продуктов сгорания воспламенителя, аккумулируется в реакционном слое, что приводит к полному его выгоранию:

(Tв Ts ) cт u(Ts Tн),

где т — коэффициент теплоотдачи от газов к топливу; т — постоянная коэффициента теплоотдачи; — плотность газов; Tв —

температура продуктов сгорания воспламенителя в момент вспышки ТТ; Ts — температура вспышки ТТ; Tн — начальная температу-

ра ТТ; cт — удельная теплоемкость ТТ; и — скорость горения ТТ.

После преобразований это уравнение динамического равновесия принимает вид

где pвсп — давление вспышки ТТ; — плотность ТТ; u1 — еди-

ничная скорость горения ТТ; Rв — газовая постоянная; — показатель степени закона горения.

Температуру Tв можно считать постоянной и определить по формуле

28

Tв k 1 Qв , k R

где k — показатель адиабаты продуктов сгорания; Qв — теплота

сгорания воспламенителя.

Приведенная формула для нахождения давления рвсп определяет давление, при котором интенсивность теплового воздействия продуктов разложения воспламенителя на поверхность заряда является достаточной для возбуждения устойчивого процесса горения. Поэтому данная формула дает завышенные значения давления вспышки. Для более точного его определения необходимо исходить из следующего условия:

где tвсп — интервал времени от начала горения воспламенителя до вспышки топлива; eр — толщина реакционного слоя; Тср — средняя температура поверхности заряда ТТ, Tср (Ts Tн) / 2.

Поскольку eр , получаем ucт

где — коэффициент теплопроводности топлива.

На практике задачу определения давления pвсп следует ре-

шать сближением результатов решения уравнения, приведенного выше, и уравнения, описывающего изменение давления в камере за счет горения только воспламенителя. Такой подход несколько сложнее, но его использование позволяет получить более точное

значение давления pвсп.

Для баллиститных топлив, когда 0,5...0,6, можно использовать первую формулу для определения давления pвсп.

29

Уравнение, описывающее изменение давления в камере за счет автономного горения воспламенителя, можно получить из общей системы уравнений внутренней баллистики РДТТ.

Полагая, что к моменту вспышки топлива объем камеры изменился несущественно, получаем

где ра — атмосферное давление.

Преобразуя эту зависимость, можно получить выражения для определения максимальных давления воспламенителя и времени достижения этого давления:

лучим соотношение для нахождения начальной площади поверхности горения воспламенителя

30