1.4. Оценка термостабильности зарядов

Способность шашек из баллиститных ТРТ (БТРТ) растрескиваться при повышенных температурах и влажности была обнаружена в 1946 г. При выяснении причин данного явления простым наблюдением установ­ лено:

-чем больше диаметр шашки при прочих равных условиях, тем она быстрее растрескивается; при равных диаметрах у бесканальных шашек целостность нарушается раньше;

-растрескивание шашки начинается, как правило, во внутренних слоях, затем на поверхности с торцов появляются вздутия;

-время до растрескивания зависит от состава пороха, способа его изготовления, температуры, влажности и габаритов изделия.

Термостабилыюсть - способность противостоять образованию внутренних дефектов в зарядах из баллиститного топлива вследствие про­ исходящих в них процессов химического разложения при длительном воздействии температуры. Количественной мерой термостабильности яв­ ляется индукционный период - время до появления внутренних дефектов в зарядах.

На основании сопоставления большого количества эксперименталь­ ных данных было показано, что на время до растрескивания заряда тинд существенно влияют следующие факторы.

В пределах конкретной пороховой смеси индукционные периоды по­ тери термостабильности тинд и давление прессования зарядов р пр(Хкоррели­ руют между собой: In тинл пропорционален 1прПреС. Уровень давления в за­ ряде после его изготовления является, естественно, функцией времени пребывания топливной массы в пресс-инструменте (Гв), которое зависит от габаритов изготавливаемых зарядов. Для малогабаритных зарядов время пребывания топливной массы в пресс-инструменте незначительно и на­

чальным газовым давлением в таких зарядах можно пренебречь. Для круп­ ногабаритных зарядов это время составляет несколько часов, в связи с чем начальное газовое давление в них необходимо учитывать при расчете тер­ мостабильности.

При изготовлении зарядов непрерывным способом, когда технологи­ ческий процесс достаточно стабилен, от партии к партии может меняться степень «созревания» массы в зависимости от времени пребывания ее в смесителях. Это, в свою очередь, скажется на различии термостабильности отдельных партий.

Изменение влажности зарядов (в пределах 1%) также влияет на тер­ мостабильность.

«Отдых» пороховых шашек после изготовления, более интенсивное охлаждение их приводит к повышению термостабильности (так же влияют и перерывы при испытаниях на термостабильность). Этот эффект в боль­ шей степени проявляется в случае крупногабаритных зарядов.

Величина индукционного периода зависит и от размеров зарядов. Увеличение толщины свода приводит к уменьшению индукционного пе­ риода.

Формование зарядов из баллиститных топлив происходит при тем­ пературе обогревающей воды 65-85 °С. При этом вода выполняет функции не столько обогревающего агента, сколько охлаждающего. Температура топливной массы повышается за счет интенсивных сдвиговых деформа­ ций, возникающих в процессе формования заряда. Образующиеся в ре­ зультате химических реакций газообразные продукты разложения, не имея возможности диффундировать наружу, накапливаются в толще топлива и создают избыточное давление. Интенсивное газообразование вызвано вы­ сокой температурой топливной массы, которая может достигать 100 °С и выше.

Влияние на термостабильность рассмотренных факторов свидетель­ ствует о сложной природе процесса разрушения зарядов при повышенных температурах и объясняет, в известной мере, разброс при определении тиид.

Первоначально существовали разные гипотезы, объясняющие явле­ ние растрескивания шашек.

Некоторые исследователи считали, что разложение пороха связано с течением химических процессов, которые зарождаются еще при производ­ стве НЦ и порохов. Иногда выделяющиеся продукты разложения полно­ стью не связываются стабилизаторами химической стойкости и катализи­ руют процесс разложения, в результате чего ослабляется механическая прочность, происходит растрескивание изделия.

Другие исследователи придавали большое значение физическим яв­ лениям: недостаточная сила взаимодействия между отдельными элемента­ ми в пороховом изделии приводит к наличию слабых «дефектных мест». При хранении пороха в условиях повышенных температур протекают ре­ лаксационные процессы, приводящие к росту напряжений, в результате которых появляются трещины.

И наконец, третья группа исследователей главной причиной рас­ трескивания выдвигала физико-химические изменения в пороховой шаш­ ке, вызывающие ее расслабление и приводящие к созданию в ней градиен­ тов по плотности, вязкости, концентрации пластификатора. Основная дви­ жущая сила, приводящая к образованию трещин, - это перемещение газо­ образных продуктов распада из внутренних слоев наружу.

Позднее стали считать, что появление трещин - это физическое яв­ ление, причинами которого можно назвать следующие: течение релакса­ ционных процессов в результате возникновения градиента напряжения при неравномерном остывании шашки после прессования; давление газообраз­ ных продуктов разложения; переупаковка макромолекул НЦ; различное изменение величин удельных объемов каждого из компонентов пороха

Таким образом, в продольном и поперечном сечениях выпрессованного и остывающего изделия из БП имеются напряжения, меняющиеся по мере охлаждения. Растрескивание изделия наблюдается при изменении со­ отношения между механической прочностью материала и внутренними напряжениями, т.е. в том случае, когда напряжения превышают предель­ ную механическую прочность материала или же по каким-то причинам ло­ кально падает механическая прочность.

Экспериментальный метод изучения термостабильности. В осно­ ву метода положено уравнение Аррениуса, согласно которому время до

растрескивания заряда можно описать как т = т0 • ехр -^эфф . Прологариф­

~RT

мировав это уравнение, получим 1пт = 1пт0 + ^>ФФ - уравнение прямой

RT

линии в переменных In т — . Суть метода состоит в том, что термостати-

рованием зарядов при нескольких постоянных температурах (обычно в диапазоне 60...80 °С) определяются индукционные периоды (тинд) потери термостабильности при каждой температуре. Обработкой эксперименталь­

ных данных в аррениусовской системе координат In Гинд - 1/Т определяется

температурный коэффициент потери термостабильности для исследуемого

заряда (£эфф), и, если необходимо, экстраполяцией зависимости

In Тинд=Л^/Т) на эквивалентную температуру для предполагаемого клима­ тического района оценивается ресурс заряда по термостабильности.

Величина индукционного периода Тинд весьма существенно зависит

Впроцессе экспериментальной отработки метода было показано, что

спонижением температуры величина температурного коэффициента £Эфф возрастает. Также было показано, что, во-первых, наблюдается тенденция

Рис. 11. Зависимость In гинд=У(1/7) для радиуса зарядов (Л„4<Л»,з<^н2<Лн|):

I - экспериментальная область;

II - область экстраполяции

1'Т

Отсюда следует, что экстраполяция экспериментальных данных по уравнению Аррениуса правомерна лишь при условии, если заведомо из­ вестно, что разрушение зарядов данного размера происходит либо в неста­ ционарной, либо в квазистационарной области во всем температурном

диапазоне форсированных испытаний и эксплуатации.

Данные по форсированным испытаниям зарядов не дают возможно­ сти для натурных изделий четко зафиксировать квазистационарную ветвь кривой In гшш=J[\/T) процесса потери термостабильности. Однако испыта­ ниями на образцах возможно подтвердить ее существование и определить

температурный коэффициент непосредственно по экспериментальным

данным. Такой эксперимент возможно провести в сжатые сроки на образ­ цах топлива диаметром 15 мм при температурах порядка 100 °С.

Расчетный метод. В настоящее время оказалось возможным по­ строить математическую модель, учитывающую кинетику химического разложения топлив, диффузию продуктов распада и накопление поврежде­ ний в заряде. Разработанная модель позволяет более корректно оценивать и прогнозировать термостабильность зарядов.

Большинство зарядов ТРТ имеют длину, значительно превышающую их диаметр, в связи с чем эти заряды можно рассматривать как неограни­ ченные цилиндры. Закон изменения концентрации газов в таких зарядах при наличии равномерно распределенных источников газовыделения опи­ сывается вторым уравнением диффузии Фика

^г=0

центрация газообразных продуктов распада (текущая и начальная по сво­

W - приведенная скорость газовыделения, W = JVoexр(------ ); W0 - пред-

RT

экспонентный множитель; Е - энергия активации процессов термораспа­ да; R - универсальная газовая постоянная; Т - температура.

Уравнение диффузии описывает накопление газообразных продуктов за счет разности скоростей их подвода вследствие химических процессов и диффузионного отвода.

Выделяющиеся газообразные продукты разложения, накапливаясь в порах материала, создают в них избыточное давление, которое приводит к возникновению напряжений в порах. Связь концентрации газообразных продуктов разложения, растворенных в топливе, с их парциальным давле­ нием в порах определяется законом Генри с = Kvp.

Указанный закон справедлив для газов с низкими критическими температурами. Такими газами и являются продукты разложения.

Изучение большого количества тонких срезов баллиститных топлив под микроскопом показало, что поры в них представляют собой пустоты средним диаметром от 5 до 200 мкм. Расстояние между порами во много раз превышает их размер. Рассмотрим напряженное расстояние топлива вокруг сферической поры, находящейся под действием избыточного внут­ реннего давления р.

Из решения упругой задачи для сферы, внутренний радиус которой пренебрежимо мал по сравнению с наружным, следует:

где ое, а7, агсоответственно тангенциальные, осевые и радиальные на­ пряжения; г0 - радиус поры; г\ - расстояние от рассматриваемой точки ма­ териала до центра поры.

На поверхности поры (Г\ = го) действуют максимальные растяги­ вающие напряжения, равные 0,5р и максимальные сжимающие, равные 1,0р.

В окрестностях поры напряжение чрезвычайно сильно и уменьшает­ ся с увеличением расстояния г. Например, при г\ = 3г0 напряжения состав­ ляют всего 0,04 от максимальных значений. Эквивалентное напряжение а на стенках поры, очевидно, также пропорционально величине избыточного давления:

a = tp,

где £ - коэффициент пропорциональности.

Теоретические оценки коэффициента £ по различным теориям проч­ ности (Мора, энергетической или по интенсивности напряжений) приводят

к значениям £ = 1,1... 1,3.

Время до начала разрушения пор при изменяющемся напряжении может быть вычислено из соответствующих критериев разрушения. В об­ щем виде критерий разрушения, учитывающий накопление повреждений,

записывается следующим образом:

вышеприведенное условие переходит в критерий Ильюшина, при X =

= ((1+Х)/Х) - 1 - в критерий Москвитина, при X = (1/0) - 1 - в известный критерий Бейли. В связи с этим можно принять:

/ — =1.

где т - механическая долговечность материала.

При а « стк (ак - предельная прочность материала) зависимость т(а) может быть представлена в виде

т = В&т,

где В и т - коэффициенты, определяемые экспериментально при испыта­ ниях образцов материала на долговечность.

Процесс разрушения заряда описывается уравнением вида:

где с - максимальная концентрация продуктов разложения, Кр - коэффи­ циент растворимости газов в топливе; £ - коэффициент пропорционально­ сти, определяющий зависимость возникающих напряжений от избыточно­ го давления газообразных продуктов разложения топлива.

Здесь принимается, что давление газообразных продуктов разложе­ ния р и их концентрация прямо пропорциональны друг другу с = Крр.

Приведенные выше уравнения представляют собой математическую модель процесса нарушения целостности заряда под действием избыточ­ ного давления газообразных продуктов разложения топлива. Границы ее применимости определяются следующими условиями:

•малая глубина разложения топлива в индукционном периоде (менее 0,1%), при которой можно пренебречь массоемкостью пор по сравнению с массой растворенного газа;

•поры в материале расположены на достаточно большом расстоянии друг от друга, так что их взаимодействием можно пренебречь;

• величина 0 определяет время до возникновения дефектов, обнару­ живаемых современными методами, т.е. до начала разрушения.

Очевидно, что максимальное давление газообразных продуктов в по­ рах и соответственно наибольшие напряжения на стенках пор развиваются

вцентральных слоях заряда.

Вслучае выделения из топлива смеси газов общее давление равно сумме парциальных давлений выделяющихся газов, а скорость газовыделения - сумме соответствующих скоростей:

р = Х р г.

Для инженерных расчетов смесь газов удобно заменить одним газом,

например азотом. Очевидно, скорость выделения W' смеси газов, приве­

денной к азоту W, должна быть такой, чтобы в любой момент времени дав­

ление соответствовало реальному.

Рис. 12. Решение задачи термостабильности

Определив из специально поставленных опытов все вышепере­

численные физико-химические и механические характеристики топли­