Ракетные твердые топлива. Ракетные двигатели на твердом топливе
.pdfМинистерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Пермский национальный исследовательский политехнический университет»
А.С. Ермилов, Э.М. Нуруллаев, Г.В. Куценко
РАКЕТНЫЕ ТВЕРДЫЕ ТОПЛИВА. РАКЕТНЫЕ ДВИГАТЕЛИ НА ТВЕРДОМ ТОПЛИВЕ
Утверждено Редакционно-издательским советом университета
в качестве учебного пособия
Издательство Пермского национального исследовательского
политехнического университета
2016
1
УДК 621.453/.457-66 (075.8) Е73
Рецензенты:
д-р техн. наук, профессор Р.В. Бульбович (Пермский национальный исследовательский политехнический университет);
д-р техн. наук, профессор В.М. Зиновьев (Научно-исследовательский институт полимерных материалов)
Ермилов, А.С.
Е73 Ракетные твердые топлива. Ракетные двигатели на твердом топливе : учеб. пособие / А.С. Ермилов, Э.М. Нуруллаев, Г.В. Куценко. – Пермь : Изд-во Перм. нац. исслед. политехн.
ун-та, 2016. – 299 с.
ISBN 978-5-398-01653-6
Приведены основные характеристики твердых ракетных топлив, их классификация, ингредиенты твердых ракетных топлив. Рассмотрены свойства смесевых твердых ракетных топлив, основные группы и области применения твердых ракетных топлив. Показаны преимущества перспективных твердых ракетных топлив на основе энергетических связующих, физические и химические процессы горения этих топлив. Рассмотрены конструкции твердотопливных ракет и двигателей.
Предназначено для студентов, обучающихся по программе подготовки специалистов для аэрокосмической и химико-технологической отрасли, а также для инженеров, научных сотрудников, работающих в этой области.
УДК 621.453/.457-66 (075.8)
ISBN 978-5-398-01653-6 |
© ПНИПУ, 2016 |
2
ОГЛАВЛЕНИЕ |
|
ВВЕДЕНИЕ........................................................................................... |
8 |
Глава 1. СМЕСЕВЫЕ ТВЕРДЫЕ РАКЕТНЫЕ ТОПЛИВА........... |
17 |
1.1. Состав смесевых твердых ракетных топлив......................... |
18 |
1.2. Характеристики, связанные с функциональными |
|
концевыми группами.............................................................. |
27 |
1.2.1. Поперечно сшивающий агент...................................... |
28 |
1.2.2. Пластификаторы............................................................ |
30 |
1.2.3. Добавки .......................................................................... |
31 |
1.2.4. Регулирование скорости горения................................. |
31 |
1.2.5. Поверхностно-активные вещества |
|
и связующие агенты................................................................ |
35 |
1.2.6. Различные добавки........................................................ |
38 |
1.3. Производственные методы и контроль качества ................. |
45 |
1.3.1. Операции смешения...................................................... |
46 |
1.3.2. Приготовление полимерного связующего |
|
(предварительная смесь)......................................................... |
46 |
1.4. Заливка зарядов....................................................................... |
49 |
1.5. Описание основных процессов литья зарядов...................... |
53 |
1.6. Температура отверждения и концевые операции ................ |
59 |
1.7.Влияние производственных процессов изготовления твердотопливных зарядов на их характеристики горения,
на механическую и структурную целостность..................... |
61 |
1.8. Контроль качества................................................................... |
64 |
1.8.1. Метод неразрушающего контроля или инспекция ... |
65 |
1.8.2. Внутренний контроль ................................................... |
66 |
Глава 2. СВОЙСТВА СМЕСЕВЫХ ТВЕРДЫХ |
|
РАКЕТНЫХ ТОПЛИВ....................................................................... |
73 |
2.1. Энергетические характеристики и характеристики |
|
горения(стандартный практическийудельный импульс)....... |
73 |
2.2. Механические характеристики.............................................. |
75 |
3
2.3. Старение смесевых твердых ракетных топлив..................... |
77 |
2.4. Характеристики безопасности и пиротехническое |
|
поведение................................................................................. |
79 |
2.5. Вид разложения смесевых твердых ракетных топлив......... |
82 |
2.6. Чувствительность к механическому воздействию............... |
83 |
2.7. Чувствительность к тепловому воздействию....................... |
84 |
2.8. Чувствительность к статическому электричеству .............. |
84 |
Глава 3. ДВУХОСНОВНЫЕ ТВЕРДЫЕ |
|
РАКЕТНЫЕ ТОПЛИВА.................................................................... |
89 |
3.1. Составы и сырьевые материалы ............................................ |
90 |
3.2. Характеристики сырьевых материалов. |
|
Энергетические сырьевые материалы................................... |
94 |
3.3. Технологические добавки ...................................................... |
96 |
3.4. Основные фазы производственного процесса...................... |
98 |
3.5. Процесс производства экструдируемых |
|
двухосновных твердых ракетных топлив (ЕDB).................. |
99 |
3.6. Другие процессы изготовления зарядов из топлив............ |
104 |
3.7. Производство литьевых двухосновных |
|
твердых ракетных топлив (CDB)......................................... |
106 |
3.7.1. Производство литьевого пороха................................ |
107 |
3.7.2. Получение заливочного растворителя (среды) ........ |
109 |
3.7.3. Производство литьевых двухосновных |
|
твердых ракетных топлив..................................................... |
110 |
3.7.4. Другие процессы.......................................................... |
114 |
3.8. Характеристики двухосновных твердых |
|
ракетных топлив.................................................................... |
115 |
3.8.1. Физико-химические характеристики......................... |
115 |
3.8.2. Механические характеристики.................................. |
117 |
3.8.3. Баллистические характеристики................................ |
119 |
3.8.4. Параметры, влияющие на скорость горения ............ |
120 |
3.8.5. Процесс производства двухосновных топлив.......... |
120 |
3.8.6. Энергетические характеристики................................ |
122 |
3.9. Эксплуатационные характеристики.................................... |
124 |
3.9.1. Сигнатура..................................................................... |
124 |
4
3.9.2. Нестабильность горения............................................. |
127 |
3.10. Химическая стабильность .................................................. |
131 |
3.11. Параметры, влияющие на химическую стабильность..... |
135 |
3.12. Старение............................................................................... |
135 |
3.13. Характеристики безопасности........................................... |
136 |
3.14. Склонность к воспламенению............................................ |
138 |
Глава 4. ПЕРСПЕКТИВНЫЕ ТВЕРДЫЕ РАКЕТНЫЕ |
|
ТОПЛИВА НА ОСНОВЕ ЭНЕРГОЕМКИХ |
|
ПОЛИМЕРНЫХ СВЯЗУЮЩИХ.................................................... |
141 |
4.1.Определение семейства твердых ракетных топлив на основе перспективных энергетических
полимерных связующих....................................................... |
141 |
4.2. Преимущества перспективных твердых |
|
ракетных топлив на высокоэнергетическом |
|
полимерном связующем....................................................... |
142 |
4.3. Сырьевые материалы............................................................ |
143 |
4.3.1. Основные положения.................................................. |
143 |
4.3.2. Компоненты полимерного связующего. |
|
Состав перспективных энергетических |
|
полимерных связующих............................................. |
144 |
4.3.3. Полимеры..................................................................... |
145 |
4.3.4. Энергетические пластификаторы.............................. |
147 |
4.3.5. Инертные пластификаторы ........................................ |
149 |
4.3.6. Отверждающие агенты ............................................... |
150 |
4.3.7. Наполнители................................................................ |
151 |
4.3.8. Окислители .................................................................. |
152 |
4.4. Различные добавки................................................................ |
154 |
4.5. Проблемы производственных процессов............................ |
155 |
4.5.1. Принципы производства перспективных |
|
твердых ракетных топлив с энергетическим |
|
полимерным связующим............................................ |
155 |
4.5.2. Производство высокоэнергетических |
|
твердых ракетных топлив (XLDB – NEРE) .............. |
159 |
5
4.5.3. Производство зарядов твердого ракетного |
|
топлива (заливка, отверждение, окончательная |
|
доработка и контроль качества)................................. |
164 |
4.6. Характеристика перспективных твердых |
|
ракетных топлив с энергетическими |
|
полимерными связующими.................................................. |
165 |
4.6.1. Физические и физико-химические |
|
характеристики............................................................ |
165 |
4.6.2. Механические свойства.............................................. |
169 |
4.7. Скорость горения перспективных |
|
твердых ракетных топлив на энергетическом |
|
полимерном связующем....................................................... |
176 |
4.7.1. Скорость горения твердых ракетных |
|
топлив CMCDB ........................................................... |
176 |
4.7.2. Скорость горения твердых ракетных топлив |
|
XLDB и НЕПЕ............................................................. |
178 |
4.8. Энергетические характеристики.......................................... |
180 |
4.8.1. Теоретическое совершенство..................................... |
180 |
4.8.2. Измеренное совершенство ......................................... |
182 |
4.9. Функциональные характеристики....................................... |
183 |
4.9.1. Сигнатура..................................................................... |
183 |
4.9.2. Нестабильность горения............................................. |
184 |
4.10. Старение............................................................................... |
187 |
4.11. Характеристики безопасности........................................... |
190 |
4.11.1. Правила безопасности при производстве |
|
эффективных твердых ракетных топлив |
|
на энергетическом полимерном связующем........... |
191 |
4.11.2. Безопасность твердотопливных зарядов................. |
194 |
Глава 5. ГОРЕНИЕ ТВЕРДЫХ РАКЕТНЫХ ТОПЛИВ............... |
197 |
5.1. Физические и химические процессы................................... |
197 |
5.2. Процесс воспламенения........................................................ |
202 |
5.3. Гашение или прекращение действия силы тяги................. |
206 |
5.4. Нестабильность горения....................................................... |
209 |
6
5.4.1. Акустические нестабильности................................... |
209 |
5.4.2. Аналитические модели и моделирование |
|
стабильности горения................................................. |
217 |
5.4.3. Оценка стабильности горения, |
|
средства и конструкция.............................................. |
218 |
5.4.4. Нестабильность, связанная |
|
с образованием вихрей............................................... |
222 |
Задачи к главе 5 ............................................................................ |
223 |
Глава 6. КОМПОНЕНТЫ И КОНСТРУКЦИИ |
|
ТВЕРДОТОПЛИВНЫХ РАКЕТНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ................. |
225 |
6.1. Корпус двигателя на твердом ракетном топливе............... |
225 |
6.1.1. Конструкция корпуса двигателя, |
|
материалы для его изготовления............................... |
225 |
6.1.2. Металлические корпуса.............................................. |
234 |
6.1.3. Корпуса из композиционных материалов................. |
239 |
6.2. Сопла. Классификация.......................................................... |
243 |
6.3. Проектирование и изготовление.......................................... |
246 |
6.4. Поглощение (абсорбция) тепла и материалы сопла........... |
254 |
6.5. Детали воспламенителя........................................................ |
267 |
6.5.1. Пиротехнические воспламенители............................ |
268 |
6.5.2. Пирогенные воспламенители..................................... |
270 |
6.5.3. Анализ воспламенителя и его конструкции.............. |
275 |
6.6. Подход к проектированию твердотопливного |
|
ракетного двигателя.............................................................. |
277 |
Задачи к главе 6 ............................................................................ |
288 |
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК............................................. |
293 |
7
ВВЕДЕНИЕ
Производство порохов, твердых ракетных топлив, взрывчатых веществ, пиротехнических составов за последнее время превратилось в отдельное направление химической промышленности – специальной химии. Ее развитие, наряду с широким применением в мирных целях, дало мощный толчок в развитии артиллерийского и ракетного вооружения. Особое место здесь занимает наука и техника о порохах и твердых ракетных топливах, которая формирует, классифицирует компонентную базу, рецептуры и технологические процессы производства зарядов из этих высокоэнергетических материалов. В той или иной степени производством порохов и твердых ракетных топлив владеют примерно 35 стран мира, среди которых необходимо выделить США, Россию, Германию, Францию, Великобританию, Швецию, Финляндию, Китай.
Одной из характеристик развития спецхимии может служить диапазон по массе изготавливаемых зарядов: от нескольких граммов до сотен тонн. В настоящее время самым крупным является сегментированный ракетный двигатель на твердом топливе (РДДТ), являющийся стартовым ускорителем к космическому кораблю «Спейс-Шаттл» массой 500 т. Для запуска используется два стартовых ускорителя.
Другим примером является стартовый ускоритель франкоитальянского производства к космическому кораблю «Ариан-5» массой 237 т. Для старта также используется два ускорителя. Важным моментом является многоразовое использование отработанных паров РДТТ. С учетом возможности транспортно-технологических устройств максимальный размер секции РДТТ составляет 100–120 т, но в перспективных проектах обсуждается и возможность изготовления и моноблочных РДТТ.
Кроме того, и «Спайс-Шатлл», и «Ариан-5» используют несколько десятков вспомогательных РДТТ. Масштабность этих ра-
8
бот впечатляет. Возможно, и Россия с созданием космодрома «Восточный» будет реализовывать планы по созданию таких гигантских ускорителей.
Трудно перечислить все области применения РДТТ: это воен- но-технические стратегические комплексы, комплексы ПКО, ПВО, ПРО, тактические ракеты класса «воздух–воздух», «воздух– земля», комплексы залпового огня, противотанковые управляемые снаряды (ПТУРсы), газогенераторы и т.д.
Каждое применение РДТТ формирует и свои требования к порохам и твердым ракетным топливам (по энергетике, баллистике, механическим свойствам, времени работы и эксплуатации). В мировой практике отработана методология разработки зарядов из порохов и твердых ракетных топлив.
Обсуждаемыми параметрами являются энергетические характеристики (удельный импульс, сила пороха), баллистика (скорость горения, показатель давления в законе скорости горения, температурный коэффициент скорости горения, количество и состав конденсированной фазы, устойчивость горения), механические свойства (свойство при одноосном растяжении, прочность, деформация и модуль, коэффициент Пуассона, влияние температуры и скорости деформации, их изменение в процессе эксплуатации), техникоэкономические показатели их производства.
Когда-то стоимость пороха сравнивали со стоимостью шоколада, в настоящее время стоимость пороха и твердых ракетных топлив превышает стоимость шоколада на порядок. Одной фразой экономические факторы можно записать как «стоимость – эффективность».
Развитие производства порохов и твердых ракетных топлив стимулировало развитие производства полимеров, каучуков, пластификаторов, стабилизаторов, неорганических и органических окислителей, катализаторов. Конечно, специалисту в области порохов и твердых ракетных топлив крайне важно знать и понимать сложившуюся терминологию этого направления, при этом надо учесть, что она в настоящее время до конца не стандартизирована.
9
В справочнике Р. Майера, Д. Кехлера, А.Р. Хомберга «Взрывчатые вещества» записано: «Твердое ракетное топливо – это взрывчатый материал с относительно низкой управляемой скоростью горения. Может быть либо твердым, либо пластичным, горит с постоянной скоростью после воспламенения без доступа атмосферы. Односоставное топливо состоит, главным образом, из нитроцеллюлозы. Двухсоставное твердое ракетное топливо содержит нитроцеллюлозу и нитроглицерин. Смесевое твердое ракетное топливо содержит окислители в матрице связующего».
Типы твердых ракетных топлив:
1.Смесевое твердое ракетное топливо представляет собой тонкоизмельченные окислители, диспергированные в матрице горючего – связующего. В качестве окислителей могут использоваться:
1) нитрат аммония;
2) перхлораты аммония и калия;
3) нитрамины (гексоген, октоген, cz-20);
4) аммониевая соль динитроазовый кислоты (АДНА). В качестве металлических горючих:
1) алюминиевый порошок;
2) порошок бора, циркония;
3) порошок алюминиево-магниевых сплавов;
4) порошкообразный бериллий.
2.Двухосновное твердое ракетное топливо: гомогенное коллоидного типа топливо, состоящее из нитроцеллюлозы, пластификатора, состоящего из нитроэфиров и инертных веществ.
3.Пластизольное: смесевое или двухосновное топливо, в котором полимер растворен в пластификаторе.
4.Смесевое двухосновное твердое ракетное топливо: двухосновное твердое ракетное топливо, содержащее в дисперсной фазе тонкоизмельченный окислитель и обычно порошкообразное горючее (алюминий).
5.Одноосновное твердое ракетное топливо: коллоидный раствор нитроцеллюлозы и инертных пластификаторов.
10