Ракетные твердые топлива. Ракетные двигатели на твердом топливе

Листы, получаемые при дифференциальном вальцевании, еще содержат слишком много воды. Дальнейшее вальцевание в течение приблизительно 15–20 мин завершает желатинизацию и позволяет удалить избыток воды. Это выполняется на вальцах, вращающихся с одинаковыми скоростями, и эта операция называется окончательным или финишным вальцеванием.

Вальцевание с целью измельчения полотна. Прежде чем поместить в цилиндр экструзионного пресса ламинированные листы, их следует отвальцевать до размера несколько меньшего, чем диаметр втулки пресса. Очень важно при проведении этой операции избежать теплопотерь.

Экструзия. Независимо от того, какой экструзионный пресс используется для переработки двухосновных топлив (горизонтальный или вертикальный), он всегда имеет втулку с обогреваемой рубашкой, в которой циркулирует горячая вода (70–80 °С),

ипоршень, движущийся внутри втулки. Он снабжается кольцевыми отверстиями для выхода воздуха. Крайне необходимо избежать капсюляции воздуха в отвальцованной таблетке, которая подается в пресс, потому что воздух может сильно нагреваться при адиабатическом сжатии и вызывать воспламенение топлива.

Втулки пресса имеют различные размеры: диаметр их может достигать 380 мм и они могут вмещать до 90 кг топлива. Днище втулки представляет собой вид фильтра с отверстиями – «ситовое полотно» (решетка), через которое материал продавливается во вторую втулку, расположенную непосредственно под экструзионным устройством. Это экструзионное устройство состоит из фильеры, которая определяет внешнюю форму вкладного заряда или элемента топлива (цилиндр, звезда, квадрат, прямоугольник и т.д.)

иимеет одну или несколько игл для создания канала в пределах требуемой формы заряда. При производстве больших зарядов экструзионный пресс снабжается одной фильерой или прессинструментом, а для небольших и среднего размера зарядов экструзионный пресс может снабжаться значительным количеством фильер (до 12). Операции выполняются в следующем порядке:

101

1)отвальцованная таблетка вводится во втулку пресса;

2)поршень опускается до достижения поверхности топлива (подвод поршня);

3)выполняется вакуумирование для удаления включенного или окклюдированного воздуха;

4)поршень приводится в движение с регламентируемой скоростью, чтобы осуществить процесс экструзии.

Чтобы гарантировать хорошую стабильность размеров экструдируемых элементов, необходимо обеспечить весьма точное регулирование и контроль обогрева пресс-инструмента или фильеры, чтобы поддерживать равномерную и постоянную температуру. Качество технологического процесса зависит от точности контроля операций экструзии. Чтобы определить тепловые и механические механизмы, участвующие в процессе экструзии, следует выполнить реологические исследования.

Для того чтобы воспроизвести термомеханику течения внутри пресс-инструмента (фильеры), была разработана модель, в которой

учитывается изменение вязкости как функции температуры и напряжения сдвига, которому подвергается топливо. Тепловые явления, однако, не происходят внутри топлива, а проявляются на его поверхности. Создается пограничный слой, и его характеристики управляют процессом течения и/или дефектами, вызываемыми разрывами. Известные законы, применимые к расплавленным полимерам, не принимают во внимание этот пограничный слой. Следовательно, даже если моделирование является довольно сложным, знание о появлении пограничного слоя определяет выбор геометрии пресс-инструмента. Например, профили, которые обладают склонностью разрушать или возмущать этот пограничный слой, должны быть исключены.

На выходе из экструзионного пресса полоса или элемент топлива разбухает из-за сброса давления. Чем выше давление экструзии, тем больше будет разбухание. Чтобы гарантировать воспроизводимость разбухания, давление экструзии устанавливается для каждого из составов, и кривая скорости опускания поршня также контролируется.

102

Обычно гидравлическое давление, которое создается, составляет приблизительно 18 МПа, обеспечивая давление, воздействующее на материал в пределах 70–100 МПа.

Кольца безопасности (или срезные кольца) ограничивают создаваемое давление и могут срезаться в случае воспламенения.

Разрезка. Экструдируемые секции разрезаются на элементы несколько большей длины, чем длина изготавливаемого заряда.

Машинная обработка. Полосы топлива или секции, которые подвержены разбуханию в большей или меньшей степени, в зависимости от условий экструзии, после охлаждения имеют определенную усадку. В связи с этим трудно получить размеры с требуемыми допусками без применения механической обработки.

Обеспечение окончательной длины производится после завершения охлаждения, иногда даже после периода старения. Подрезка обычно выполняется с помощью фрезы. С использованием токарных станков, фрез, сверл снаружи и изнутри заряд может быть точно доработан в соответствии с требованиями.

Большая часть режущего инструмента охлаждается жидкостью при механической обработке, а образующаяся стружка удаляется с помощью вакуума.

Бронирование. Большая часть зарядов для ракетных двигателей должна быть забронирована по внешней поверхности, а в некоторых случаях – по внутренней поверхности. Имеются различные методы бронирования, которые зависят от формы и размеров зарядов. Они также зависят от природы бронирующего материала. Типичными материалами являются:

1)наполненные и ненаполненные сложные полиэфиры, заливаются в качестве бронепокрытий с низкой вязкостью и применимы к литьевым процессам;

2)силиконовые полимерные смолы, подаются методом инжекции в формы, в которые помещены твердотопливные заряды;

3)полиуретановые бронепокрытия, в настоящее время становятся довольно популярными, которые инжектируются вокруг твердотопливного заряда, поверхность которого покрыта праймером.

103

3.6. Другие процессы изготовления зарядов из топлив

Описанный выше процесс является процессом, широко применяемым для производства зарядов из топлива без растворителя. Значительное количество энергии вкладывается в материал, придавая изготавливаемым таким способом топливам отличные баллистические и механические свойства. Однако имеются некоторые изменения в производстве топлива (каландрование и штамповка); новые технологии (например, шнековая экструзия), широко используемые в производстве пластмасс, заменяют общепринятые процессы.

Каландрование. Каландрование позволяет получить листы или полосы практически постоянной толщины от 0,075 до 2 мм и с текстурированной поверхностью, включая ребра, рубцы, зубцы, решетки и другие вариации. Листы топлива с финишных экструзионных вальцев, описанных ранее, пропускаются через каландровые вальцы.

Каландр является мощной валковой машиной, в которой валки имеют поверхность, созданную для производства топлива. Валки также обогреваются и имеют переменные скорости вращения.

Штамповка (или горячее формование). Штамповка является процессом горячего формования или термоформования кусков твердого ракетного топлива или заготовок, полученных с помощью прессовой или шнековой экструзии. Эти заготовки вначале разрезаются, чтобы иметь приблизительно тот же самый вес и размер, что

ибудущий заряд. Операция проводится в несколько этапов:

1)заготовка или кусок топлива помещается в форму, которая состоит из фильеры с желаемым внешним профилем, и штампом с дополнительным требуемым геометрическим профилем;

2)форма закрывается, температура повышается до 80–90 °С – температуры формования, и создается давление 3 кПа;

3)штамп перемещается внутри полости фильеры для сжатия

иперемещения размягченного топлива для получения требуемой окончательной формы;

4)штамп удаляется из фильеры.

104

Преимущество этого процесса заключается в том, что он позволяет получить геометрические формы, которые не могут быть получены экструзией, такие как заряды, в которых канал открыт только с одного торца, типа голова–конец (head–end) и другие сложные образцы.

Шнековая экструзия. Технологический процесс производства экструдируемых двухосновных твердых ракетных топлив (EDB) включает в себя много последовательных фаз, которые являются экономически невыгодными при серийном производстве.

Различные попытки были сделаны, чтобы заменить процесс производства экструдируемых двухосновных твердых ракетных топлив на непрерывный и более экономически выгодный процесс (используя растворители и без них).

Наиболее сложные попытки были сделаны по использованию технологии, широко применяемой в производстве пластмасс, т.е. процесса шнековой экструзии. После значительного периода адаптации этот процесс в настоящее время используется для промышленного массового производства зарядов из экструдируемых двухосновных топлив.

Два экструдера используются последовательно: они спроектированы для того, чтобы выполнить следующие операции: агломерационное вальцевание, окончательное вальцевание и экструзию. Пластификация остается единственной операцией, которая сохраняется вследствие важности точного измерения количеств различных ингредиентов в составе топлива. Эти шнековые экструдеры включают в себя:

систему контроля и регулирования температуры в шнеке

ив пресс-инструменте;

установку выхлопных каналов (exhaust ducts), чтобы обеспечить удаление воды и газов;

пресс-инструмент или фильеру на конце экструдера, используемые для формования материала.

Первый экструдер используется с регулируемым шнеком; это гарантирует желатинизацию влажной смеси. Смесь, превратив-

105

шаяся в гранулы, подается непрерывно во второй экструдер. Эти гранулы или таблетки могут быть также получены в непрерывном процессе вальцевания. Второй экструдер, который используется с двумя параллельными шнеками, завершает гомогенизацию смеси и гарантирует формование материала.

Несмотря на экономические преимущества этот процесс является опасным, и работа должна выполняться дистанционно.

Современные продукты. Имеется очень широкий выбор двухосновных экструдируемых топлив. Размеры зарядов могут быть от тонких прутков (наружный диаметр 1,5–5 мм) до большого диаметра (около 500 мм).

Многие экструзионные профили, включая заряды торцевого горения, были созданы с множеством перфораций, с наружной формой в виде звезды с цилиндрическими и звездообразными центральными каналами. Вес зарядов изменяется от нескольких граммов, в случае элементов для воспламенения, до нескольких десятков килограммов для ускорителей ракет класса земля–воздух.

Цикл производства топлив относительно короткий. Операции смешения, вальцевания и экструзии могут быть выполнены за один день. Это делает процесс технологичным для крупномасштабного производства.

3.7. Производство литьевых двухосновных твердых ракетных топлив (CDB)

Этот процесс включает в себя две основные фазы:

1. Производство заливочного пороха, который содержит нитроцеллюлозу и твердые ингредиенты, а также часть инертных пластификаторов и иногда нитроглицерин. Этот порох поступает

ввиде небольших цилиндров с диаметром и длиной около 1 мм.

2.Фаза заливки и отверждения. Заливочный порох помещается в форму. Заливочный растворитель, состоящий главным образом из десенсибилизированного нитроглицерина, заполняет промежутки между зернами. Нагрев при средней температуре приводит к пенетрации заливочного растворителя в зерна пороха, приводя к получению гомогенного твердотопливного заряда.

106

3.7.1. Производство литьевого пороха

Подготовка сырьевых материалов. Сырьевые материалы используются без какой-либо специальной обработки. Однако нитроцеллюлоза, хранимая во влажных условиях, подвергается обезвоживанию с помощью этилового спирта.

Если заливочный порох содержит нитроглицерин, то необходима операция предварительного смешения. Она состоит в пропитке обезвоженной нитроцеллюлозы раствором нитроглицерина в ацетоне. Эта операция проводится в смесителе, оборудованном одной медленно вращающейся вертикальной мешалкой.

Пластификация. Все ингредиенты смешиваются вместе в соответствующих растворителях, чтобы получить экструдируемую пасту. Хотя различные растворители могут быть использованы для этой операции, однако наиболее часто используются смеси простого эфира и спирта или ацетона и спирта.

Пластификация, которая имеет место в горизонтальном смесителе с Z-образными мешалками, позволяет получить однородную смесь всех ингредиентов пороха и обеспечивает возможность начала желатинизации нитроцеллюлозы в присутствии летучих растворителей и пластификаторов. На желатинизацию влияют различные факторы:

1.Количество растворителя, оно регулируется в зависимости от состава и качества нитроцеллюлозы. Соотношение растворителя и пасты оказывает значительное влияние на сольватацию/желатинизацию нитроцеллюлозы и в результате на баллистические и механические свойства конечного продукта.

2.Состав желатинизирующего растворителя, т.е. относительных пропорций простого эфира и спирта или ацетона и спирта.

3.Порядок введения ингредиентов. Нитроцеллюлоза, если ее

необходимо предварительно смешать с нитроглицерином, вводится вначале, а операция смешения начинается с растворителем, так чтобы приготовить пасту, готовую для последующей гомогенизации различных ингредиентов: пластификаторов и баллистических катализаторов.

107

4.Температура, поддерживается ниже температуры кипения растворителя, примерно в диапазоне 30–40 °С.

5.Продолжительность операции смешения, обычно менее

чем 4 ч.

Экструзия. После смешения паста уплотняется во втулке экструзионного пресса, который, в отличие от прессов для топлив без растворителя, не требует тщательного теплового контроля и системы вакуумирования. Операция контролируется таким образом, чтобы гарантировать постоянную скорость экструзии, потому что эта скорость оказывает прямое влияние на размер экструдируемых прутков (диаметром около 1 мм). Характеристики пасты при экструзии являются, в основном, функциями ее состава и степени желатинизации.

Удаление растворителей. Шнуры, получаемые на экструзионном прессе, помещаются в печь, чтобы удалить большую часть остаточных растворителей. В результате этого шнуры (прутки) получаются определенной твердости, что облегчает их резку.

Резка. Качество резки, обычно осуществляемой с помощью гильотины, является очень важным, потому что оно прямо влияет на объемную плотность или плотность упаковки пороха. Обычно длина отрезаемого элемента эквивалентна диаметру шнура, т.е. составляет 1 мм.

Окончательная сушка. Большая часть растворителей удаляется в ходе предыдущих операций; однако остаточные растворители поглощаются нитроцеллюлозными волокнами, и простого теплового воздействия может быть недостаточно для их полного удаления. Следовательно, следующий этап может включать в себя вымачивание продукта в течение нескольких дней в горячей воде (60–80 °С). Горячая вода ускоряет удаление растворителей. Вода имеет малое химическое сродство к нитроцеллюлозе и может быть легко удалена при сушке горячим воздухом (60 °С). Доля летучего материала в порохе уменьшается до величины, близкой к 1 %.

Окончательная обработка. После фазы сушки заливочный порох часто покрывается графитом. Это уменьшает его электростатические заряды и улучшает его текучие свойства. Эта опера-

108

ция также позволяет осуществить шлифовку зерен, т.е. удаление шероховатости поверхности, увеличение объемной плотности или плотности упаковки зерен пороха. Эта операция проводится либо периодическим способом в смесительном аппарате башенного типа или в машине для графитования, либо непрерывным способом в бункере с бесконечным шнеком.

Отдельные мешки заливочного пороха смешиваются вместе для получения большой гомогенной партии. Эта операция весьма важна, потому что однородность свойств литьевого топлива в большей степени определяется свойствами заливочного пороха (порошка).

Контроль свойств. Определенное число характеристик заливочного пороха систематически контролируется:

содержание влаги и летучих компонентов в конечном продукте ограничивается 0,7 % влаги и 1,8 % летучих компонентов;

кажущаяся или гравиметрическая плотность, которая определяет объемную степень упаковки зерен в порохе и, следовательно, прямо связана с составом топлива;

химический состав и, в частности, количество стабилизаторов баллистических катализаторов и графита;

термостабильность, которая контролируется с помощью теста по тепловой обработке образца, в котором температура повышается до 108,5 или 120 °С, и определяется время, требуемое для эмиссии окислов азота;

теплота взрывчатого превращения, которая определяет конечные энергетические свойства топлива.

3.7.2. Получение заливочного растворителя (среды)

Заливочный растворитель является смесью нитроэфиров

иинертных пластификаторов. Последние называются десенсибилизаторами, потому что они уменьшают чувствительность к удару

итрению нитроэфиров.

Широко используемые растворители получаются смешением нитроглицерина и триацетина, который получается хорошим десенсибилизатором нитроглицерина (рис. 3.2).

109