Ракетные твердые топлива. Ракетные двигатели на твердом топливе

Явление желатинизации у литьевых двухосновных твердых ракетных топлив связано, главным образом, с химическим действием растворителя, используемого для производства заливочного пороха. Поэтому количество растворителя, вводимого в смеситель, в частности ацетона, вероятно, оказывает влияние на характеристики конечного продукта. Большое количество ацетона ускоряет желатинизацию, исчезает волокнистая структура нитроцеллюлозы. Заливочный порох в достигнутом состоянии желатинизации обладает меньшим сродством к заливочному растворителю, что приведет к затруднениям проникновения его внутрь элементов заливочных порохов. Конечное топливо в результате этого будет более гетерогенным, и баллистические свойства, которые связаны с гомогенностью и состоянием желатинизации, будут изменяться.

Способы переработки экструдируемых и литьевых двухосновных топлив были проверены в производстве топлив. Из-за эффективных механических и тепловых воздействий при вальцевании экструдируемые двухосновные топлива становятся лучше желатинизируемыми и более гомогенными. Сравнение баллистических свойств (рис. 3.7) показывает, что экструдируемые двухосновные твердые ракетные топлива имеют более высокую скорость горения.

Рис. 3.7. Влияние производственного процесса на баллистические характеристики экструдируемых и литьевых двухосновных твердых ракетных топлив

121

Эффект «плато» двухосновных составов достигается использованием каталитических систем, изменяющих энергетический уровень состава.

Скорость горения в области «плато» связана с эффектом сверхили суперскорости, вызываемым баллистическими модификаторами. В результате этого более высокий энергетический уровень приводит обычно к более высокой скорости горения.

Энергетический уровень также оказывает значительное влияние на температурный коэффициент, который увеличивается с повышением энергии состава.

3.8.6. Энергетические характеристики

Энергетические характеристики обычно выражаются через удельный импульс (в секундах). В качестве альтернативы необходимости систематических экспериментальных измерений на стандартном заряде применяются упрощенные подходы, используемые для определения следующих энергетических характеристик топлива:

теоретического удельного импульса, определяемого на основе термодинамических расчетов;

теплоты взрывчатого превращения, соответствующего измерению калорийности при горении топлива.

Теоретическое совершенство. Теоретическое совершенство данного состава может быть рассчитано по следующим параметрам: атомарный состав топлива (С, Н, О, N и др.); химическое равновесие в камере сгорания; условия горения (расширение газов).

Теплота взрывчатого превращения. Теплота взрывчатого пре-

вращения позволяет осуществить простое измерение энергетического уровня. Операция проводится в калориметрическойзакрытойбомбе и заключается в измерении повышения температуры определенного количества воды при сжигании заданного количества топлива.

Величина теплоты взрывчатого превращения состава может быть также определена путем расчета взвешенной алгебраической суммой калориметрических свойств компонентов.

122

Достигнутый диапазон. Теплота взрывчатого превращения является, главным образом, функцией количеств основных компонентов (нитроглицерин 1750 кал/г, нитроцеллюлоза 920 кал/г, инертный пластификатор 1300 кал/г), а также от ее величины зависит появление эффекта «плато». Увеличение энергетического уровня приводит, фактически, к уменьшению эффекта «плато» изза потери эффективности катализаторов горения.

На сегодняшний день самые высокие совершенства с приемлемыми баллистическими характеристиками составляют приблизительно 1100 кал/г для экструдируемых двухосновных топлив и 900 кал/г для литьевых двухосновных топлив. Увеличение энергетического уровня, значительно превышающего эти величины, может быть достигнуто за счет добавления нитраминов.

Соотношение между удельным импульсом и теплотой взрывчатого превращения. Существует линейная зависимость между удельным импульсом и калориметрической величиной (рис. 3.8). Разница между теоретическим импульсом и реализованным удельным импульсом для модельного ракетного двигателя весом приблизительно 2 кг составляет около 15 с.

Рис. 3.8. Диаграмма корреляции между измеренным и теоретическим удельным импульсом и теплотой взрывчатого превращения двухосновных твердых ракетных топлив

123

Вес модельного или эталонного заряда также является немаловажным фактором. Например, разница в 2 с в удельном импульсе будет найдена, в зависимости от того, будет ли измерение выполнено на стандартном двигателе с зарядом, имеющим центральный звездообразный канал диаметром 203 мм, длиной 500 мм и весом 19 кг или на двигателе с зарядом диаметром 90 мм, длиной 300 мм и весом 2 кг.

3.9. Эксплуатационные характеристики

3.9.1. Сигнатура

Дым. Горение топлива и разложение за счет пиролиза инертных материалов ракетного двигателя (бронепокрытия и теплоизоляция) генерируют дым в продуктах сгорания, который может вызвать вредные последствия либо за счет влияния на управление ракетой, либо обнаружением места запуска. Следует различать первичный и вторичный дым. Первичный дым может быть связан с наличием конденсированных частиц (окислов металлов), образующихся при сгорании топлива. Вторичный дым может получаться в результате конденсации продуктов сгорания (H2O, например) или смешения паров влаги атмосферы с некоторыми продуктами сгорания (HCl, HF и др.).

Оценку количества дыма, образуемого сжигания топлива, позволяют выполнить:

термодинамический расчет, используемый для определения химических продуктов, образующихся при горении;

визуальная оценка;

оптические измерения, выполненные в диапазоне видимых

иинфракрасных длин волн.

Гомогенные топлива не образуют вторичного дыма и лишь немного образуют первичный дым, так как они не содержат восстановителей и имеют лишь небольшое количество металлических частиц во вводимых добавках, к которым относятся:

124

1)баллистические модификаторы, состоящие из солей органических кислот и неорганических соединений меди и свинца;

2)твердые добавки для демпфирования, вообще состоящие из тугоплавких окислов, значительно ограниченных по вводимому количеству, потому что они остаются в виде твердых частиц в реактивной струе и их размер частиц может быть оптимизирован с целью уменьшения их взаимодействия со светом;

3)добавки по подавлению пламени, которые основаны на ионах щелочных продуктов (обычно калия) и могут также включать другие элементы из ряда металлов (например, алюминий).

Вторичное пламя. Помимо дыма другим рассматриваемым элементом при оценке сигнатуры является наличие пламени в реактивной струе. Газообразные продукты сгорания могут повторно воспламеняться при выходе из сопла. Это явление известно как явление дожигания, которое связано с окислением за счет кисло-

рода воздуха восстанавливающих компонентов (Н2 и СО), образующихся при сгорании топлива.

Подобно оценке дыма, анализ состояния продуктов сгорания позволяет оценить интенсивность получаемого пламени. Сигнатура не ограничивается видимым спектром, а имеет место и в инфракрасной области. Исследования в этой области показали, что основными параметрами являются:

состав топлива (энергетический уровень, температура горения, природа газов, количество восстанавливающих продуктов и присутствие подавителей пламени);

условия горения;

совершенство ракеты.

Во избежание вторичного дожигания необходимо рассмотреть поток продуктов сгорания с частицами, чтобы создать блок реакционных механизмов по повторному воспламенению. Многочисленные исследования были выполнены, чтобы идентифицировать добавки, которые могли быть эффективными и обеспечивали бы условия переработки. Среди продуктов, часто упоминае-

125

мых в публикациях и наиболее используемых в производстве, есть продукты на основе щелочных металлов (обычно калия), таких как нитрат, криолит, сульфат и тартрат калия (hydrogen tartrate), а также продукты на основе бария и вольфрама. Выбор добавки делается принятием во внимание не только ее эффективности, но и последствий, возникающих при ее введении (энергетический уровень, химическая стабильность, склонность к старению, образование первичного дыма, баллистическое совершенство).

Прямое введение в технологическом процессе при смешении подавителя пламени, вероятно, значительно изменяет баллистическое совершенство экструдируемых двухосновных топлив (рис. 3.9). Необходимо исключить тщательное перемешивание топлива с баллистическими катализаторами. Введение подавителя пламени во время конечной операции вальцевания дает возможность получить топлива требуемого баллистического совершенства, которое уже не зависит от присутствия этой добавки.

Рис. 3.9. Зависимость скорости горения экструдируемых двухосновных твердых ракетных топлив с подавителем пламени и без него

В случае литьевых двухосновных топлив процесс модификации также состоит в разделении подавителя пламени от баллистических модификаторов путем применения двух составов заливочных поро-

126

хов, из которых только один состав содержит подавитель пламени. Это позволяет регулировать содержание подавителя пламени за счет изменения относительных количеств заливочных порохов.

3.9.2. Нестабильность горения

При определенных внутренних конфигурациях и условиях работы радиально горящие заряды могут показывать нестабильность горения, которая может приводить к флуктуациям давления. Эта нестабильность может быть двух видов:

1)продольная, частота которой является функцией геометрических размеров заряда (несколько сотен герц);

2)высокочастотная поперечная, которая может иметь две различные моды – радиальную и тангенциальную – или возможно их смесь.

Нестабильности горения вызывают:

возмущения номинального давления, приводящего к колебаниям тяги, создаваемой твердотопливным зарядом;

возможное смещение уровня давления, которое может привести к затуханию заряда;

риск повторного воспламенения газовой струи, приводяще-

го к явлению дожигания недоокисленных продуктов сгорания в газовой струе.

Эти нестабильности наиболее часто появляются в топливах с высоким энергетическим уровнем и в быстрогорящих топливах.

Влияние конфигурации твердотопливного заряда и условий работы. Частоты нестабильности связаны с геометрическими размерами центрального канала заряда, например, для данного диаметра заряда существует некоторая критическая длина, выше которой возникает нестабильность горения. Эта длина зависит от природы топлива (рис. 3.10). Для определенной длины заряда эти нестабильности проявляются при диаметре, несколько меньше, чем предельная величина. Следует также учитывать, что определенная геометрическая конфигурация центрального канала может

127

вызывать нестабильность. В случае звездообразного центрального канала, например, четное число лучей (или каналов) является фактором, способным вызвать нестабильность (правильная симметрия заряда).

Говоря об условиях сжигания топлива, следует отметить, что давление является основным параметром. Нестабильность горения не имеет места при высоких рабочих давлениях, однако это проявляется в области низких давлений, вообще соответствующих нижнему пределу появления эффекта «плато». Фактически возможно определить пороговое давление, ниже которого наблюдается нестабильность.

Рис. 3.10. Влияние длины твердотопливного заряда диаметром 90 мм со звездообразным каналом на нестабильности горения

Низкие температуры также могут приводить к нестабильности горения. Сочетание низкого давления и низкой температуры создает высокую вероятность появления нестабильности. И, наконец, это явление, по-видимому, не связано с химической природой топлива, а скорее, с его баллистическими характеристиками (такими как скорость горения) и энергетикой (теплотавзрывчатогопревращения).

Действие тугоплавких добавок. Присутствие твердых час-

тиц в продуктах сгорания, истекающих из камеры сгорания, обеспечивает демпфирование колебаний давления. Обоснованный выбор их качества и количества позволяет обеспечить полное подавление нестабильности горения (рис. 3.11).

128

Имеется несколько возможностей:

1)бронепокрытие или теплоизоляция, которые при разложении, вызываемом горением способствуют получению продуктов

ствердыми частицами;

2)включение в состав топлива частиц алюминия, циркония

ивольфрама, которые в процессе горения обеспечивают получение жидких или твердых частиц (например, Al2O3, W2O3);

3)введение тугоплавких добавок в топливе, и этот способ является наиболее широко используемым.

Рис. 3.11. Изменения нестабильности горения, записанные на стандартном баллистическом заряде из экструдируемого двухосновного твердого ракетного топлива (тип заряда 32 16)

как функции количества тугоплавкой добавки

Среди основных критериев выбора этих добавок можно выделить температуру плавления, которая должна быть выше температуры пламени. Наиболее широко используются оксиды (ZrO2, SiO2, B2O3), карбиды (кремния, циркония, титана) и силикаты (ZrSiO4). Размер частиц добавок выбирается в соответствии с формулой

129

где R – оптимальный радиус частиц, на практике R < 1 мкм; μ – вязкость газообразных продуктов сгорания; ρ – плотность частиц; F – частота нестабильности.

И наконец, так как эти добавки могут оказывать нежелательное влияние на другие характеристики топлива, они выбираются с учетом обеспечения минимального отрицательного влияния на химическую стабильность топлива и его энергетическое совершенство, скорость горения, температурный коэффициент и сигнатуру.

Эрозионное горение. Эрозионное горение имеет место, когда твердотопливный заряд подвергается воздействию газового потока, параллельного поверхности и с высокой скоростью течения (Q). При этом наблюдается значительно повышенная скорость горения топлива (V) по сравнению с обычной скоростью горения (V0):

где k – коэффициент эрозии состава (который зависит от скорости горения, каталитической системы и т.д.) и порогового значения скорости газового потока, выше которого эрозия имеет место.

Сжигание твердотопливного заряда с последующим гашением позволяет провести анализ изменения контуров горения и определить коэффициент эрозии. Коэффициент эрозии для экструдируемых двухосновных топлив составляет порядка 4·10–4, а пороговая скорость потока изменяется от 500 до 100 г/(с·см2).

3.10. Химическая стабильность

Нитроэфиры, используемые в двухосновных твердых ракетных топливах, являются молекулами, которые химически нестабильны. При обычной температуре, давлении и влажности их разложение происходит очень медленно. Однако в более жестких окружающих условиях (высокая температура, кислотная среда) разложение нитроэфиров становится автокаталитическим. Эти реакции способствуют повышению концентрации радикалов:

130