Ракетные твердые топлива. Ракетные двигатели на твердом топливе

2) корпуса из композиционных материалов, которые используются для создания высокосовершенных конструкций.

Эти корпуса, конечно, снабжены теплозащитой и покрыты лайнером, материалом для обеспечения связи с топливом.

Инсталляция инертных материалов. Основными опера-

циями, необходимыми для подготовки металлического корпуса перед заполнением топливной массой, являются:

обработка поверхности корпуса;

нанесение и связывание с теплоизоляцией;

покрытие всей внутренней поверхности лайнером. Процесс, выбранный для покрытия, зависит от природы лай-

нера и формы корпуса. Наиболее широко используются методы распыления. Качество этих покрытий является важным для обеспечения хорошей адгезии лайнера к топливу и надежности твердотопливного заряда. Чтобы улучшить характеристики связывания (прочность при растяжении, сдвиге и отслаивании) между лайнером и топливом, можно прибегнуть к применению специальных веществ весьма специфической формы, вводимых в состав лайнера (например, гранул на основе целлюлозных производных), которые будут действовать как многочисленные точки механического усилия связи с топливом.

Подготовка сырьевых материалов. За исключением энерге-

тических связующих (нитроглицерин, бутантриолтринитрат и т.п.), которые требуют специальной подготовки, другие сырьевые материалы не обрабатываются до применения. После применения в соответствии с определенной методикой сырьевые материалы хранятся в усредненных производственных мешках при температуре, влажности, требуемых для них. Что касается энергетических пластификаторов, то имеется несколько возможностей в соответствии с выбранными производственными процессами для приготовления топлив и массового производства нитроэфиров:

1. Применение чистого нитроэфира, которое возможно, когда производственное отделение или отделение динамической экстракции располагается вблизи завода по производству топлива.

161

Это позволяет провести быстрое смешение энергетического пластификатора с форполимером, чтобы получить десенсибилизированную смесь, которая может затем храниться, т.е. в течение времени, пока смесь содержит химический стабилизатор.

2. Применение нитроэфира, разбавленного летучим растворителем (ацетоном или метиленхлоридом) или инертным пластификатором (типа триацетина). Эти растворы используются, если отделения по производству нитроэфиров расположены далеко от отделений по производству топлива или когда этого требует производственный процесс.

Производство топливных смесей. Принцип получения топ-

ливной смеси основан почти исключительно на приготовлении связующего с низкой вязкостью, в которое включены наполнители. После гомогенизации в подходящем смесителе топливная масса должна сохранять определенную степень вязкости, чтобы обеспечить заливку сливом или литьем под давлением в течение производственного процесса.

Накопленный опыт показывает, что последовательность введения компонентов топлива должна быть следующей:

1)изменение вязкости топливной массы;

2)введение жидких нитроэфиров и/или мощных окислителей в смеси со связующими, таких какперхлорат аммония и алюминий.

Кроме того, необходимо в течение этой фазы обеспечить очень низкий уровень влажности, чтобы способствовать образованию уретановых связей (реакция изоцианатов со спиртами), тем самым гарантируя хорошие механические свойства топлива.

В целях иллюстрации одного из возможных производственных планов, рассмотрим топливо, которое содержит следующие компоненты:

связующее: форполимер специального молекулярного веса, типа простого или сложного полиэфира; нитроцеллюлоза (используемая в малых количествах в качестве агента для поперечной сшивки), нитроглицерин; стабилизатор;

твердые наполнители: нитрамин (октоген или гексоген); перхлорат аммония;

162

отверждающие агенты: полиизоцианат; катализатор для поперечной сшивки.

Последовательность операций, необходимых для получения гомогенной топливной массы, может быть систематизирована следующим образом:

1.Готовится предварительная смесь, содержащая форполимер, в котором растворены стабилизатор и нитроцеллюлоза. Эта операция проводится при атмосферном давлении и при определенной температуре, которая должна учитывать температуру плавления форполимера.

2.Чистый нитроглицерин или нитроглицерин в растворе добавляется в эту предварительную смесь. Эта операция осуществляется при легком перемешивании и при умеренной температуре. После того, как весь энергетический пластификатор будет полностью введен, в смесителе создается вакуум и при умеренной температуре смесь подвергается дегазации при легком перемешивании, чтобы обеспечить гомогенизацию и выдержку предварительной смеси. Когда нитроглицерин вводится в раствор, то операция дегазации также позволяет удалить растворитель.

3.Добавляется отверждающий агент. После этого связующее готово для ввода твердых наполнителей.

4.Вводятся нитрамин (гексоген или октоген) и перхлорат аммония. В этом конкретном случае они могут быть введены в смеситель либо последовательно, либо отдельными загрузками. Порядок ввода должен учитывать различные размеры частиц наполнителя, которые используются, чтобы избежать проблемы нежелательного увеличения вязкости топливной массы.

На промышленном уровне предпочтительно иметь систему, позволяющую осуществить непрерывный ввод твердых наполнителей. Эта система включает в себя один или несколько бункеров, расположенных над смесителем и содержащих различные наполнители; навески подаются в смеситель через виброконвейер.

5.После введения различных наполнителей окончательно процесс смешения продолжается при умеренной температуре –

163

обычно между 40 и 60 °С (при динамическом давлении вакуума ниже 50 мм рт. ст.) с той же самой целью – обеспечить минимальный уровень влажности смеси. Приблизительно за 1 ч до завершения смешения вводится поперечно сшивающий агент в топливную массу. С этого момента начинается полимеризация, и вязкость топливной массы будет возрастать.

Вертикальные смесители особенно хорошо подходят для производства топлив семейства XLDB, потому что они позволяют:

с точки зрения качества обеспечить очень хорошую гомогенизацию наполнителей в связующем;

с точки зрения обеспечения безопасности значительно уменьшить риск диффузии нитрованных масел в подшипниковые узлы.

4.5.3. Производство зарядов твердого ракетного топлива (заливка, отверждение, окончательная доработка

и контроль качества)

Заливка, отверждение и концевые операции, приводящие к получению зарядов, аналогичны операциям, для смесевых топлив. Однако некоторые корректировки были необходимы, чтобы согласовать присутствие взрывчатых наполнителей (нитраминов) и, особенно, энергетических пластификаторов (нитроглицерина, например), которые являются чувствительными к механическим воздействиям, имеют ограниченную термостабильность и, вероятно, имеют склонность к миграции. Из особых изменений можно отметить:

применение специальных клапанов, предупреждающих удары и трение;

проектирование и создание герметичного оборудования, которое сводит обращение к минимуму – в этом отношении интегральное формование может быть рекомендовано, потому что оно исключает все концевые операции;

более строгий контроль температуры в отделениях отверждения, чтобы избежать каких-либо изменений, которые могут вызвать разложение нитроэфиров.

164

И, наконец, контроль качества включает в себя те же операции, что и в производстве зарядов из смесевых топлив, дополненные некоторыми специальными тестами, такими как химическая стабильность и поведение при прогреве (тесты cook-off).

4.6. Характеристика перспективных твердых ракетных топлив с энергетическими полимерными связующими

4.6.1.Физические

ифизико-химические характеристики

Плотность. В зависимости от природы и содержания наполнителей, перспективные энергетические твердые ракетные топлива характеризуются широким диапазоном плотностей (табл. 4.6). Поскольку топлива XLDB имеют более высокое содержание твердой фазы, то они имеют более высокие плотности, чем у топлив CMCDB. Введение алюминия (ρ = 2,7 г/см3) в топливо, которое уже содержит окислитель (октоген + ПХА), является другим фактором изменения плотности.

Таблица 4 . 6

Значения плотности (ρ), достигнутые в перспективных энергетических твердых ракетных топливах

Температура перехода в стеклообразное состояние (Тg).

Механическое поведение твердого ракетного топлива может изменяться при низкой температуре из-за структурных изменений в связующем (стеклование или фазовый переход второго порядка). Температуры, при которых эти переходы имеют место, зависят, главным образом, от специфических свойств полимера, а также содержания и природы пластификатора (рис. 4.4).

165

связующее пластифицировано, тем больше будет увеличиваться. Таким образом, коэффициент термического расширения топлив XLDB, измеренный при температуре выше температуры стеклования, обычнонаходится вдиапазонеот 1·10–4 до 1,30·10–4 К–1.

Кристаллизация энергетических пластификаторов. В неко-

торых циклах выдержки при низкой температуре топлива XLDB на основе нитроглицерина и поперечно сшитые топлива CMCDB (или EMCDB) с высокими содержаниями пластификатора могут показывать явление хрупкого разрушения, весьма вредное для операционной надежности твердотопливных зарядов. Такое хрупкое разрушение, которое проявляется в полной или частичной потере деформационных свойств материала, является результатом кристаллизации энергетического пластификатора в составе топлива.

Исследования, выполненные по кристаллизации жидких нитроэфиров, позволили получить следующие результаты:

1)чистые нитроэфиры кристаллизуются с трудом;

2)кристаллизация ускоряется за счет затравки нитроэфира посторонним веществом, которое может присутствовать в составе топлива;

3)с самого начала кинетика кристаллизации зависит от температуры, у нитроглицерина, например, кинетика роста кристал-

лов является самой высокой при температуре около –5 °С (рис. 4.5). Энергетические пластификаторы могут отличаться по их способности к кристаллизации: нитроглицерин, например, кристаллизуется быстрее, чем триэтиленгликольдинитрат или 1,2,4- бутантриолтринитрат;

4) применение специально разработанных нитрованных масел задерживает или подавляет явление кристаллизации.

Что касается контроля качества, то топлива с энергетическими пластификаторами подвергаются термостатированию при низких температурах (между 0 и –50 °С) или подвергаются воздейст-

вию ежедневных арктических циклов (например, –12 –40 °С), которые являются более жесткими, потому что они усиливают зародышеобразование и рост кристаллов.

167

пластифицировано нитроглицерином, а другое – смесью нитроэфиров. Твердое ракетное топливо, содержащее смеси нитроэфиров, сопротивляется кристаллизации, т.е. его механические свойства не изменяются при низкой температуре, в то время как топливо, содержащее нитроглицерин, становится хрупким в течение 10–15 дней, в зависимости от типа выбранных условий.

4.6.2.Механические свойства

Взависимости от типа выбранного заряда (вкладной или прочно скрепленный) механические характеристики, требуемые от топлива отличаются.

При вкладных зарядах топливо свободно деформируется. Деформации связаны главным образом с хранением и работой двигателя. Что касается материала, то достаточно высокие значения модуля упругости должны быть гарантированы, в частности, при высоких температурах в корпусах тактических ракет.

При прочно скрепленных зарядах топливо связывается с корпусом. Его механические свойства должны быть специально приспособлены к тепловым напряжениям/деформациям, которые имеют место при охлаждении, сразу после отверждения и в течение срока служебной пригодности заряда в составе ракетного двигателя. Деформации, возникающие при работе двигателя, также должны быть приняты во внимание.

Топлива должны иметь достаточно высокий уровень деформации во всем диапазоне температур, которые могут иметь место в процессе условий эксплуатации заряда. В случае тактических ракет особенно важно обеспечить хорошее соотношение между деформациями при низких температурах и значениями максималь-

ного напряжения ( m) и модуля Юнга при высоких температурах. Эти механические свойства, связанные с конструкцией зарядов, определяют область применения твердых ракетных топлив СМСDB/EMCDB и XLDB/НЕПЕ.

Твердые ракетные топлива CMCDB без поперечной сшивки показывают хороший уровень напряжений при высоких температурах, но уровень деформаций при низких температурах неприем-

169

лем для применения в прочно скрепленных зарядах. В результате этого они используются, главным образом, для изготовления вкладных зарядов.

Для этих твердых ракетных топлив, однако, имеется возможность применения в виде прочно скрепленных зарядов в случае увеличения степени пластификации нитроцеллюлозного связующего, включаяупрочненияего сетки засчетпоперечной сшивки (EMCDB).

Твердые ракетные топлива XLDB показывают хороший уровень деформаций (и при низких температурах) и удовлетворительное напряжение при высоких температурах. Следовательно, они довольно хорошо подходятдля изготовленияпрочно скрепленныхзарядов.

Механическая характеристика твердых ракетных топлив.

Систематический контроль механических свойств при растяжении проводится на всех изготавливаемых топливах при температуре окружающей среды и, если необходимо, при низких температурах (–40, –50 °С) и при высокой температуре (приблизительно +60 °С) для топлив, предназначенных для тактических применений. Для более полной характеризациимогутбыть выполнены другие тесты:

одноосное растяжение при различных скоростях (от 0,5 до 500 мм/мин) при разных температурах. Экспериментальные данные позволяют получить основные или главные кривые, необходимые для проектирования твердотопливного заряда;

поведение при ползучести и при релаксации;

одновременные измерения объемных изменений в процессе теста на растяжение, записываемые с помощью газового дилатометра. Этот метод хорошо подходит для определения характеристик адгезии между связующим и наполнителями.

Механическое поведение твердых ракетных топлив

CMCDB. Механические свойства различных твердых ракетных топлив CDB формируются в течение операции отверждения в то время, когда заливочный растворитель диффундирует в гранулы пороха, которые набухают и связываются друг с другом. Чем больше заливочный порох пластифицируется, тем лучше диффузия будет протекать. При температуре отверждения порядка 50–65 °С механические свойства стабилизируются в течение 2–4 дней.

170